Loại bỏ sự mất cân bằng điện áp

Mất cân bằng điện áp làm giảm hiệu suất và rút ngắn tuổi thọ của động cơ ba pha. Mất cân bằng điện áp tại các cực của động cơ có thể gây ra hiện tượng mất cân bằng dòng điện vượt xa mức mất cân bằng điện áp. Dòng điện không cân bằng dẫn đến xung mô-men xoắn, tăng độ rung và ứng suất cơ học, tăng tổn thất dẫn đến hiệu suất thấp hơn và động cơ quá nóng, làm giảm tuổi thọ cách điện của cuộn dây.

Sự mất cân bằng phần trăm điện áp được Hiệp hội các nhà sản xuất điện quốc gia (NEMA) định nghĩa là gấp 100 lần giá trị tuyệt đối của độ lệch tối đa của điện áp đường dây so với điện áp trung bình trên hệ thống ba pha, chia cho điện áp trung bình. Ví dụ: nếu điện áp đường dây đo được là 462, 463 và 455 volt thì giá trị trung bình là 460 volt. Điện áp mất cân bằng là:

(460 – 455) /460 x 100 = 1,1%

Khuyến cáo rằng sự mất cân bằng điện áp ở các cực của động cơ không vượt quá 1%. Sự mất cân bằng vượt quá 1% đòi hỏi phải giảm công suất của động cơ, theo Hình 20-2 của NEMA MG-1-2011 và sẽ làm mất hiệu lực bảo hành của hầu hết các nhà sản xuất. Các nguyên nhân phổ biến gây mất cân bằng điện áp bao gồm:

• Lỗi vận hành của thiết bị hiệu chỉnh hệ số công suất

• Nguồn cung cấp tiện ích không cân bằng hoặc không ổn định

• Bộ biến áp không cân bằng cung cấp tải ba pha quá lớn cho bộ biến áp

• Phụ tải một pha phân bố không đều trên cùng một hệ thống điện

• Lỗi một pha chạm đất không xác định được

• Hở mạch trên hệ thống phân phối sơ cấp

Hiệu suất của động cơ 1.800 vòng/phút (RPM), 100 mã lực (hp) được cho dưới dạng hàm số của sự mất cân bằng điện áp và tải của động cơ trong Bảng 1 dưới đây. Xu hướng chung là giảm hiệu suất do mất cân bằng điện áp tăng được quan sát thấy ở động cơ ở mọi điều kiện tải.

Mất cân bằng điện áp có lẽ là vấn đề hàng đầu về chất lượng điện năng dẫn đến động cơ quá nóng và hỏng động cơ sớm. Nếu phát hiện điện áp không cân bằng, cần tiến hành điều tra kỹ lưỡng để xác định nguyên nhân. Tiết kiệm năng lượng và chi phí xảy ra khi thực hiện các hành động khắc phục.

Hành động được đề xuất

• Định kỳ theo dõi điện áp tại các cực của động cơ để xác minh rằng sự mất cân bằng điện áp được duy trì dưới 1%. Xem xét việc cài đặt các cảm biến gửi cảnh báo về các giá trị không được chấp nhận hoặc tốc độ thay đổi giá trị. Mạng cảm biến không dây ISA100 có thể được quan tâm.
• Kiểm tra sơ đồ đường dây đơn của hệ thống điện của bạn để xác minh rằng tải một pha được phân bổ đồng đều.
• Lắp đặt các chỉ báo lỗi nối đất theo yêu cầu và thực hiện kiểm tra nhiệt độ hàng năm. Một dấu hiệu khác cho thấy sự mất cân bằng điện áp có thể là một vấn đề là độ rung 120 hertz (Hz). Việc phát hiện rung động ở tần số 120 Hz sẽ nhắc nhở việc kiểm tra cân bằng điện áp ngay lập tức.

Ví dụ về tiết kiệm năng lượng mất cân bằng điện áp

Giả sử rằng động cơ 100 mã lực được thử nghiệm như trong Bảng 1 đã được tải đầy đủ và hoạt động trong 8.000 giờ mỗi năm (giờ/năm), với điện áp không cân bằng là 2,5%. Với năng lượng có giá 0,08 USD/kilowatt-giờ (kWh), mức tiết kiệm năng lượng và chi phí hàng năm sau khi thực hiện các hành động khắc phục là:

Tiết kiệm năng lượng hàng năm = 100 mã lực x 0,746 kW/mã lực x 8.000 giờ/năm x (100/93 – 100/94,4) = 9.517 kWh

Tiết kiệm chi phí hàng năm = 9.517 kWh x 0,08 USD/kWh = 760 USD

Tổng mức tiết kiệm có thể lớn hơn nhiều vì điện áp cung cấp không cân bằng có thể cấp nguồn cho nhiều động cơ và các thiết bị điện khác.

Cân nhắc thêm

Mất cân bằng điện áp gây mất cân bằng dòng điện cực cao. Độ lớn của mất cân bằng dòng điện có thể lớn gấp 6 đến 10 lần mất cân bằng điện áp. Đối với động cơ 100 mã lực trong ví dụ trước, dòng điện (ở mức đầy tải với điện áp mất cân bằng 2,5%) bị mất cân bằng 27,7%.

Động cơ sẽ chạy nóng hơn khi vận hành bằng nguồn điện có điện áp mất cân bằng. Mức tăng nhiệt độ bổ sung được ước tính theo phương trình1 sau:

Tổng mức tăng nhiệt độ = Mức tăng nhiệt độ cân bằng x (1 + 2 x (% Mất cân bằng điện áp)2 /100)

Ví dụ, một động cơ có nhiệt độ tăng 80°C do điện trở sẽ tăng nhiệt độ 6,4°C khi vận hành trong điều kiện mất cân bằng điện áp 2%. Tuổi thọ cách điện của cuộn dây giảm đi một nửa khi nhiệt độ vận hành tăng thêm 10°C.2

Tài nguyên

Hiệp hội các nhà sản xuất điện quốc gia (NEMA)—Truy cập www.nema.org để biết thêm thông tin về mất cân bằng điện áp.

Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE)— Để biết thêm thông tin về động cơ và hiệu suất của hệ thống được dẫn động bằng động cơ cũng như tải xuống công cụ phần mềm MotorMaster+, hãy truy cập trang web của Văn phòng Sản xuất Nâng cao (AMO) tại Manufacturing.energy.gov.

Người giới thiệu

Reliance Electric, “Nguồn điện” tháng 9 năm 1998.

2 “Ngăn chặn rò rỉ tốn kém: Ảnh hưởng của điện áp không cân bằng đến tuổi thọ và hiệu suất của động cơ điện ba pha.” Các vấn đề về năng lượng. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Mùa đông năm 2005.

Tài liệu tham khảo bổ sung

Thông tin trong tờ hướng dẫn này được trích từ Ấn bản Tiêu chuẩn NEMA MG-1-2011, Động cơ và Máy phát điện, có sẵn để mua từ www.nema.org.