Чем опасно низкое напряжение в сети для электродвигателя?
При снижении напряжения питания в электродвигателе происходят следующие взаимосвязанные процессы:
1. Понижение напряжения уменьшает электромагнитный момент двигателя. Электромагнитный момент (а, следовательно, и крутящий момент) находятся в квадратичной зависимости от напряжения. Если напряжение понизилось на 10%, электромагнитный момент окажется ниже первоначального на 19% ((0,9U)2=0.81U2). При уменьшении напряжения на 30% момент снизится вдвое.
2. При неизменной нагрузке и снижающемся крутящем моменте скорость вращения двигателя снижается. Как только реальная мощность двигателя окажется недостаточной, чтобы выполнять работу, обусловленную нагрузкой на валу, скорость вращения начнёт снижаться. При значительном снижении напряжения двигатель может совсем остановиться. Снижение частоты вращения означает увеличение скольжения электродвигателя. Обмоткой статора электродвигателя создаётся вращающееся магнитное поле. Под скольжением понимается относительная разность между скоростью вращения электромагнитного поля статора и частотой вращения ротора.
3. Увеличение скольжения увеличивает ЭДС и ток в обмотке ротора. Наводимая в обмотке ротора электродвижущая сила пропорциональна скольжению и достигает максимума в момент пуска.
4 .С появлением тока в обмотке ротора появится и магнитодвижущая сила обмотки ротора. Согласно закону Ленца магнитодвижущая сила ротора будет действовать против магнитодвижущей силы обмотки статора – той самой, которая создаёт дополнительное реактивное сопротивление переменному току.
5. Электромагнитное поле ротора наводит в статоре электродвижущую силу, компенсирующую действие ЭДС самоиндукции статора. Результирующее сопротивление обмотки статора уменьшается, а ток увеличивается в полном соответствии с законом Ома.
6. Тепловыделение проводника пропорционально квадрату силы тока. Вследствие повышения тока происходит разогрев обмоток. Длительное протекание токов перегрузки может вызвать их сильный нагрев, повреждение изоляции и выход машины из строя. Та же участь может постигнуть и проводку в вашем доме, став причиной пожара.
Источник
Влияние качества электроэнергии на работу электродвигателей
Одним из главных условий обеспечения нормальной работы электродвигателей является питание их электроэнергией, параметры которой соответствуют определенным требованиям к ее качеству.
Основные показатели качества электроэнергии (ПКЭ) связаны с такими параметрами, как отклонения частоты и напряжения, колебание напряжения, несинусоидальность и несимметрия напряжения. Во избежание длительного нарушения нормальной работы электродвигателей основные ПКЭ не должны выходить за пределы своих нормальных значений, а в послеаварийных режимах — за пределы определенных максимальных значений. Рассмотрим как показатели качества электроэнергии влияют на работу электродвигателей.
На надежность и долговечность работы электродвигателей в значительной степени влияет их тепловой режим. Так, для асинхронных и синхронных двигателей влияние отклонения напряжения на их тепловой режим зависит и от загрузки двигателей. Работа электродвигателей при пониженном напряжении приводит к перегреву изоляции и может явиться причиной выхода их из строя. Дело в том, что при снижении напряжения в пределах нормы (+ 10 %) токи ротора и статора увеличиваются в среднем соответственно на 14 и 10 %.
При значительной загрузке асинхронных двигателей отклонения напряжения приводят к существенному уменьшению его срока службы. При увеличении тока двигателя происходит более интенсивное старение изоляции. При отрицательных отклонениях напряжения на зажимах двигателя в 10 % и номинальной загрузке асинхронного двигателя срок его службы сокращается вдвое.
При отклонениях напряжения сети изменяется реактивная мощность синхронных двигателей, что имеет важное значение при использовании синхронных двигателей для компенсации реактивной мощности. Это относится в полной мере и к конденсаторным установкам. При недостаточной реактивной мощности, генерируемой в сеть синхронными двигателями, приходится дополнительно использовать батареи конденсаторов, что снижает надежность системы электроснабжения за счет увеличения числа элементов системы.
Колебания напряжения также, как и отклонения напряжения, оказывают отрицательное влияние на работу электродвигателей. Весьма чувствителен к отклонениям напряжения питающей сети вентильный электропривод, так как изменение выпрямленного напряжения приводит к изменению частоты вращения двигателей.
На предприятиях, имеющих собственные ТЭЦ, колебания амплитуды и фазы напряжения, возникающие при колебаниях напряжения, приводят к колебаниям электромагнитного момента, активной и реактивной мощностей генераторов, что отрицательно сказывается на устойчивости работы станции в целом, а, следовательно, на ее функциональной надежности.
Несинусоидальные режимы оказывают ощутимое влияние на надежность работы электродвигателей. Это объясняется тем, что при наличии высших гармоник в кривой напряжения более интенсивно протекает процесс старения изоляции, чем в случае работы электрооборудования при синусоидальном напряжении. Так, например, при коэффициенте несинусоидальности 5 %, через два года эксплуатации тангенс угла диэлектрических потерь конденсаторов увеличивается в 2 раза.
Несимметрия напряжения неблагоприятно сказывается на работе и сроке службы асинхронных двигателей. Так, несимметрия напряжения в 1 % вызывает значительную несимметрию токов в обмотках (до 9 %). Токи обратной последовательности накладываются на токи прямой последовательности и вызывают дополнительный нагрев статора и ротора, что приводит к ускоренному старению изоляции и уменьшению располагаемой мощности двигателя. Известно, что при несимметрии напряжения в 4 % срок службы асинхронного двигателя, работающего с номинальной нагрузкой, сокращается примерно в 2 раза; при несимметрии напряжения в 5 % располагаемая мощность асинхронного двигателя уменьшается на 5 — 10 %.
Магнитное поле токов обратной последовательности статора синхронных машин индуцирует в массивных металлических частях ротора значительные вихревые токи, вызывающие повышенный нагрев ротора и вибрацию вращающейся части машины. При значительной несимметрии вибрация может оказаться опасной для конструкции машины.
Нагрев обмотки возбуждения синхронного двигателя за счет дополнительных потерь от несимметрии напряжения приводит к необходимости снижать ток возбуждения, при этом уменьшается реактивная мощность, выдаваемая синхронным двигателем в сеть.
Источник
Опасность низкого напряжения для электродвигателя
Хотелось бы рассмотреть ряд аспектов, которые необходимо учитывать при подборе, монтаже и эксплуатации электродвигателей. Как правило, они касаются проблем, связанных с особенностями российских электросетей, о чем и будет рассказано ниже.
Несмотря на то, что поставщики электроэнергии заявляют достаточно жесткие параметры, на практике значения напряжения сильно варьируют. Это происходит по разным причинам. Например, вблизи трансформаторов низкого напряжения его значения будет выше на 3 – 5%. При пиковой нагрузке на магистральные провода из-за омического сопротивления напряжение будет падать, порой на значительную (до 10%) величину.
Такие ситуации крайне вредны для электродвигателей. При скачках напряжения крутящий момент и частота вращения вала электродвигателя отклоняются от своих номинальных значений. В результате происходит падение КПД. Это увеличивает потребляемую мощность, а, следовательно, теплообразование.
Опыт показывает, что если на электродвигатель при полной нагрузке поступает напряжение на 10% ниже номинального, то потребляемый ток увеличивается примерно на 5%, а температура электродвигателя — на 20% (рис. 1). В пределе (например, при совпадении сдвига фаз и скачка напряжения), такое превышение может превзойти максимально допустимую температуру изоляции обмоток, что приведет к короткому замыканию и разрушению статора. Возникающее в результате пониженного напряжения длительное повышение температуры обмоток двигателя приводит к быстрому старению изоляции и, следовательно, к уменьшению срока службы. При перенапряжении сети потребляемая мощность и теплообразование в обмотках электродвигателя также возрастают.
Рис. 1. Дополнительное потребление тока при колебаниях напряжения
При измеренных на клеммах электродвигателя колебаниях напряжения в пределах +6 / -10% от указанного в фирменной табличке номинального значения, можно ожидать расчетного срока службы электродвигателя. Это произойдет в том случае, если потребляемый ток не превышает указанную на фирменной табличке величину при полной нагрузке, электродвигатель в достаточной мере охлаждается и не возникает никаких скачков напряжения или асимметрии. В случаях, если перепады свыше допустимых пределов кратковременны, также не следует ожидать значительного сокращения срока службы электродвигателя, если только значения пиков не будут настолько велики, что это приведет к возникновению короткого замыкания в обмотках статора.
Однако при постоянных или длительных колебаниях напряжения свыше +6 / -10% следует выбрать электродвигатель промышленного назначения позволяющий добиться приемлемого срока службы и КПД. Например, для особенно сложных случаев ведущие компании разрабатывают специальные серии электродвигателей промышленного назначения (как правило, мощностью от 2,2 до 22 кВт) с высоким КПД. Например, эти электродвигатели используются в серийных скважинных насосах GRUNDFOS, которые с успехом применялись в различных регионах России. Так, в г. Сухой Лог Свердловской области насосы серии SP-125, оборудованные УПП, обеспечивают водоснабжение города и прилегающих поселков и завода. При том, что скачки напряжения здесь не редкость, оборудование работает без проблем и позволило снизить электропотребление на 15%.
Особенностью электродвигателей общепромышленного назначения, наряду с повышенным КПД, является более эффективное охлаждение благодаря больше площади поверхности (на 20 – 30% ). Следовательно, эти электродвигатели обладают значительно меньшей чувствительностью к пониженному напряжению, асимметрии фаз и недостаточному охлаждению (вызываемому отложениями на электродвигателе, вызванными плохим качеством воды). Кроме того, промышленные электродвигатели устойчивее к коррозии.
Следует отметить, что наибольшей надежностью обладают электродвигатели промышленного назначения, защита которых осуществляется устройством МРТ 75 или блоком MP 204.
Асимметрия напряжения и тока
Как известно, при минимальной асимметрии тока достигается максимальный КПД электродвигателя и наиболее длительный срок его службы. Вот почему важна равномерная нагрузка всех фаз.
В теории, одинаковое номинальное напряжение должно подаваться на все три фазы. Как правило, вблизи низковольтных трансформаторов так и происходит. Однако следует учитывать, что для предотвращения повышения или понижения напряжения на отдельных фазах при полной нагрузке сети все однофазные агрегаты должны быть равномерно распределены по трем фазам. Это должно быть сделано, поскольку такие устройства часто работают в режиме частых циклов включения/выключения и могут стать причиной асимметрии («перекоса») фаз.
Перекос фаз может быть вызван также асимметрией тока в линиях электропередач, а также изношенными либо окисленными контакторами. На случай возможной асимметрии в цепи нужно до включения электродвигателя в сеть проконсультироваться с представителями энергоснабжающего предприятия.
Асимметрия тока не должна превышать 5%, а при использовании пульта CU 3 — 10%. Ее рассчитывают по следующим двум формулам:
Максимальное значение служит в качестве выражения асимметрии тока. Ток следует измерять на всех трех фазах (рис. 32). Наилучшим способом подключения является тот, при котором получают минимальную асимметрию.
Для сохранения неизменного направления вращения вала при изменении способа подключения фазы нужно менять так, как показано на рис.2 и таблице ниже.
Рис.2. Коррекция асимметрии тока у трехфазного погружного электродвигателя 380 В, 50 Гц, 30 А
Небольшая асимметрия напряжения приводит к большой асимметрии тока, что в свою очередь вызывает неравномерный нагрев обмоток статора и приводит к возникновению горячих зон и точечного нагрева. Эта связь графически показана на рис.3.
Рис. 3. Зависимость между асимметрией тока, напряжения и температурой
В обычном порядке, сеть обеспечивает потребителей синусоидальным напряжением по всем трем фазам. Однако к полученному на электростанции синусоидальному напряжению в распределительной системе добавляются дополнительные гармоники, что также может негативно влиять на работу электродвигателя. Основными источниками гармоник на практике становятся пять основных факторов:
— Преобразователь частоты без фильтра . На выходе преобразователей частоты типа PWM (широтно-импульсная модуляция), не оснащенных LC или RC-фильтрами, получается выходное напряжение, значительно отличающееся от идеальной синусоиды. Пики напряжения в зависимости от исполнения преобразователей могут достигать 850 – 1200 В (при длине соединительного кабеля 100 м).
С удлинением кабеля, соединяющего преобразователь частоты с электродвигателем, эти пики увеличиваются. При длине кабеля 200 м они достигают 1700 – 2400 В, т.е. удваиваются. Результатом такого увеличения становится снижение срока службы электродвигателя. По этой причине преобразователь частоты следует снабжать по меньшей мере RC-фильтром, что позволит обеспечить оптимальный срок службы электродвигателя.
Современные преобразователи частоты, оснащенные индуктивно-емкостными (LC) или резистивно-емкостными (RC) фильтрами, можно настолько надежно защитить предохранителями, что при соединении преобразователя частоты с электродвигателем кабелем длиной до 100 м не возникнет никаких пиков напряжения свыше 850 В. В этих условиях практически любой современный электродвигатель имеет приемлемый срок службы.
— Приборы, обеспечивающие плавный пуск электродвигателя. От подключенного к электродвигателю УПП, поступает несинусоидальный ток, создающий в сети помехи. Но, поскольку время ускорения/замедления электродвигателя очень коротко, на практике эти помехи незаметны. Если же фаза пуска длится более 3 с, то температура обмоток электродвигателя возрастает и, следовательно, снижается его срок службы.
— Контакторы для крупных машин. Пуск крупных машин осуществляется методом пря-
мого подключения DOL или способом «звезда-треугольник». При этом может произойти искровой разряд. В случае, если контакторы разомкнуты, это создает значительные пики напряжения, которые опасны для погружных электродвигателей в очень слабой сети.
— Конденсаторы в промышленных установках. В промышленных установках устанавливаются сложные приборы регулирования с многочисленными конденсаторами большой емкости, возвращающими пики напряжения в сеть. Опасность для погружных электродвигателей эти пики представляют лишь в случае слишком слабой сети.
— Удар молнии. Поражение высоковольтной сети создает скачки напряжения, которые частично поглощаются через молниеотвод на трансформаторной подстанции и отводятся на шину заземления. Если удар молнии попал в низковольтную сеть, то опасность возникновения скачков напряжения от 10 до 20 кВ существует только для распределительного шкафа насоса.
Если шкаф управления и сам электродвигатель не защищены, соответственно, громоотводом и заземлением, то установка может быть повреждена. В тех областях, где часты удары молнии, наилучший способ защиты электродвигателей погружных насосов состоит в том, чтобы на приводной стороне главного выключателя установить молниеотвод и соединить его со стержневым заземлителем или, по возможности, с водоподъемной трубой скважины в том случае, если эта труба изготовлена из стали.
Следует отметить, что современные погружные электродвигатели, например — GRUNDFOS MS 402, имеют класс защиты изоляции до 15 кВ. Это — максимальное значение напряжения, которое может пройти через электродвигатель, например, при ударах молнии вблизи него. Поэтому нет необходимости в дополнительной молниезащите, хотя здесь не учитываются прямые удары молнии, что маловероятно.
Использование современного электрического оборудования – не дань моде, а требование времени. Подобные электродвигатели надежны, имеют высокий КПД, быстро окупаются и способны обеспечить впечатляющую экономию электроэнергии. И для того чтобы максимально эффективно использовать эти преимущества, необходимо учитывать накопленный опыт эксплуатации в сложных российских условиях.
Источник