Effekten av obalans i spänningen

Om du använder trefassystem bör du vara medveten om obalanserade spänningar, ett av de vanligaste elkraftproblemen för industrianläggningar. Risken att din anläggning hamnar i obalans är stor om du inte har några åtgärder på plats för att förhindra detta. Att fånga upp obalanser innan de orsakar allvarliga skador på din utrustning är idealiskt.

Nedan kan du läsa om vad spänningsobalanser är, vad som orsakar dem och hur du kan förebygga och testa dem för att skydda dina elektriska system.

Vad är 3-fas spänningsobalans?

Ett trefasigt kraftsystem är balanserat eller symmetriskt när de trefasiga spänningarna och strömmarna har samma amplitud. Ett obalanserat system innebär att fasspänningarna är ojämna.

Denna obalans mäter skillnaden mellan spänningsfaserna i ett trefassystem. Detta problem med elkraften är vanligt i industriella kraftverk eller andra anläggningar som kör stora maskiner med kraftfulla motorer.

Spänningsobalanser kan påverka många aspekter av din verksamhet, inklusive motoreffektivitet, kostnader och skador.

Vad orsakar obalanserade spänningar?

ANSI C84.1 anger: Elförsörjningssystem bör utformas och drivas så att den maximala spänningsobalansen begränsas till 3% när den mäts vid elmätaren under obelastade förhållanden. Detta innebär att det är användarens ansvar att verifiera balanstillståndet för den egna anläggningens spänning.

När en spänning är obalanserad beror det ofta på fördelningen av systemets belastning. Dessa obalanser kan uppstå var som helst i ett system, och obalanserade kraftsystem kan uppstå av många anledningar.

Här är några av de vanligaste orsakerna till obalanserade spänningar:

• Bristande symmetri i överföringsledningar
• Stora enfasbelastningar, t.ex. ljusbågsugnar eller svetsar
• Felaktiga kondensatorbatterier för korrigering av effektfaktor
• Öppna delta- eller wye-transformatorer
• Lågt utgående vridmoment orsakar mekaniska spänningar
• Hög ström i trefas likriktare och motorer
• Obalanserad ström flödar i neutrala ledare
• Felaktig drift av utrustning för korrigering av effektfaktor
• Obalanserad eller instabil strömförsörjning
• Obalanserad transformatorbank som försörjer en trefaslast som är för stor för banken
• Ojämnt fördelade enfasbelastningar i samma kraftsystem
• Oidentifierade fel mellan enfas och jord
• Lösa, korroderade, skadade kontakter eller kontaktorer

Även anläggningsförhållanden kan orsaka eller bidra till spänningsobalans. Till exempel kan överbelastade transformatorer, felaktiga effektfaktorkorrigeringsanordningar, cykliska kontroller och avstämda reaktorer alla leda till obalanser. Även vad som händer i anläggningen bredvid eller längre bort på kraftledningen kan påverka spänningsobalansen i din anläggning.

Effekter av obalanserad spänning

Spänningsobalans kan vara skadligt för motorer. En skillnad i fasspänning orsakar cirkulerande strömmar i trefasmotorer, vilket resulterar i en strömobalans som är sex till 15 gånger högre än spänningsobalansen. Den extra strömmen bidrar till ökad motoruppvärmning, vilket kan bli allvarligt om obalansen är tillräckligt stor. Den högre motortemperaturen försämrar den omgivande isoleringen, förkortar motorns livslängd och leder till motorbrist.

Andra effekter av obalanserad ström och spänning är ökad pulsation, mekanisk stress, vibrationer och förluster. Dessutom är underhållsproblem som slitna kontakter och lösa anslutningar vanliga. Dessa problem kan leda till att en motor arbetar för högt, körs vid förhöjda temperaturer och går sönder i förtid.

Dessutom kommer spänningsobalansen att kasta bort andelen av den låsta rotorlindningsströmmen, som redan är relativt hög, fullbelastningshastigheten kommer att minskas något och vridmomentet kommer att minskas. Om spänningsobalansen är tillräckligt stor kanske det reducerade vridmomentet inte är tillräckligt för applikationen och motorn kommer inte att nå sitt nominella varvtal.

NEMA standard MG-1, anger att flerfasmotorer skall fungera framgångsrikt under körförhållanden vid märklast när spänningsobalansen vid motorterminalerna inte överstiger 1%. Vidare rekommenderas inte drift av en motor med mer än 5% obalans och kommer troligen att leda till skador på motorn.

Även om det i allmänhet inte är önskvärt, kan en annan korrigerande åtgärd vara att minska motorns effekt. När spänningsobalansen överstiger 1% måste en motor nedjusteras för att den ska fungera korrekt. Nedväxlingskurvan, som visas nedan, visar att vid den gräns på 5% som NEMA har fastställt för obalans skulle en motor vara kraftigt nedväxlad, till endast ca 75% av sin nominella hästkraft.

Spänningsobalans kan vara skadligt för de 3-fas DC-omvandlare som används i frekvensomriktare (VFD). Problematiska frekvensomriktare (VFD) som har störande trippning, som visar alla tecken på överbelastning av kretsen, även om mätningar visar något annat, kan ha obalanserade fasströmmar. VFD-linjeströmmar kan bli mycket obalanserade på grund av överdriven ström i en eller två faser. Detta sker trots att den genomsnittliga strömmen för de tre faserna ligger långt under VFD-enhetens märkström.

Den främre delen av VFD:er använder ett arrangemang av högeffektsdioder för att omvandla den 3-fasiga AC-ingångseffekten till DC-bussen som en reservoar för kraftomvandlarsektionen. Strömmen genom ingångens likriktarsektion dras i pulser. I idealfallet är strömflödet genom varje diod jämnt fördelat, men om VFD-enhetens ingång matas med en obalanserad spänning blir strömflödet genom de enskilda dioderna ojämnt, vilket leder till för tidiga och frekventa fel på dioderna. Den obalanserade utgången från de aktuella dioderna kommer att skapa ökat harmoniskt innehåll. När utgångspulserna blir mer obalanserade kommer även trippelströmmens övertoner att öka.

Varför är detta viktigt?

De mest uppenbara skälen till att bry sig om spänningsobalans är minskad motoreffektivitet och prestanda – båda påverkar ditt företags lönsamhet. En given motors verkningsgrad varierar beroende på faktorer som typ av applikation, belastning och matningsspänning.

Om du använder ett nätaggregat med större spänningsobalans ökar ^{I2R-förlusterna}– dvs. ström i kvadrat gånger motstånd – i rotor och stator, vilket innebär att mer av den tillförda effekten omvandlas till värme och mindre till arbete. Motorn kommer att gå varmare och därmed mindre effektivt. Observera att ökade rotorförluster ökar “slirningen”, så att motorn snurrar lite långsammare och utför mindre arbete på en given tid.

Den grundläggande Arrhenius-ekvationen anger att den kemiska hastigheten fördubblas för varje grad C som temperaturen ökar. Genom att tillämpa denna ekvation på motorns isolering är det lätt att se att varje temperaturökning dramatiskt kommer att minska motorns livslängd. Följande tabell visar effekterna av lindningstemperatur till följd av spänningsobalans.

När obalanser skadar utrustningen kommer anläggningen att drabbas av driftstopp eftersom motorerna inte körs så effektivt som de borde. Förutom de pengar som går förlorade under stilleståndstiden kommer de skadade motorerna att kräva kostsamma utbyten eller reparationer

Hur man förhindrar ett obalanserat kraftsystem

För att förhindra spänningsobalans måste belastningarna fördelas jämnt över faserna i ett panelbord. När en fas belastas hårdare än de andra kommer spänningen på den fasen att vara låg, vilket resulterar i en obalans. En jämn fördelning av dina belastningar förhindrar att en fas blir överbelastad.

Att förstå orsakerna till en obalans hjälper dig och dina tekniker att leta efter tecken och arbeta för att förebygga dem. Det bästa sättet att förebygga obalanser är att testa om det finns spänningsobalanser och ta reda på vad som kan orsaka dem. Även om det finns en liten obalans någonstans i systemet kan ett test nu hjälpa dig att upptäcka den innan effekterna blir förödande. Testinstrumentet ATPOL III™ Energized Electrical Signature Analysis (ESA ) med tillhörande programvara ATPOL 8.0 kan snabbt och exakt mäta och beräkna den spänningsobalans som tillförs dessa arbetshästar inom industrin som en del av de rutinmässiga energitesterna av motorer som tar mindre än 1 minut. Programvaran ATPOL 8.0 beräknar den procentuella spänningsobalansen och anger lämplig nedskrivningsfaktor för spänningen.

Den bärbara ATPOL III™ kan snabbt anslutas med en specialkontakt till förinstallerade ALL-SAFE©-kontakter eller med avtagbara CT:er och spänningsprober i en lättåtkomlig motorstyrning eller frånskiljare. För att ge extra skydd åt de allt populärare VFD-enheterna kan de även testa ingångseffekten till dessa dyra styrenheter för att säkerställa att de spänningsobalansförhållanden som kan leda till strömobalans genom likriktarsektionerna inte föreligger.

Hur man beräknar obalanserad ström

För att manuellt beräkna procentandelen av en obalanserad spänning måste du först bestämma den genomsnittliga strömmen eller spänningen och den största avvikelsen. Därefter dividerar du avvikelsen med den genomsnittliga spänningen och multiplicerar detta tal med 100 för att få fram procenttalet.

Procent av spänningens obalans:

Till exempel V1 = 469

V2 = 478

V3 = 461

Genomsnittlig spänning = 469,33 V2 har en maximal avvikelse på 8,66667

% VUB = 100(8,66667/469,33) = 1,84

ATPOL är det perfekta verktyget att lägga till i verktygslådan för förebyggande underhåll för testning av spänningsförande motorer. Genom att rutinmässigt utföra ett ESA-motortest med ALL-SAFE PRO©kan fabrikerna snabbt utföra en fullständig inspektion av hela motorsystemet.

ATPOL III™använder motorns spänning och ström för åtkomst:

• Villkoret från inkommande kraft
• Motorns elektriska och mekaniska skick och obalans
• Felinriktning
• Lagerförhållanden
• Löshet
• Rubbningar av lasten
• Anomalier i processen, t.ex. kavitation

Portabla mätningar kan enkelt göras från alla motorer som inte har alla säkringar med hjälp av portabla, klämbara eller flexibla CT.

ATPOL III™ utför en samtidig datainsamling av alla tre faserna av spänning och ström för att skapa grafer, tabeller och displayer som gör det möjligt att använda kraftkvaliteten som ett verktyg för förebyggande underhåll som är nödvändigt för att placera din utrustning i toppskiktet bland anläggningar i världsklass. Använd V-obalans för att förutsäga för tidiga isolationsfel i lindningen för att fastställa minskad motorlivslängd orsakad av spänningsobalans.

Testa dina motorer noggrant med ALL-TEST PRO

Motortestning är avgörande för att säkerställa att din utrustning fungerar korrekt och för att hitta eventuella fel eller potentiella problem så att de kan åtgärdas. Använd ALL-TEST-produkter för att säkerställa noggrannheten när du testar dina motorer. Oavsett om du testar för spänningsobalanser eller utför strömlösa tester kan våra produkter hjälpa dig att fastställa status för din motor.

ATP känner till motorer. ATP är specialiserat på lösningar med och utan spänning för fälttester. ATP:s produkter är fältmonterade, lätta, enkla att använda, exakta och ger tidig upptäckt av potentiella problem, så att din anläggning kan drivas effektivt och säkert.