Eliminera obalans i spänningen

Spänningsobalans försämrar prestandan och förkortar livslängden för en trefasmotor. Spänningsobalans vid motorns terminaler kan orsaka strömobalans som är helt oproportionerlig i förhållande till spänningsobalansen. Obalanserade strömmar leder till momentpulseringar, ökade vibrationer och mekaniska spänningar, ökade förluster vilket leder till lägre effektivitet och överhettning av motorn, vilket minskar livslängden på lindningens isolering.

Procentuell spänningsobalans definieras av National Electrical Manufacturers Association (NEMA) som 100 gånger det absoluta värdet av den maximala avvikelsen för linjespänningen från den genomsnittliga spänningen i ett trefassystem, dividerat med den genomsnittliga spänningen. Om de uppmätta ledningsspänningarna t.ex. är 462, 463 och 455 volt är medelvärdet 460 volt. Spänningen är obalanserad:

(460 – 455) /460 x 100 = 1.1%

Det rekommenderas att spänningsobalansen vid motoranslutningarna inte överstiger 1%. Obalanser som överstiger 1 % kräver nedväxling av motorn, enligt figur 20-2 i NEMA MG-1-2011, och gör att de flesta tillverkares garantier upphör att gälla. Vanliga orsaker till spänningsobalans är t.ex:

– 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

– En öppen krets på distributionssystemet primär

Verkningsgraden för en motor med 1 800 varv per minut (RPM) och 100 hästkrafter (hp) anges som en funktion av spänningsobalansen och motorbelastningen i tabell 1 nedan. Den allmänna trenden med minskad effektivitet med ökad spänningsobalans observeras för motorer vid alla belastningsförhållanden.

Spänningsobalans är förmodligen det främsta elkvalitetsproblemet som leder till överhettning av motorer och för tidigt motorhaveri. Om obalanserade spänningar upptäcks bör en grundlig undersökning göras för att fastställa orsaken. Energi- och kostnadsbesparingar uppstår när korrigerande åtgärder vidtas.

Förslag till åtgärder

• Kontrollera regelbundet spänningarna vid motoranslutningarna för att verifiera att spänningsobalansen hålls under 1%. Överväg att installera sensorer som larmar vid oacceptabla värden eller förändringar av värden. ISA100 trådlösa sensornätverk kan vara av intresse.
• Kontrollera elsystemets enlinjeschema för att verifiera att enfasbelastningarna är jämnt fördelade.
• Installera jordfelsindikatorer efter behov och utför årliga termografiska inspektioner. En annan indikator på att spänningsobalans kan vara ett problem är 120-hertz (Hz)-vibrationer. Om en 120 Hz-vibration upptäcks bör man omedelbart kontrollera spänningsbalansen.

Spänningsobalans Exempel på energibesparingar

Antag att den 100-hk motor som testades enligt tabell 1 var fullastad och användes under 8 000 timmar per år (hrs/yr), med en obalanserad spänning på 2,5 %. Med ett energipris på 0,08 USD/kilowattimme (kWh) blir de årliga energi- och kostnadsbesparingarna efter att korrigerande åtgärder vidtagits följande:

Årlig energibesparing = 100 hk x 0,746 kW/hk x 8 000 hrs/år x (100/93 – 100/94,4) = 9 517 kWh

Årlig kostnadsbesparing = 9 517 kWh x 0,08 USD/kWh = 760 USD

De totala besparingarna kan bli mycket större eftersom en obalanserad matningsspänning kan driva många motorer och annan elektrisk utrustning.

Ytterligare överväganden

Spänningsobalans orsakar extremt hög strömobalans. Storleken på strömobalansen kan vara 6 till 10 gånger så stor som spänningsobalansen. För 100-hk-motorn i föregående exempel var ledningsströmmarna (vid full belastning med 2,5% spänningsobalans) obalanserade med 27,7%.

En motor går varmare när den drivs med en strömförsörjning med obalanserad spänning. Den ytterligare temperaturökningen beräknas med följande ekvation1 :

Total temperaturökning = Balanserad temperaturökning x (1 + 2 x (% spänningsobalans)2 /100)

Till exempel skulle en motor med en temperaturökning på 80°C orsakad av resistans uppleva en temperaturökning på 6,4°C när den drivs under förhållanden med 2% spänningsobalans. Lindningsisoleringens livslängd minskar med hälften för varje 10°C ökning av driftstemperaturen.2

Resurser

National Electrical Manufacturers Association (NEMA) – Besök www.nema.org för ytterligare information om spänningsobalans.

U.S. Department of Energy (DOE)- För mer information om motorers och motordrivna systems effektivitet och för att ladda ner programvaruverktyget MotorMaster+, besök webbplatsen för Advanced Manufacturing Office (AMO) på manufacturing.energy.gov.

Referenser

Reliance Electric, “Power Supply” september 1998.

2 “Att stoppa ett kostsamt läckage: Effekterna av obalanserad spänning på livslängd och effektivitet hos trefasiga elmotorer.” Energifrågor. Förenta staternas energidepartement. Vinter 2005.

Ytterligare referenser

Informationen i detta tipsblad är hämtad från NEMA Standards Publication MG-1-2011, Motors and Generators, som kan köpas från www.nema.org.