Контроль качества электроэнергии на предприятиях с большим количеством асинхронных двигателей

Сегодня трудно представить себе наш мир без электрического двигателя. Разнообразие двигателей очень широко: от мощных и дорогостоящих высоковольтных асинхронных двигателей, которые приводят в движение крупные установки (вентиляторы, насосы, дробилки), до небольших двигателей, которые можно встретить в домашних хозяйствах (мясорубки, комбайны, стиральные машины). Электрический двигатель является также одним из самых популярных потребителей энергии среди всех электроустановок.

Наиболее распространённый тип используемого двигателя — трёхфазный асинхронный двигатель; более 80% всех двигателей в промышленности являются асинхронными. Одна из причин высокой популярности асинхронных двигателей — их надёжность, но они также могут преждевременно выйти из строя по причине перегрузки, неправильного режима эксплуатации, несвоевременного контроля за смазкой подшипников. Все указанные проблемы имеют общий корень — температура, перегрев частей асинхронного двигателя и, как следствие, ускоренный выход из строя.

Стационарно установленный измерительный прибор SATEC РМ175 или другой подобный МИП может обеспечить получение важной информации об условиях работы асинхронного двигателя. Контролируя напряжение, ток, мощность и температуру (с помощью аналоговых входов прибора), мы можем получать данные по многим аспектам работы асинхронного двигателя, в том числе:

• Качество напряжения на клеммах двигателя

• Потребляемая мощность (энергия)

• Пусковые характеристики

Каждый из этих параметров имеет важное значение, однако мы остановимся на выявлении проблем, связанных с контролем качества напряжения, что, в итоге, позволяет увеличить срок службы асинхронного двигателя.

Качество напряжения на клеммах двигателя зависит от многих факторов. Отклонения от нормальных значений ПКЭ могут снизить срок службы асинхронных двигателей. Все ПКЭ можно разделить на семь категорий, которые могут повлиять на работу асинхронных двигателей:

• Пониженное напряжение

• Перенапряжение

• Несимметрия по напряжению

• Гармоники

• Транзиентные перенапряжения

• Провалы напряжения

• Отклонение частоты

• Пониженное напряжение и перенапряжение

Асинхронный двигатель предназначен для работы в узком диапазоне номинальных напряжений (как правило, ± 10% от номинального значения). При полной нагрузке повышенное более, чем на 10% напряжение на контактах двигателя приводит к существенному увеличению потерь в сердечнике электродвигателя в результате перегрева. Низкое напряжение на клеммах полностью загруженного двигателя также приводит к дополнительному нагреву из-за повышенного тока двигателя.

Несимметрия питающего напряжения

Несимметрия напряжения — одна из самых серьёзных угроз для нормальной работы асинхронного двигателя. На рис.1 представлена зависимость между снижением эффективности работы электродвигателя и несимметрией по напряжению. Несимметрия тока приводит к дополнительным потерям в двигателе и повышению температуры частей двигателя. На рис. 2 показана зависимость между несимметрией по напряжению и ростом температуры двигателя. Повышенный нагрев сокращает срок службы изоляции двигателя и, ка следствие, сокращает срок службы самого двигателя.

Рис. 1. Уменьшение мощности электродвигателя из-за несимметрии напряжения

Рис. 2. Связь между несимметрией по напряжению и ростом температуры двигателя

Гармонические искажения

В двигателях гармоники напряжения и тока приводят к появлению добавочных потерь в обмотках ротора, в цепях статора, а также в стали статора и ротора. Из-за вихревых токов и поверхностного эффекта (SKIN EFFECT) потери в проводниках статора и ротора больше, чем определяемые омическим сопротивлением. Токи утечки, вызываемые гармониками в торцевых зонах статора и ротора, также приводят к дополнительным потерям. Всё это приводит к повышению общей температуры машины и к местным перегревам, наиболее вероятным в роторе, что может привести к аварийным последствиям. Также следует отметить, что при определённых условиях наложения гармоник может возникнуть механическая вибрация ротора, что приводит к разбиванию подшипников двигателя.

Гармоники напряжения можно разложить на положительную, отрицательную и нулевую последовательности (Symmetrical Components). Положительные последовательности приводят к появлению дополнительного крутящего момента в том же направлении, что и вращение двигателя. Отрицательная последовательность вызывает крутящий момент в противоположном направлении, что также приводит к дополнительным потерям электроэнергии (см. Таб. 1).

Таб. 1.

Транзиентные перенапряжения

Транзиентные напряжения приводят к ускоренному старению изоляции. Как правило, в результате мы видим пробой изоляции и выгорание первого или второго витка обмотки.

Способность прибора SATEC регистрировать кратковременные пики напряжения (20 мск) является жизненно важным для надёжной работы двигателя. Обнаружение таких коротких процессов требует большой скорости работы АЦП прибора. Для того чтобы свести к минимуму эффект фильтрации перенапряжения подводящими линиями, напряжение должно контролироваться вблизи к клеммам двигателя.

Контроль качества электроэнергии на объектах с большим числом электродвигателей позволяет контролировать все режимы работы и, таким образом, значительно продлить срок службы оборудования. Прибор SATEC PM180 также позволяет регистрировать и осциллографировать и пусковые токи двигателей, и различные перегрузки, которые могут появляться в процессе работы привода и механизма.