Рис. 4. Начальная производительность двигателя при 25°C

При стабилизированном повышении температуры якоря на 100°C сопротивление на выводах будет выше, а плотность магнитного потока будет ниже по сравнению с начальной температурой двигателя 25°C. Это приведет к изменению R _мт , К _Т и К _Е .

Важное примечание – В приведенных ниже расчетах предполагается, что температуры постоянного магнита и обмотки якоря идентичны. Якорь двигателя, являющийся частью машины, по которой проходит электрический ток, всегда будет иметь более высокую температуру, чем постоянные магниты. На практике фактическое изменение K _T , K _E и регулирование двигателя будет менее выраженным, чем показано в следующем примере.

 Расчетные характеристики двигателя при повышенной температуре 125 °C

Повышенное сопротивление на клеммах

R mt(f) = R mt(i) x [1 + α проводник (Ѳf – Ѳ i )] R mt(f) = x 0,591 0,0040 (125°C – 25°C)] R mt(f) = 0,83 Ом

Пониженный крутящий момент и постоянное напряжение

(K используется как для K E , так и для K T в единицах СИ) )] K ( f ) = 0,071 В/(рад/с) x [1 + (-0,0020)(125°C – 25°C)] K ( f ) = 0,057 В/(рад/с) с) или Нм/А

Уменьшенный ток блокировки ротора (остановка)

I LR = V T / R mt(f) I LR = 24 В / 0,83 Ом I LR = 28,92 А

Уменьшенный крутящий момент заблокированного ротора (опрокидывание)

T LR = ILR x K T(f) T LR = 28,92 A x 0,057 Нм/A T LR = 1,609 Нм

Увеличенная скорость без нагрузки

N 0 = 9,5493 x [(V T – I 0 x R MT (F) ) / K E (F) ] N 0 = 9. 54993. (F) ] N 0 = 9.5493. – 0,30 А x 0,83 Ом) / 0,057 В/(рад/с)] n 0 = 3979 об/мин

Усиленное регулирование двигателя

R м = n 0 / T LR R м = 3979 об/мин / 1,65 Нм R м = 2412 об/мин / Нм

Интересно отметить, насколько производительность меняется при заданном повышении температуры двигателя. Хотя анализ полезен для понимания явления, он ни в коем случае не идеален. Например, следует помнить несколько вещей…

Однако приведенный выше анализ в первом приближении очень полезен для применения двигателя и понимания его ограничений в конкретном приложении.

 Постоянные двигателя и максимальная выходная мощность
Редко, если вообще когда-либо, двигатель работает на максимальной мощности очень долго. За исключением очень маленьких двигателей малой мощности, большинство из них не могут работать непрерывно при максимальной мощности без превышения номинальной температуры. Приведенные ниже уравнения можно использовать для определения мощности в любой точке кривой двигателя 9.0004 и максимальная выходная мощность.

Уравнения 6b и 6c иллюстрируют влияние сопротивления двигателя на выходную мощность машины. Хотя это не интуитивно понятно, глядя на уравнение 6b, более высокое сопротивление обмотки при повышенной температуре является основной причиной снижения максимальной выходной мощности двигателя. Несмотря на то, что плотность магнитного потока при повышенной температуре уменьшается, уменьшение TLR (из-за уменьшения KT) компенсируется увеличением ω0 (из-за уменьшения KE). Если бы сопротивление осталось прежним, то даже уменьшение плотности магнитного потока существенно не изменило бы максимальную выходную мощность машины.

В действительности, более высокое сопротивление (R _mt ) в сочетании с пониженной плотностью магнитного потока (более низкое значение K _T ) снижает заторможенный крутящий момент ротора намного больше, чем просто уменьшение плотности магнитного потока, что объясняет уменьшение по максимальной выходной мощности.

Максимальная выходная мощность при 25°C

P max(i) = 0,25 x ω 0 x T LR P max(i) = 0,25 x 331 рад/с x 2,88 Нм P макс(i) = 238 Вт

Максимальная выходная мощность при 125°C

P max( f ) = 0. 25 x ω 0 x T LR P max( f ) = 0.25 x 417 rad/s x 1.65 Nm P max( f ) = 172 W

Максимальная мощность при повышенной температуре составляет примерно 70% от максимальной мощности при комнатной температуре. Это значительное изменение, и оно является прямым следствием увеличения сопротивления двигателя. Уравнение 6c даст результаты, которые находятся в пределах 1 или 2% от приведенных выше чисел. Это уравнение очень полезно для быстрой оценки максимальной мощности любого двигателя постоянного тока.

Опубликованные данные. Кривые двигателя бывают разных видов!
Большинство графиков характеристик двигателей постоянного тока содержат как минимум 2 кривые; скорость по отношению к крутящему моменту и ток по отношению к крутящему моменту. Производители могут решить отображать информацию немного по-другому, а также предоставлять другую информацию, такую ​​как выходная мощность и кривые эффективности.

Пример кривой двигателя, показанный на рис. 1, исключает все другие переменные и предполагает, что двигатель испытывается при фиксированном напряжении на клеммах с использованием источника питания с низким импедансом и постепенно нагружается динамометром. Тест выполняется как можно быстрее, чтобы свести к минимуму повышение температуры двигателя. Если испытуемый двигатель представляет собой небольшой двигатель мощностью менее дробных лошадиных сил, динамометр может нагружать двигатель до тех пор, пока скорость вала не достигнет нуля или близкой к нулю оборотов в минуту. В случае более крупных двигателей динамометр может быть настроен на постепенную нагрузку двигателя приблизительно до точки максимальной мощности. Затем можно экстраполировать оставшуюся часть кривой. Полученные данные в любом случае представляют собой (теоретически) линейные зависимости скорости от крутящего момента и тока от крутящего момента.

Некоторые производители, в частности те, которые поставляют комплектные сервосистемы, могут представлять кривые производительности как «смесь» информации, которая включает ограничения на уровне системы. Рассматриваемые ограничения могут включать множество факторов, таких как допустимый постоянный ток, допустимый пиковый ток, ограничения мощности привода/усилителя, максимальное напряжение на шине постоянного тока, максимальная номинальная температура двигателя, насыщение двигателя и механические ограничения скорости. Многие производители могут отображать крутящий момент двигателя по оси «Y», а скорость — по оси «X». Примеры кривых на рисунках 7a и 7b показывают, как могут выглядеть данные, если учитывать такие факторы, как максимальная скорость вращения, максимальное повышение температуры и пиковый ток привода. Независимо от того, как публикуются данные или какие другие системные факторы учитываются, параметры двигателя R _mt , K _T и K _E имеют решающее значение для понимания истинных возможностей двигателя.

Еще один фактор, который следует учитывать при оценке различных кривых производительности, заключается в том, что фактические условия испытаний не всегда могут быть очевидными. Разные поставщики будут публиковать разную информацию. В случае, когда двигатели быстро тестируются на динамометре (чтобы свести к минимуму повышение температуры), этот метод имеет тенденцию быть очень последовательным и обеспечивает хороший базовый уровень. Недостатком является то, что результаты не представляют наихудшие условия.

Если двигатели испытаны при максимальной номинальной температуре, пользователь лучше поймет возможности двигателя при использовании в приложениях, где температура двигателя стабилизируется на значении, значительно превышающем комнатную температуру. Недостатком является то, что существует множество других переменных, которые могут исказить результаты испытаний, такие как метод измерения температуры, монтаж двигателя (вызывающий эффект теплоотвода), поток воздуха вокруг двигателя и т. д. Некоторые производители двигателей испытывают свои двигатели при наихудших условиях. состояние корпуса; двигатель, стабилизированный до полной номинальной температуры без теплоотвода или принудительного воздушного потока. Не существует строгих правил, определяющих, как производитель должен представлять данные о производительности. При оценке информации важно помнить, что нужно задавать правильные вопросы.

 Общая конструкция двигателя и теплопередача
Механическая конструкция влияет на характеристики теплопередачи в двигателе. В двигателе постоянного тока с механическим коммутатором и щетками медные обмотки намотаны в пазах вокруг «вращающейся» части двигателя (называемой якорем). Тепло, выделяемое медными обмотками якоря, будет проходить через пластины якоря к валу двигателя и подшипниковой системе. Благодаря конвекции тепло также будет мигрировать через воздушный зазор к постоянным магнитам и корпусу, где оно в конечном итоге будет рассеиваться в окружающей среде. Несмотря на то, что некоторая часть теплопередачи происходит за счет прямой передачи через пакет ламинирования к подшипниковой системе и корпусу, большая часть генерируемого тепла будет проходить через воздушный зазор и через магниты.

В случае бесщеточного двигателя постоянного тока медные обмотки намотаны в пазах (в щелевом бесщеточном двигателе) или сформированы против магнитного сердечника (в бесщелевом бесщеточном двигателе) и выполнены как часть внутренней поверхности корпуса двигателя. . Эта конструкция обеспечивает прямой путь теплопроводности от выделяющей тепло меди к корпусу двигателя, где она будет рассеиваться в окружающую среду. Постоянные магниты в бесщеточном двигателе находятся на вращающейся части машины.

В любом случае будет очень трудно, если вообще возможно, предсказать повышение температуры отдельных компонентов без эмпирического тестирования, но одно можно сказать наверняка; повышение температуры отдельных компонентов (горячих точек внутри двигателя) будет разным для щеточного и бесщеточного двигателей при прочих равных условиях.

 Ничто не заменит прикладное тестирование
Цель предыдущего обсуждения и примеров расчета — лучше понять, как производительность двигателя изменяется в зависимости от температуры. Ничто не заменит тестирование и проверку двигателя в условиях эксплуатации. Надлежащая теоретическая обработка невозможна из-за большого количества задействованных переменных и допущений, однако примеры расчетов могут служить в качестве первого приближения для получения представления о величине возможных изменений.

Наилучший способ понять характеристики двигателя в реальных условиях эксплуатации — максимально точно смоделировать приложение, одновременно собирая данные о температуре с течением времени с помощью системы сбора данных. Различные части двигателя следует контролировать с помощью термопар, прикрепленных к подшипникам, концевым раструбам, обмоткам (в случае бесщеточного двигателя), магнитам (в случае щеточного двигателя) и корпусу двигателя. Всегда обсуждайте критерии проектирования с инженером по приложениям.

Нажмите здесь, чтобы загрузить PDF-версию.

Почему электрические двигатели выходят из строя – Water Well Journal

Часть 2. Трехфазные двигатели

Автор: Эд Баттс, PE, CPI

обзор неисправности однофазного двигателя. Этой колонкой мы продолжаем серию частых причин поломки трехфазного двигателя. В следующем месяце будет обзор поиска и устранения неисправностей однофазных электродвигателей, а в апреле мы завершим поиск и устранение неисправностей трехфазных электродвигателей.

Причины отказов трехфазных двигателей

Исторически наиболее распространенные причины и процент отказов трехфазных электродвигателей показаны в таблице 1.

Когда перегрузка и перегрев сочетаются с однофазными отказами, становится очевидным, половина (44%) всех отказов двигателей является прямым или косвенным результатом нагрева .

Это обсуждение было посвящено наиболее вероятным причинам отказа двигателя и тому, что мы, как проектировщики и операторы, можем сделать, чтобы предотвратить их.

Во-первых, хорошо известно, что нагрев является наиболее распространенной причиной отказа двигателя до того, как он достигнет своего нормального срока службы. Важно помнить, что при каждом повышении температуры обмотки двигателя на 10°C или 50°F по сравнению с расчетной рабочей температурой срок службы изоляции обмоток двигателя сокращается на 50% (правило полураспада) даже если перегрев был или является только временным.

Перегрев двигателя может быть вызван рядом факторов. Например, если проектировщик выбирает двигатель с недостаточным размером для определенного применения или выбирает двигатель с неадекватными характеристиками пускового тока и крутящего момента, он будет запускаться или работать при более высокой температуре, чем его расчетная температура. Таким образом, помимо напряжения и фазы, двигатели всегда должны быть согласованы с подключенными нагрузками по мощности,
требования к скорости и крутящему моменту.

В то время как двигатель меньшего размера часто приводит к перегреву, увеличение размера двигателя требует больших капитальных вложений и часто снижает общую энергоэффективность приложения.

Чрезмерная цикличность двигателя является еще одной частой причиной отказа двигателя и насоса из-за перегрева двигателя и износа насоса и его компонентов. Как правило, водяные системы, в которых работают насосы с двухпозиционными напорными системами, должны обеспечивать, чтобы количество циклов запуска двигателя не превышало установленных дневных значений.

Насосные системы с производительностью, превышающей требуемую потребность, возможно, должны быть оснащены частотно-регулируемым приводом, регулирующим клапаном или другим способом для увеличения продолжительности работы, чтобы уменьшить количество циклов работы двигателя. Различные факторы возникают, когда вы имеете дело с рабочей температурой двигателя, независимо от приложения. К ним относятся:

• Электрический КПД и коэффициент мощности двигателя
• Номинальная и фактическая нагрузка в лошадиных силах или киловаттах, приводимых в движение двигателем
• Если двигатель подвергается циклированию, количество ежедневных циклов и время простоя между циклами
• Мгновенные или ежедневные отклонения или дисбаланс рабочего коэффициента мощности, напряжения и частоты
• Температура окружающей среды, для которой рассчитан двигатель, и температура, при которой он будет работать.
• Повышение температуры двигателя при его номинальной нагрузке
• Класс изоляции обмоток NEMA или IEC производителя
• Коэффициент обслуживания двигателя.

Факторы окружающей среды и эксплуатации

Другой распространенной причиной перегрева является эксплуатация двигателя в среде с высокой температурой окружающей среды или в грязной рабочей среде, что снижает скорость передачи тепла от двигателя в соседнюю среду.

Это состояние приводит к повышению температуры обмотки и, как следствие, сокращению срока службы. Размещение погружных электродвигателей в мертвой зоне, где вода, подаваемая к насосу, не может должным образом протекать мимо электродвигателя в первую очередь, или применение электродвигателей с воздушным охлаждением в недостаточно вентилируемых помещениях или рядом с оборудованием, выделяющим тепло, таким как печи, может легко привести к перепадам температуры окружающей среды или рабочей температуры. достаточно высока, чтобы вызвать повреждение двигателя.

Разработчики и технические специалисты должны всегда проверять температуру окружающей среды и пути для охлаждающего воздуха в закрытых помещениях, где должны быть установлены двигатели, и использовать тепловые перегрузки с компенсацией окружающей среды, которые предназначены для условий с более высокой температурой окружающей среды. При необходимости добавьте кожух к погружным блокам для направления достаточного потока воды мимо двигателя или используйте принудительную или дополнительную вентиляцию помещения, если температура окружающей среды превышает номинальную для предполагаемого двигателя.

Несмотря на то, что температура окружающей среды может находиться в пределах рекомендуемых производителем температурных режимов, воздуховоды заблокированы, закупорены или ограничены; неподходящие или грязные охлаждающие вентиляторы; или лопасти могут привести к повышению рабочей температуры двигателя. Даже двигатели, смазываемые консистентной или масляной смазкой, должны получать достаточный поток воздуха вокруг двигателя для отвода рабочего тепла и поддержания температуры обмотки ниже максимальных значений.

Не реже одного раза в год следует проверять все окружение двигателя, чтобы убедиться, что все пути движения охлаждающего воздуха внутрь и наружу двигателя не засорены, включая входные и выходные отверстия и экраны. Двигатели, установленные на полу или приводящие в действие водяной насос, должны быть проверены, чтобы убедиться, что грязь, водяные брызги или туман не попадают в двигатель из-за протекающей прокладки, механического уплотнения или мусора/влаги на полу.

Эта ситуация может привести к тому, что влажный или грязный воздух будет проходить через обмотки вентилятора во время работы, что часто приводит к отложениям на обмотках. Это может привести к возникновению горячих точек и возможному отказу.

Однофазное подключение трехфазных двигателей

Влияние однофазного подключения (рис. 1 и 2) на трехфазные двигатели зависит от схемы обслуживания и обмотки двигателя, расположения размыкания цепи и тепловой мощности двигателя. При однофазном включении повышение температуры двигателя может не изменяться или увеличиваться напрямую с током двигателя, но может увеличиваться со скоростью, превышающей увеличение тока.

В некоторых случаях защитные устройства, воспринимающие ток только в двух ответвлениях, могут не обеспечивать полной однофазной защиты. Если цепь размыкается на стороне линии или первичной обмотки трансформатора, например, для системы «звезда-треугольник», две ветви нагрузки увеличиваются до 115 % от значения полной нагрузки, а оставшаяся ветвь увеличивается до 230 % от значения полной нагрузки.

Когда один вывод или фаза на стороне нагрузки двигателя размыкаются, как показано на рис. 2, цепь двигателя становится вторичной однофазной, а ток двигателя в оставшихся двух фазах увеличивается до 173% (√3) от нормального рабочий ток, хотя увеличение может достигать двух раз (200%) из-за изменения коэффициента мощности.

Если двигатель имеет высокую инерционную нагрузку или двигатель пытается запуститься от однофазного питания, ток может достигать значений с заблокированным ротором. Обычно, если используются и должным образом отрегулированы трехветвевые быстродействующие устройства защиты от перегрузки, реле перегрузки безопасно отключают двигатель от источника питания в течение нескольких минут.

Однако в некоторых случаях при использовании двигателя увеличенного размера, в котором перегрузки рассчитаны по мощности, а не по фактической нагрузке, увеличение тока нагрузки может оказаться недостаточным для генерирования тока, достаточного для отключения по перегрузке.

В этих случаях двигатель будет продолжать работать от однофазного питания до разрушения или до тех пор, пока плавкие предохранители или автоматический выключатель не разомкнут цепь. Например, для трехфазного двигателя с небольшой нагрузкой, который работает при 70% нормального тока при полной нагрузке, во вторичном однофазном режиме фазный ток увеличится на квадратный корень из трех (√3 или 1,732).

Это приведет к потреблению тока примерно на 20 % больше, чем ток полной нагрузки, указанный на паспортной табличке, что, если величина перегрузки составляет 125 % от паспортной таблички двигателя, циркулирующие токи могут повредить двигатель. По этой причине рекомендуется, чтобы защита двигателя от перегрузки всегда основывалась на фактическом рабочем токе двигателя при его фактической нагрузке, а не на номинальном токе, указанном на паспортной табличке.

Вероятно, наибольший риск от однофазности возникает при условии однофазности первичной (линейной), поскольку ток двигателя в одной вторичной фазе увеличится до 230 %, а в остальных двух фазах увеличится до 115 % нормального тока.

Обычно, как и прежде, реле перегрузки защищают двигатель. Тем не менее, реальный опыт подтвердил, что правильно подобранные и отрегулированные устройства защиты от перегрузки при работе трехветвевого двигателя могут значительно уменьшить проблемы, связанные с однофазным питанием, для большинства электродвигателей.

В некоторых случаях могут потребоваться дополнительные средства защиты, когда требуется более высокая степень однофазной защиты. Это может быть в том случае, когда в цепи присутствуют другие нагрузки, а рассматриваемый двигатель имеет незначительную нагрузку, или когда используется двигатель увеличенной мощности с устройствами защиты от перегрузки, рассчитанными на высокую мощность.

В этих случаях, а также со всеми дорогостоящими или крупными (более 50 л. с.) двигателями, настоятельно рекомендуется использовать трехфазный монитор фазного напряжения (PVM). PVM может автоматически контролировать фазовое состояние линии, высокое или низкое напряжение, перестановку фаз и даже асимметрию фаз в некоторых устройствах и размыкать цепь управления для быстрого отключения двигателя, если это необходимо.

Типичные причины выхода из строя подшипников трехфазного двигателя

Помимо возможного повреждения подшипников, вызванного факторами окружающей среды и загрязнением или неадекватным смазочным материалом, потенциальное повреждение или выход из строя подшипников трехфазных двигателей является явной возможностью при работе от частотно-регулируемый привод (VFD).

Высокие частоты при переключении напряжения и переходные пики индуцируются в роторе двигателя и создают потенциал напряжения между ротором и статором. Это высокое напряжение часто рассеивается за счет внутренней дуги или канавок, проходящих через шарикоподшипники двигателя. Повреждение канавки связано с характеристиками сигнала ШИМ, программированием и характеристиками частотно-регулируемого привода, а также с установкой.

Заземление вала рекомендуется (NEMA MG1 31.4.4.3) как эффективное средство защиты подшипников для двигателей, работающих от питания ЧРП. Напряжение на валу, вероятно, возникает в двигателях, питаемых от частотно-регулируемых приводов, которые наводят напряжения на валу на валу приводимого двигателя из-за чрезвычайно быстрого переключения биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), производящих широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), используемую для управлять двигателями переменного тока.

Наличие этих высокочастотных токов заземления может вызвать искрение, искрение и поражение электрическим током, а также потенциально повредить подшипники. Одного заземляющего устройства, как правило, достаточно для снижения напряжения на валу от инвертора, тем самым защищая оба подшипника для двигателей типоразмера 6000. В части 4 этой серии будут описаны другие методы предотвращения повреждения подшипников при приводе от частотно-регулируемого привода.

Дисбаланс напряжения/тока/частоты и протокол снижения номинальных характеристик двигателя

Дисбаланс напряжения и частоты снижает производительность и сокращает срок службы трехфазного двигателя. В таблице 2 показано влияние несбалансированного напряжения или частоты на различные рабочие характеристики двигателя.

Асимметрия напряжения на клеммах двигателя может вызвать асимметрию тока, которая далеко не пропорциональна асимметрии напряжения. Несимметричные токи приводят к пульсациям момента, повышенным вибрациям и механическим напряжениям, повышенным потерям, что приводит к снижению КПД, а также к перегреву двигателя, что снижает срок службы изоляции обмоток.

Процент асимметрии напряжения определяется Национальной ассоциацией производителей электрооборудования (NEMA) как 100-кратное абсолютное значение максимального отклонения линейного напряжения от среднего напряжения в трехфазной системе, деленное на среднее напряжение.

Например, если измеренное линейное напряжение составляет 462, 463 и 455 вольт, среднее значение равно: (462 + 463 + 455)/3 = 460 вольт, а максимальное отклонение от среднего составляет: 460 вольт (среднее) – 455 вольт = 5 вольт. Процент асимметрии напряжения составляет:
Максимальное отклонение от среднего 5 вольт
Среднее значение трех значений напряжения     =                          460 вольт
= 0,01087 × 100 = 1,087 %

Рекомендуется, чтобы асимметрия напряжения на клеммах двигателя не превышала 2 %. Асимметрия напряжения, превышающая 1%, потребует снижения номинальных характеристик двигателя в соответствии с NEMA MG-1-2011 и приведет к аннулированию гарантий большинства производителей.

Общие причины асимметрии напряжения включают:

• Неисправная работа или недостаточная мощность оборудования для коррекции коэффициента мощности
• Несбалансированное или нестабильное электроснабжение (основное питание)
• Блок несбалансированных трансформаторов, питающий трехфазную нагрузку, которая слишком велика для мощности блока
• Неравномерно распределенные или чрезмерные однофазные нагрузки в общей энергосистеме
• Трехфазная энергосистема с открытым треугольником (два трансформатора) на двухпервичной распределительной системе
• Неидентифицированные или протекающие однофазные замыкания на землю
• Обрыв цепи в первичной системе распределения.

Общая тенденция снижения КПД при увеличении несимметрии напряжений наблюдается для двигателей при всех режимах нагрузки. Когда линейные напряжения, приложенные к трехфазному асинхронному двигателю, не равны, возникают несимметричные токи в обмотках статора. Этот небольшой процент асимметрии напряжения приведет к гораздо большему проценту асимметрии тока.

Следовательно, повышение температуры двигателя, работающего при определенной нагрузке и соответствующем проценте несимметрии напряжения, будет больше, чем для того же двигателя, работающего в идентичных условиях со сбалансированными напряжениями. Поддержание надлежащего баланса напряжения между фазами в трехфазной системе имеет решающее значение для обеспечения надлежащей работы и оптимального срока службы двигателя.

Большинство производителей и проектировщиков двигателей осознают потенциальное влияние несбалансированных токов на характеристики и срок службы двигателя. Однако многие не сразу понимают, что асимметрия напряжения играет основную роль в асимметрии тока.

Снижение КПД двигателя, связанное с асимметрией напряжения, приводит к перегреву двигателя, что приводит к снижению производительности и ожидаемому пропорциональному сокращению срока службы изоляции обмоток. Срок службы изоляции обмотки уменьшается наполовину при повышении ее рабочей температуры на 10°C (50°F). Кроме того, значительная асимметрия напряжения увеличивает эксплуатационные расходы двигателя.

Например, предположим, что двигатель мощностью 100 л.с. полностью загружен и работает 8000 часов в год при несимметричном напряжении 2%. Если двигатель демонстрирует КПД при полной нагрузке 95 % и КПД с поправкой на несбалансированное напряжение 2 % 93 %, а стоимость энергии составляет 0,10 доллара США за киловатт-час (кВтч), годовая энергия и связанные с этим штрафы за затраты составляют:

Годовая энергия Штраф =
100 л.с. × 0,746 кВт/л.с. × 8000 часов/год × (100/93 –
100/95) = 13 509,9 кВтч
Ежегодное увеличение затрат =
13 509,9 кВтч × 0,10 долл. США/кВтч = 1350,99 долл. США

Несимметрия напряжений приводит к несимметрии токов, что увеличивает потери на сопротивление в обмотках статора и стержнях ротора, и большее количество подаваемой мощности преобразуется в тепло, и двигатель нагревается сильнее. Увеличение потерь в роторе приводит к увеличению скольжения, поэтому двигатель вращается медленнее и выполняет меньшую работу за заданное время.

Например, при увеличении асимметрии напряжения с нуля (0 %) до 1 % температура обмотки двигателя увеличится со 120 °C до 130 °C, КПД уменьшится на 1/2 %, а предполагаемый срок службы обмотки уменьшится вдвое, с 20 лет. до 10 лет. Влияние дисбаланса напряжения от 0% до 5% еще более выражено: температура обмотки двигателя повышается до 180°C, эффективность снижается на 5%, а предполагаемый срок службы обмотки падает до менее одного года.

Как правило, трехфазная асимметрия напряжения должна быть ограничена до 2 % или менее, а асимметрия тока — до 5 % или менее. В дополнение к двигателю трехфазные распределительные системы часто обслуживают другие разнообразные однофазные нагрузки.

Дисбаланс, вызванный импедансом системы, гармониками или распределением нагрузки по трем фазам, может привести к дисбалансу по всем трем фазам. Кроме того, потенциальные неисправности могут возникать в ответвленном кабеле к двигателю, на клеммах пускателя или двигателя и, возможно, в самих обмотках. Этот дисбаланс может привести к напряжениям в каждой из фазных цепей в трехфазной энергосистеме.

В других ситуациях использование системы с открытым треугольником или двухтрансформаторной системы для трехфазного источника питания также может вызвать серьезный дисбаланс напряжения между фазами, что приведет к дисбалансу тока.

Системы с открытым треугольником были популярны в сельской местности, где были доступны только две основные фазы. Хотя эта система все больше теряет популярность как у коммунальных служб, так и у пользователей, из-за воздействия на первичные фидеры и сокращения срока службы двигателя, она по-прежнему используется во многих регионах страны.

Это может представлять проблему для любого трехфазного двигателя, особенно погружного типа. В системе с несимметричной мощностью асимметрия тока между фазами приводит к возникновению напряжения обратной последовательности в обмотках двигателя.

Это отрицательное напряжение создает в двигателе встречное напряжение, которое сопротивляется нормальному току и может привести к дисбалансу тока более чем на 10 %.

На самом простом и идеальном уровне все три фазы напряжения всегда должны иметь одинаковую величину напряжения, но бывают случаи, когда это просто невозможно, особенно когда истинная или полная трехфазная мощность (три первичных обмотки) не доступны, поэтому источник питания с открытым треугольником может быть единственным жизнеспособным вариантом для обеспечения трехфазного питания.

В качестве альтернативы, в районах с достаточной однофазной первичной электроэнергией, использование вращающегося однофазного преобразователя в трехфазное или частотно-регулируемого привода может предложить жизнеспособный и экономичный вариант использования электрической системы с открытым треугольником.

Если какой-либо из этих вариантов нецелесообразен из-за неадекватной однофазной первичной мощности, единственным выбором может быть применение и использование группы трансформаторов с открытым треугольником, использующих две однофазные сети. В этих обстоятельствах снижение номинальных характеристик нагрузки для противодействия напряжению обратной последовательности разомкнутой батареи часто снижает асимметрию напряжения до приемлемого уровня.

Значения, показанные в Таблице 3, могут использоваться для снижения номинальной нагрузки двигателя.

Процедура определения асимметрии напряжения и выбора двигателя для группы трансформаторов с открытым треугольником:

Пример 1: Определите (a) асимметрию напряжения и (b)
требуемую мощность двигателя для погружного двигателя до 29,5 л.с.,
460 В переменного тока, нагрузка 3ϕ со следующей комбинацией напряжений:
Фаза 1–Фаза 2: 457 В, Фаза 1–Фаза 3: 461 В,
Фаза 2 – фаза 3: 483 вольта

Решение (a):

Шаг 1: Найдите среднее напряжение = 457 В (1-2) + 461 В (1-3) + 483 В (2-3) = 1402/ 3 = 467,3 В

Шаг 2: Вычтите наибольший разброс показаний из среднего: 483–467,3 В = 15,7 В

Шаг 3: Разделите разницу на среднее напряжение: 15,7 В/467,3 В = 0,0336 × 100 = 3,36%.

Поскольку это превышает асимметрию напряжения 2%, обратитесь к Таблице 3 и выполните интерполяцию. Таким образом, дисбаланс напряжения 3,36 % потребует снижения мощности двигателя примерно на 0,86 (86 %) от полной нагрузки. Требуемая мощность двигателя: 29 л.с.0,5 л.с. ÷ 0,86 = 34,30 л.с. > 30 л.с.

Решение (b): Поэтому используйте двигатель мощностью 40 л.с. для нагрузки 29,5 л.с. (1) Фаза 1: 65 ампер, фаза 2: 73 ампер, фаза 3: 66 ампер. Среднее значение = 68 ампер

(2) Фаза 1: 64 А, Фаза 2: 75 А, Фаза 3: 65 А. Среднее значение = 68 А

(3) Фаза 1: 62 А, Фаза 2: 76 А, Фаза 3: 59 А. Среднее значение = 65,6 ампер

Решение:

Асимметрия тока для комбинации (1): 73 А – 68 А = 5 А/68 А = 0,0735 × 100 = 7,35%

Асимметрия тока для комбинации (2): 6 75 А 7A/68A = 0,1029 × 100 = 10,29%

Асимметрия тока для комбинации (3): 76A – 65,6A = 10,4A/65,6A = 0,1585 × 100 = 15,85%

Ссылаясь на пример 2, использование комбинации (1) в качестве 7,35% является наименьшим значением асимметрии токов и меньше максимального значения 10%, хотя оно все еще значительно выше рекомендуемого предела 5%.

В этом случае обратите внимание, что максимальное значение тока остается на одной и той же ветви (Фаза 2) каждый раз, когда ножки двигателя вращаются. Это, как правило, указывает на то, что источник питания может быть виновником, требуя снижения мощности двигателя или работы с коммунальным предприятием для улучшения качества электроэнергии и подачи на объект.

Если сильный ток следовал за ветвью или двигался вместе с той же ветвью при вращении, это, как правило, указывает на проблему в двигателе или кабеле ответвления (возможная утечка).

_______________________________________

На этом мы завершаем колонку этого месяца и обсуждение причин отказов электродвигателей. В следующем месяце мы сосредоточимся на поиске и устранении неисправностей однофазных двигателей.

До следующего месяца, работайте безопасно и разумно.

Узнайте, как добиться успеха в своем бизнесе

  Проектирование вашего бизнеса: серия статей, служащих руководством по работе с подземными водами , представляет собой сборник работ давнего обозревателя Water Well Journal Эда Баттса, PE, CPI.