Dimenzování transformátoru pro rozběh motoru: vysvětlení poklesu napětí, zablokovaného rotorového proudu a impedance

Dimenzování transformátoru pro rozběh motoru: vysvětlení poklesu napětí, zablokovaného rotorového proudu a impedance

 

Potravinářský závod v zálivu nám minulý čtvrtletí zaslal jednočarové schéma se třemi motory o výkonu 200 koňských sil na jednom transformátoru o výkonu 1 000 kVA, všechny spouštěné přímo do sítě. Transformátor byl dimenzován podle provozního zatížení s rezervou. Porucha nastala při prvním zapnutí za den: napětí na sběrnici 480 V pokleslo natolik, že se odpojily síťové stykače, motor nikdy nedosáhl jmenovitých otáček a provoz čekal na elektrikáře. Nic nebylo poškozeno. dimenzování transformátoru pro spouštění motorů vůbec nebylo spočítáno.

Tato mezera je běžná a je drahá. Štítek motoru uvádí výkon v koňských silách a jmenovitý proud. Neuvádí však kVA, které musí transformátor dodat během sekund, kdy se rotor zrychluje – a toto číslo, nikoli provozní zatížení, obvykle rozhoduje o tom, zda sběrnice udrží napětí.

 

 

 

Proč je spouštění motoru problém transformátoru

 

Chodící motor a startující motor jsou dvě různé zátěže se stejným typovým štítkem. Při provozních otáčkách indukční motor odebírá proud téměř plného zatížení při účiníku v rozmezí 0,85 až 0,9, přičemž zátěž je převážně činným výkonem. V klidu se impedance rotoru zhroutí, proud vzroste přibližně na šestinásobek proudu plného zatížení u motoru NEMA Design B a účiník klesne na hodnotu mezi 0,15 a 0,3.

Startující motor odebírá téměř čistý jalový proud. Pro transformátor i sběrnici vypadá jako velká indukčnost zapnutá najedou, a právě jalový proud způsobuje pokles napětí na impedanci transformátoru.

Zde je část, kterou většina zakázky nezaznamená: toto není vadou motoru ani něčím, co by dodavatel motoru mohl napravit lepší třídou izolace. Pokles je vlastností celého systému. Závisí na poměru počátečního zdánlivého výkonu motoru (kVA) ke zkratové kapacitě transformátoru, což znamená dimenzování transformátoru pro spouštění motorů rozhodnutí o specifikaci, které se učiní na straně transformátoru v projektové dokumentaci.

Stejná fyzikální událost určuje normu, podle které obě strany pracují. NEMA MG 1 přiřazuje každému motoru písmenný kód kVA v zablokovaném rotoru a definuje startovní výkon, na nějž mohou uživatelé spoléhat – což je užitečný referenční údaj, pokud se dotaz dodavatele promění v dotaz týkající se smlouvy. NEMA Program standardů pro motory a generátory tento dokument vydává.

 

Čtení zatížení při startu z typového štítku motoru

 

Písmenný kód je nejrychlejší způsob, jak získat kVA v zablokovaném rotoru bez technického listu motoru.

Převádí výkon v koňských silách přímo na kVA v zablokovaném rotoru a uvádí se na typovém štítku každého motoru podle normy NEMA.

 

Písmenný kód	KVA v zablokovaném rotoru na jednu koňskou sílu
E	4,5 – 4,99
F	5,0 – 5,59
G	5,6 – 6,29
H	6,3 – 7,09
J	7,1 – 7,99
K	8,0 – 8,99

 

Škála sa rozprestiera od písmena A po V a stúpa s každým písmenom, takže motor s kódom K vyžaduje zo transformátora približne o 60 % viac ako motor s kódom F rovnakej výkonovej triedy. Jednotka s výkonom 200 hp s kódom F má špičkový štartovací príkon v rozmedzí 1 000 až 1 118 kVA; rovnaká jednotka s výkonom 200 hp s kódom K dosahuje špičkový štartovací príkon 1 600 až 1 798 kVA. Kód prečítajte z reálneho typového štítku, nie z katalógu, pretože ide o jediné číslo, ktoré samostatne ovplyvňuje záver týkajúci sa veľkosti vybavenia.

Ďalšie tri údaje, ktoré k nemu patria:

• Počet štartov za hodinu. Každý štart predstavuje tepelnú udalosť jednak v motore, jednak v vinutí transformátora. Výrobcovia motorov uvádzajú krivku povoleného počtu štartov za hodinu a transformátor musí tú istú prevádzku prežiť.
• Charakteristika zátěžového krouticího momentu. Odstředivé čerpadlo se rozbíhá téměř bez zátěže; zatížený dopravník, kompresor s objemovým výtlakem nebo ventilátor s vysokou setrvačností mohou zůstat v pásmu rozběhu dostatečně dlouho na to, aby to mělo význam.
• Způsob rozběhu. Přímý připojení na síť, autotransformátor, hvězda-trojúhelník, měkký startér a frekvenční měnič každý vyvolávají jiný průběh proudu v transformátoru.

 

Dimenzování transformátoru pro rozběh motoru: Výpočet, který by měl obsahovat každý požadavek na nabídku

 

Předběžný výpočet je tak stručný, že lze provést ručně. Krátkodobá zatížitelnost transformátoru je jeho jmenovitý výkon v kVA dělený relativní impedancí (v %); zahřívací výkon v kVA dělený touto zatížitelností, vyjádřený v procentech, udává přibližné pokles napětí:

%Pokles napětí ≈ (Zahřívací výkon motoru v kVA × Impedance transformátoru v %) ÷ Jmenovitý výkon transformátoru v kVA

Výpočet provedený pro případ čerpací stanice s impedancí 5,75 %, kdy se rozbíhá jeden motor 200 hp kódu F, zatímco ostatní dva motory běží:

 

Transformátor	Zkratová impedance	Počáteční kVA	Vypočtený pokles
500 KVA	8 696 kVA	1 060 kVA	12.2%
750 kVA	13 043 kVA	1 060 kVA	8.1%
1 000 kVA	17 391 kVA	1 060 kVA	6.1%

 

Vynikají tři body. Za prvé se pokles napětí mění téměř lineárně s jmenovitým výkonem transformátoru (v kVA), takže rozhodnutí o velikosti transformátoru je zároveň rozhodnutím o přípustném poklesu napětí. Za druhé je impedance samostatným regulačním prvkem: u transformátoru 500 kVA snížení impedance z 5,75 % na 4,0 % sníží pokles napětí zpět na přibližně 8,5 %, aniž by bylo nutné zvolit větší jednotku. Za třetí se jedná o orientační kontrolu, nikoli náhradu podrobného výpočtu. Tato kontrola ignoruje impedanci dodavatelské sítě a již provozované motory připojené ke stejné sběrnici; oba tyto faktory ve skutečnosti pokles napětí zvyšují – proto výsledek používejte s rezervou, nikoli jako konečnou hodnotu.

Proveďte stejný výpočet pro každý motor, který se může rozběhnout za plné zátěže celé výrobní jednotky, a poté znovu pro nejnepříznivější realistickou kombinaci. Dodavatelé elektrické energie i konzultanti provedou úplný výpočet; dodavatel transformátorů, který tento orientační výpočet nedokáže zopakovat, nabízí pouze kVA, nikoli kompletní systém.

 

Jak velký pokles napětí je přípustný a co ve skutečnosti způsobí vypnutí

 

Orientační cílová hodnota, kterou většina průmyslových projektů používá, je pokles napětí o 10 % nebo méně na svorkách motoru při startu. U vyhrazeného napájecího vedení, kde se sběrnice nepoužívá pro žádné citlivé zařízení, je někdy přijatelný pokles o 15 %, avšak rozhodnutí o tom musí písemně učinit elektrotechnický projektant závodu, nikoli až během uvádění do provozu.

Důvodem přísnějšího limitu ve srovnání s požadavky motoru je skutečnost, že motor obvykle není prvním zařízením, které na pokles napětí reaguje:

• Kontaktory jsou obvykle dimenzovány tak, aby zůstaly sepnuté při napětí cívky až do přibližně 85 % jmenovité hodnoty, takže pokles o 15 % může způsobit rozepnutí spouštěče, který by motor sám přežil.
• Měniče frekvence a napájecí zdroje přežívají pokles napětí pouze po dobu tzv. hold-up time svého stejnosměrného meziobvodu.
• Relé podnapětí chránící jiná zařízení jsou často nastavena tak, aby vyklopovala již při poklesu napětí nad 20 %, čímž se start může změnit v celozávodní vypnutí.
• Omezení blikání napětí stanovená dodavatelem elektrické energie mohou omezit opakované starty u sdíleného napájení, i když každé zátěžové zařízení na místě pokles napětí snese.

Ochrana motoru během startu je samostatnou problematikou, jejímž odborným referenčním dokumentem průmyslu je IEEE 3004.8, the Doporučený postup pro ochranu motorů v průmyslových a komerčních napájecích soustavách , který zahrnuje spouštění, přepínání mezi sběrnicemi a ochranu proti podpětí jak pro startéry řízené stykačem, tak pro startéry řízené jističem.

 

Technická rozhodnutí, která skutečně odstraní pokles napětí

 

Jakmile jsou čísla na stole, možnosti se samy řadí podle nákladů a vedlejších účinků.

• Zakoupit více kVA. Přímo úměrné, jednoduché a zároveň zvyšuje dostupný zkratový proud, což může vyžadovat přezkoumání jmenovitých hodnot podřazeného zařízení.
• Stanovit nižší impedanci. Účinné, ale nižší %Z znamená vyšší zkratový proud a vyšší mechanické síly působící na vinutí při zkratu. Stanovte ji jako cílovou hodnotu s tolerancí, nikoli jako přání.
• Přidělit velkému motoru vlastní transformátor. Izolace je často levnější než předimenzování sdíleného transformátoru a zabrání tomu, aby spuštění čerpadla rušilo provozní linku.
• Zvolte startovací metodu záměrně. Autotransformátorový startér s odbočkou na 65 % snižuje síťový proud přibližně na 42 % přímého zapnutí, protože točivý moment i síťový proud jsou úměrné druhé mocnině přiloženého napětí. Spojení hvězda-trojúhelník poskytuje přibližně jednu třetinu síťového proudu při přímém zapnutí. Měkký startér nebo frekvenční měnič poskytují nejhladší průběh, avšak přidávají vlastní požadavky na harmonické složky a ochranu transformátoru.
• Zkontrolujte tepelnou zátěž, nikoli pouze pokles napětí. Opakované starty zahřívají vinutí. Transformátor, který projde výpočtem pro jediný start, může přesto nesplnit specifikaci vyžadující šest startů za hodinu při plné okolní teplotě.
• Nepočítejte s tím, že účinnost motoru pomůže. Motor NEMA Premium snižuje ztráty v provozu – právě proto americké ministerstvo energetiky udržuje svůj Motor Systems program zdrojů – ale nezmenšuje kVA v zablokovaném rotoru . Startovací výkon a provozní účinnost jsou samostatné údaje uvedené na typovém štítku.

Všimněte si rozdílu oproti nárazovému proudu při zapnutí. Proud způsobený rezonancí reaktoru, který vyvolá vypnutí jističe při zapnutí nezatíženého transformátoru, je samostatný jev se svými vlastními důsledky pro specifikace, který je popsán v našem průvodci nárazový proud transformátoru . Oba jevy se vyskytují ve stejném projektu; žádný z nich není řešením druhého.

 

Jak Ryan Electric přistupuje k projektům s motorem

 

Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) vyrábí transformátory od roku 2007 a od roku 2023 působí jako oficiální společný podnik Eatonu. Průmyslové projekty s vysokým podílem motorů obvykle přicházejí jako požadavek na výkonný transformátor nebo distribuční transformátor s cílovou impedancí a připojeným požadavkem na startování, a to je ta část nabídky, na které naši inženýři tráví nejvíce času.

Většina práce se odehrává na začátku. Před tím, než stanovíme hodnotu v kVA, požadujeme harmonogram motorů – výkon v koňských silách, kódové písmeno, napětí a způsob startování – protože výběr impedance a návrh vinutí vychází z těchto údajů. dimenzování transformátoru pro spouštění motorů výpočet, nikoli z katalogové stránky. Pokud projekt vyžaduje konkrétní pásmo impedance, neobvyklý rozsah odboček nebo sekundární vinutí s dvojnásobným napětím, takový návrh prochází stejným procesem individuálního inženýrského návrhu, jaký používáme pro usměrňovací a pecní transformátory. Certifikace zahrnují UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS a CE; každá jednotka je dodávána s údaji ze standardních zkoušek – poměr převodu, odpor vinutí, impedance, ztráty naprázdno, ztráty pod zátěží a dielektrické zkoušky – aby tým pro uvedení do provozu mohl ověřit dodanou impedanci proti hodnotě, na níž byla založena studie.

 

 

 

Co uvést v poptávce (RFQ)

 

Pět položek přemění neurčitý dotaz na specifikaci transformátoru, kterou lze nabídnout:

• Plán motorů s výkonem v koňských silách, písmenovým označením NEMA, napětím a písmenovým označením návrhu nebo IEC třídou startu.
• Způsob spouštění a výsledný průběh proudového odběru ze sítě.
• Počet povolených startů za hodinu a návrhová teplota okolního prostředí.
• Přijatelný pokles napětí a informace, zda již existuje studie spouštění motorů.
• Dostupný poruchový proud na primární straně, aby bylo možné spolu koordinovat impedanci a přerušovací výkony.

Pošlete tyto pět položek a nabídka transformátoru přestane být pouhým srovnáním cen na základě předpokladů. Pokud máte rozpis motorů a jednopólové schéma, pošlete je nám prostřednictvím naší kontaktní stránky a náš inženýrský tým vám pošle doporučení pro jmenovitý výkon v kVA a impedanci včetně výpočtu poklesu napětí.

O autorovi — Tento průvodce připravil tým inženýrů pro střední napětí společnosti Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd., výrobce suchých, olejových, sloupcových a kompaktních podstanic se sídlem v Nantongu a oficiálního společného podniku Eaton od roku 2023. Tým podporuje průmyslové, energetické a infrastrukturní projekty od revize specifikací až po tovární přijímací zkoušky a pracuje na návrzích transformátorů v třídách napětí od 10 kV do 110 kV.