اندازه‌گیری ترانسفورماتور برای راه‌اندازی موتور: توضیح افت ولتاژ، جریان روتور قفل‌شده و امپدانس

اندازه‌گیری ترانسفورماتور برای راه‌اندازی موتور: توضیح افت ولتاژ، جریان روتور قفل‌شده و امپدانس

 

یک کارخانه فرآوری مواد غذایی در منطقه خلیج، در سه‌ماههٔ گذشته یک نمودار خطی تک‌خطی به ما ارسال کرد که در آن سه موتور ۲۰۰ اسب‌بخاری روی یک ترانسفورماتور ۱۰۰۰ کیلوولت‌آمپری نصب شده بودند و همهٔ آنها به‌صورت مستقیم به شبکه وصل می‌شدند. ظرفیت ترانسفورماتور با بار در حال کار تطابق داشت و حتی حاشیهٔ اضافی نیز وجود داشت. اما اولین خرابی در اولین راه‌اندازی روز رخ داد: ولتاژ اتوبوس ۴۸۰ ولتی تا حدی افت کرد که کنتاکتورهای خط باز شدند، موتور هرگز به سرعت کامل نرسید و کارخانه منتظر حضور یک برق‌کار نشست. هیچ قطعه‌ای آسیب ندیده بود. تعیین ظرفیت ترانسفورماتور برای راه‌اندازی موتور هرگز محاسبه نشده بود.

این شکاف پدیده‌ای عادی است و هزینه‌بر می‌باشد. پلاک مشخصات یک موتور تنها اطلاعات اسب‌بخار و جریان بار کامل را ارائه می‌دهد. اما آن، مقدار کیلوولت‌آمپری را که ترانسفورماتور باید در طول چند ثانیهٔ شتاب‌گیری روتور تأمین کند، نشان نمی‌دهد — و این مقدار (نه بار در حال کار) معمولاً عامل تعیین‌کنندهٔ این است که آیا ولتاژ اتوبوس حفظ می‌شود یا خیر.

 

 

 

چرا راه‌اندازی موتور مسئله‌ای برای ترانسفورماتور است

 

موتور در حال چرخش و موتور در حال راه‌اندازی، دو بار متفاوت هستند که هر دو از یک برچسب نام استفاده می‌کنند. در سرعت کاری، یک موتور القایی جریانی نزدیک به جریان بار کامل را با ضریب توانی در حدود ۰٫۸۵ تا ۰٫۹ مصرف می‌کند و بار عمدتاً توان حقیقی است. در حالت ساکن، امپدانس روتور افت می‌کند، جریان تقریباً شش برابر جریان بار کامل برای یک موتور طراحی NEMA B می‌شود و ضریب توان به محدوده‌ای بین ۰٫۱۵ تا ۰٫۳ کاهش می‌یابد.

یک موتور در حال راه‌اندازی تقریباً صرفاً جریان واکنشی مصرف می‌کند. از دید ترانسفورماتور و باس، این مانند یک القای بزرگ است که در یک مرحله روشن شده است و جریان واکنشی دقیقاً همان چیزی است که افت ولتاژ را در امپدانس ترانسفورماتور ایجاد می‌کند.

بخشی که بیشتر خریداران از قلم می‌اندازند این است: این عیبی در موتور نیست و چیزی نیست که تأمین‌کننده موتور بتواند با انتخاب رده‌ای بالاتر از عایق‌بندی آن را رفع کند. این افت یک ویژگی سیستمی است. این ویژگی به نسبت kVA راه‌اندازی موتور و ظرفیت اتصال کوتاه ترانسفورماتور بستگی دارد؛ بنابراین تعیین ظرفیت ترانسفورماتور برای راه‌اندازی موتور تصمیمی در زمینه مشخصات فنی از سوی طرف ترانسفورماتور در نقشه گرفته می‌شود.

همان رویداد فیزیکی، استانداردی را شکل می‌دهد که هر دو طرف بر اساس آن کار می‌کنند. NEMA MG 1 به هر موتوری یک حرف کد kVA قفل‌شدهٔ روتور اختصاص می‌دهد و عملکرد راه‌اندازی را تعریف می‌کند که کاربران می‌توانند بر آن تکیه کنند — این امر در مواقعی که پرسشی از تأمین‌کننده به سؤالی قراردادی تبدیل می‌شود، مرجعی مفید است. NEMA برنامهٔ استانداردهای موتور و ژنراتور این سند را منتشر می‌کند.

 

خواندن بار راه‌اندازی از پلاک نام موتور

 

حرف کد سریع‌ترین راه برای به‌دست‌آوردن kVA قفل‌شدهٔ روتور بدون نیاز به برگهٔ اطلاعات موتور است.

این حرف، توان اسب‌بخار را مستقیماً به kVA قفل‌شدهٔ روتور تبدیل می‌کند و روی پلاک نام هر موتور NEMA درج می‌شود.

 

حرف کد	KVA قفل‌شدهٔ روتور به ازای هر اسب‌بخار
اِ	۴٫۵ تا ۴٫۹۹
F	۵٫۰ تا ۵٫۵۹
گ	۵٫۶ تا ۶٫۲۹
ساعت	۶٫۳ تا ۷٫۰۹
جی	۷٫۱ تا ۷٫۹۹
K	۸٫۰ تا ۸٫۹۹

 

مقیاس از A تا V امتداد دارد و با هر حرف به‌صورت صعودی افزایش می‌یابد؛ بنابراین یک موتور با کد K حدود ۶۰ درصد بار بیشتری را نسبت به موتوری با کد F و همان توان اسمی از ترانسفورماتور درخواست می‌کند. یک واحد ۲۰۰ اسب بخاری با کد F، تقاضای شروع‌به‌کاری در محدودهٔ ۱۰۰۰ تا ۱۱۱۸ kVA دارد؛ در حالی که همان واحد ۲۰۰ اسب بخاری با کد K به محدودهٔ ۱۶۰۰ تا ۱۷۹۸ kVA می‌رسد. این حرف را از پلاک فنی واقعی موتور — نه از کاتالوگ — بخوانید، زیرا این تنها عددی است که به‌تنهایی نتیجهٔ محاسبهٔ ابعاد ترانسفورماتور را تغییر می‌دهد.

سه جزئیات دیگر نیز باید در کنار آن ذکر شوند:

• تعداد روشن‌شدن‌ها در هر ساعت. هر روشن‌شدن، یک رویداد حرارتی برای هم موتور و هم سیم‌پیچ ترانسفورماتور محسوب می‌شود. سازندگان موتور منحنی مجاز تعداد روشن‌شدن‌ها در هر ساعت را منتشر می‌کنند و ترانسفورماتور نیز باید بتواند در برابر همین بار تحمل‌پذیری لازم را داشته باشد.
• ویژگی گشتاور بار. پمپ سانتریفیوژ تقریباً بدون بار شروع به کار می‌کند؛ اما نوار نقالهٔ باردار، کمپرسور جابجایی مثبت یا فن با اینرسی بالا ممکن است مدتی طولانی در ناحیهٔ شتاب‌گیری بمانند که این امر اهمیت پیدا کند.
• روش راه‌اندازی. راه‌اندازی مستقیم، ترانسفورماتور خودکار، ستاره-مثلث، استارتِر نرم و درایو فرکانس متغیر هر کدام الگوی جریان متفاوتی به ترانسفورماتور اعمال می‌کنند.

 

تعیین اندازهٔ ترانسفورماتور برای راه‌اندازی موتور: محاسبه‌ای که هر پیش‌پیشنهاد قیمت باید شامل آن باشد.

 

محاسبهٔ اولیه آنقدر کوتاه است که بتوان آن را به‌صورت دستی انجام داد. ظرفیت اتصال کوتاه ترانسفورماتور برابر است با kVA آن تقسیم بر امپدانس نسبی؛ و درصد افت ولتاژ تقریبی از تقسیم kVA راه‌اندازی موتور بر این ظرفیت و بیان نتیجه به‌صورت درصد به‌دست می‌آید:

افت ولتاژ (%) ≈ (kVA راه‌اندازی موتور × امپدانس نسبی ترانسفورماتور) ÷ kVA ترانسفورماتور

در مورد ایستگاه پمپاژ با امپدانس ۵٫۷۵٪، با راه‌اندازی یک موتور کد F با توان ۲۰۰ اسب‌بخار در حالی که دو موتور دیگر در حال کار هستند، محاسبات انجام شده‌اند.

 

ترانسفورماتور	ظرفیت مدار کوتاه	KVA راه‌اندازی	افت محاسبه‌شده
۵۰۰ کیلوولت‌آمپر	۸٬۶۹۶ کیلوولت‌آمپر	۱٬۰۶۰ کیلوولت‌آمپر	12.2%
۷۵۰ کیلوولت‌آمپر	۱۳٬۰۴۳ کیلوولت‌آمپر	۱٬۰۶۰ کیلوولت‌آمپر	8.1%
۱٬۰۰۰ کیلوولت‌آمپر	۱۷٬۳۹۱ کیلوولت‌آمپر	۱٬۰۶۰ کیلوولت‌آمپر	6.1%

 

سه نکته برجسته است. اولاً، افت ولتاژ تقریباً به‌صورت خطی با ظرفیت ترانسفورماتور (برحسب کیلوولت‌آمپر) تغییر می‌کند؛ بنابراین تصمیم‌گیری دربارهٔ انتخاب اندازهٔ ترانسفورماتور همان تصمیم‌گیری دربارهٔ میزان افت ولتاژ است. ثانیاً، امپدانس عاملی مستقل است: برای ترانسفورماتور ۵۰۰ کیلوولت‌آمپری، کاهش امپدانس از ۵٫۷۵٪ به ۴٫۰٪، افت ولتاژ را بدون نیاز به خرید ترانسفورماتوری با ظرفیت بالاتر، به حدود ۸٫۵٪ بازمی‌گرداند. ثالثاً، این بررسی یک آزمون اولیه است و جایگزین یک مطالعهٔ دقیق نیست؛ زیرا امپدانس منبع برق‌رسان و موتورهای در حال کار روی شین را نادیده می‌گیرد — درحالی‌که هر دوی این عوامل افت واقعی را افزایش می‌دهند؛ بنابراین به‌جای در نظر گرفتن نتیجهٔ این محاسبه به‌عنوان عدد نهایی، حاشیهٔ ایمنی مناسبی در نظر گرفته شود.

همین محاسبات را برای هر موتوری که ممکن است در حالت بار کامل کارخانه راه‌اندازی شود، انجام دهید؛ سپس آن را مجدداً برای بدترین ترکیب قابل‌تصور از چند موتور اجرا کنید. شرکت‌های برق‌رسان و مشاوران مطالعهٔ کامل را انجام می‌دهند؛ اما تأمین‌کننده‌ای از ترانسفورماتور که نتواند این بررسی ساده را تکرار کند، در واقع فقط یک ظرفیت کیلوولت‌آمپری را پیشنهاد می‌دهد، نه یک سیستم کامل.

 

حداکثر افت ولتاژ قابل‌قبول چقدر است و در واقع چه چیزی باعث قطع می‌شود؟

 

هدف این بررسی اولیه که بیشتر پروژه‌های صنعتی از آن استفاده می‌کنند، کاهش ولتاژ ۱۰ درصد یا کمتر در ترمینال‌های موتور هنگام راه‌اندازی. در فیدر اختصاصی که هیچ بار حساسی از همان اتوبوس استفاده نمی‌کند، گاهی اوقات کاهش ۱۵ درصدی پذیرفته می‌شود، اما این تصمیم باید توسط مهندس برق نصب‌شده در کارخانه به‌صورت کتبی اتخاذ شود و نه اینکه در زمان راه‌اندازی آزمایشی کشف گردد.

دلیل سخت‌گیرانه‌تر بودن این حد نسبت به نیاز واقعی موتور این است که معمولاً موتور اولین قطعه‌ای نیست که واکنش نشان دهد:

• کنتاکتورها معمولاً برای تحمل ولتاژ سیم‌پیچ تا حدود ۸۵ درصد ولتاژ اسمی طراحی شده‌اند؛ بنابراین یک کاهش ۱۵ درصدی می‌تواند استارت‌کننده‌ای را باز کند که خود موتور بدون مشکل آن را تحمل می‌کرد.
• درایوهای فرکانس متغیر و منابع تغذیه تنها برای مدت زمان نگهداری (هوُلد-آپ) اتصال مستقیم خود از کاهش ولتاژ عبور می‌کنند.
• رله‌های محافظت از ولتاژ پایین که برای حفاظت از سایر تجهیزات استفاده می‌شوند، اغلب برای قطع بالاتر از کاهش ۲۰ درصدی تنظیم می‌شوند که این امر راه‌اندازی یک موتور را به قطع عمومی کل نصب تبدیل می‌کند.
• محدودیت‌های لرزش (فِلیکر) ارائه‌شده توسط شرکت توزیع برق می‌تواند حتی زمانی که تمام بارهای موجود در محل از کاهش ولتاژ تحمل می‌کنند، راه‌اندازی‌های مکرر در یک سرویس مشترک را محدود کند.

حفاظت از موتور در حین راه‌اندازی موضوعی جداگانه است و مرجع صنعتی مربوطه استاندارد IEEE 3004.8 است، روش توصیه‌شده برای حفاظت از موتورها در سیستم‌های قدرت صنعتی و تجاری که شامل حفاظت در هنگام راه‌اندازی، انتقال بوس (bus transfer) و حفاظت در برابر کاهش ولتاژ برای استارترهای کنترل‌شده توسط کنتاکتور و کنترل‌شده توسط قطع‌کننده می‌شود.

 

تصمیمات مشخصات فنی که واقعاً افت ولتاژ را رفع می‌کنند

 

پس از اینکه اعداد و ارقام روی میز قرار گرفتند، گزینه‌ها به‌طور خودکار بر اساس هزینه و اثرات جانبی مرتب می‌شوند.

• کیلوولت‌آمپر بیشتری بخرید. مستقیماً متناسب، ساده، و همچنین جریان اتصال کوتاه قابل دسترس را افزایش می‌دهد که ممکن است باعث بازنگری در رتبه‌بندی تجهیزات پایین‌دستی شود.
• امپدانس پایین‌تری را مشخص کنید. موثر است، اما درصد امپدانس پایین‌تر به معنای جریان اتصال کوتاه بالاتر و نیروهای مکانیکی بیشتر بر روی پیچه‌ها در زمان اتصال کوتاه است. آن را به‌عنوان یک هدف با تحمل (tolerance) مشخص کنید، نه به‌عنوان یک آرزو.
• برای موتور بزرگ یک ترانسفورماتور جداگانه در نظر بگیرید. جداسازی اغلب ارزان‌تر از بزرگ‌کردن بیش از حد یک واحد مشترک است و جلوی ایجاد اختلال در خط فرآیند را توسط راه‌اندازی یک پمپ می‌گیرد.
• روش شروع‌کردن را با دقت انتخاب کنید. یک استارت‌کننده خودترانسفورماتوری روی تپ ۶۵ درصد، جریان خط را به حدود ۴۲ درصد جریان مستقیم (DOL) کاهش می‌دهد، زیرا گشتاور و جریان خط هر دو با مجذور ولتاژ اعمال‌شده تغییر می‌کنند. روش ستاره-مثلث حدود یک‌سوم جریان مستقیم را فراهم می‌کند. یک استارت‌کننده نرم یا درایو صاف‌ترین پروفایل را ارائه می‌دهد، اما خودِ آن ملاحظات هارمونیکی و حفاظتی اضافی را بر روی ترانسفورماتور اعمال می‌کند.
• بررسی بار حرارتی را فراموش نکنید، نه فقط افت ولتاژ. شروع‌های مکرر سیم‌پیچ را گرم می‌کنند. ترانسفورماتوری که در محاسبهٔ یک‌بار شروع موفق عمل می‌کند، ممکن است در مشخصاتی که شش بار شروع در ساعت را در دمای محیط کامل درخواست می‌کند، شکست بخورد.
• از بهبود بازده موتور انتظار نداشته باشید. موتور استاندارد NEMA Premium، تلفات حالت کارکرد را کاهش می‌دهد — دلیلی که اداره انرژی ایالات متحده برنامهٔ منابع خود را ادامه می‌دهد — اما سیستم‌های موتور تلفات شروع را کاهش نمی‌دهد. kVA قفل‌شدهٔ روتور عملکرد شروع و بازده کارکرد مشخصات جداگانه‌ای در پلاک نامی هستند.

تفاوت آن را با جریان ورودی اولیه توجه کنید. جریان ناشی از پدیدهٔ «ری‌اکتور-ترشینگ» که باعث قطع کننده شدن کلید قدرت هنگام روشن‌کردن ترانسفورماتور بی‌بار می‌شود، پدیده‌ای جداگانه است و پیامدهای خاص خود را در مشخصات فنی دارد؛ این موضوع در راهنمای ما دربارهٔ جریان برخورد ترانسفورماتور پوشش داده شده است. هر دو در یک پروژه ظاهر می‌شوند؛ و هیچ‌کدام با دیگری حل نمی‌شوند.

 

رویکرد رایان الکتریک به پروژه‌های بار موتوری

 

رایان الکتریک (شرکت محدود الکتریک جیانگسو رایان) از سال ۲۰۰۷ ترانسفورماتور تولید می‌کند و از سال ۲۰۲۳ همکار رسمی مشترک اتون است. پروژه‌های صنعتی با بار موتوری سنگین معمولاً به‌صورت درخواست ترانسفورماتور قدرت یا توزیع با هدف امپدانس مشخص و وظیفهٔ راه‌اندازی متصل به آن ارسال می‌شوند، و همین بخش از پیش‌نهاد قیمت است که مهندسان ما بیشترین زمان خود را صرف آن می‌کنند. ترانسفورماتور قدرت ترانسفورماتور قدرت

بخش اصلی کار در مرحلهٔ ابتدایی انجام می‌شود. ما قبل از ارائهٔ ظرفیت کیلوولت‌آمپر، جدول موتورها — شامل اسب‌بخار، حرف کد، ولتاژ و روش راه‌اندازی — را درخواست می‌کنیم، زیرا انتخاب امپدانس و طراحی پیچش‌ها بر اساس آن‌ها انجام می‌شود. تعیین ظرفیت ترانسفورماتور برای راه‌اندازی موتور محاسبه، نه از صفحه‌ی کاتالوگ. هنگامی که یک پروژه نیازمند محدوده‌ی امپدانس خاصی، محدوده‌ی تپ غیرمعمول یا ثانویه‌ی دوولتاژ است، آن طراحی نیز از همان فرآیند مهندسی سفارشی عبور می‌کند که ما برای ترانسفورماتورهای کاربرد یکسوکننده و کوره به کار می‌بریم. پوشش گواهینامه شامل UL، CSA، IEEE، DEKRA، CNAS و CE است و هر واحد با داده‌های آزمون روتین ارسال می‌شود — نسبت تبدیل، مقاومت سیم‌پیچ، امپدانس، تلفات بدون بار، تلفات باردار و آزمون‌های عایقی — تا تیم راه‌اندازی بتواند امپدانس تحویل‌شده را با مقداری که مطالعه بر اساس آن انجام شده، تأیید کند.

 

 

 

چه چیزی در درخواست پیش‌نهاد قیمت (RFQ) قرار دهیم

 

پنج مورد تبدیل یک پرسش مبهم به مشخصات قابل پیش‌نهاد قیمت ترانسفورماتور می‌کند:

• فهرست موتورها با اطلاعات اسب‌بخار، حرف کد NEMA، ولتاژ و حرف طراحی یا کلاس استارت IEC.
• روش استارت و نمودار جریان خط ناشی از آن.
• تعداد استارت‌های مجاز در هر ساعت و دمای محیطی طراحی‌شده.
• حداکثر افت ولتاژ مجاز و اینکه آیا مطالعه‌ی استارت موتور از پیش انجام شده است یا خیر.
• جریان نقص موجود در سمت اولیه، تا بتوان مقاومت امپدانس و رده‌ی قطع را با هم هماهنگ کرد.

این پنج مورد را ارسال کنید تا نقل‌قول ترانسفورماتور دیگر صرفاً مقایسه‌ی قیمتی بین فرضیات نباشد. اگر جدول موتورها و نمودار تک‌خطی را دارید، آن‌ها را از طریق صفحه تماس ما ارسال کنید؛ تیم مهندسی ما پیشنهادی از kVA و امپدانس همراه با محاسبه‌ی افت ولتاژ ارائه خواهد داد.

درباره نویسنده — این راهنما توسط تیم مهندسی ترانسفورماتورهای ولتاژ متوسط شرکت Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd. تهیه شده است، یک تولیدکننده‌ی مستقر در نانتونگ از ترانسفورماتورهای خشک، روغنی، پد-مونتد و ایستگاه‌های فشرده، و شریک رسمی مشترک اِتون از سال ۲۰۲۳. این تیم پروژه‌های صنعتی، برق‌رسانی و زیرساختی را از مرحله‌ی بررسی مشخصات تا آزمون پذیرش کارخانه پشتیبانی می‌کند و در طراحی ترانسفورماتورهایی با کلاس ولتاژ ۱۰ تا ۱۱۰ کیلوولت فعالیت دارد.