Transzformátor méretezése motorindításhoz: feszültségesés, reteszelő rotoráram és impedancia magyarázata

Transzformátor méretezése motorindításhoz: feszültségesés, reteszelő rotoráram és impedancia magyarázata

 

Egy golfvidéki élelmiszer-feldolgozó üzem tavaly negyedévben küldött nekünk egy egysoros diagramot, amelyen három 200 lóerős motor szerepelt egyetlen 1000 kVA-os transzformátoron, mindegyik közvetlen hálózati indítással működött. A transzformátor mérete megfelelt a folyamatos terhelésnek, sőt még tartalék is maradt. A hiba az első napi indításkor jelentkezett: a 480 V-os busz feszültsége olyan mértékben esett, hogy a vonali érintkezők kinyíltak, a motor soha nem érte el a teljes fordulatszámot, és az üzem elektromos szakemberre várva állt le. Semmi sem sérült. A motorindításhoz szükséges transzformátor méretezése egyszerűen soha nem került kiszámításra.

Ez a hiányosság gyakori, és drága. Egy motor adattáblája megadja a teljesítményt (lóerő) és a névleges áramfelvételt. Azonban nem tünteti fel, hogy a transzformátornak mennyi kVA-t kell szolgáltatnia a forgórész gyorsulása alatt tartó másodpercekben – és ez az érték, nem a folyamatos terhelés, dönti el általában, hogy a busz feszültsége stabil marad-e.

 

 

 

Miért transzformátorprobléma a motorindítás

 

Egy járó motor és egy induló motor két különböző terhelés, amelyek ugyanazt a típustáblát viselik. A forgási sebességnél az indukciós motor a névleges teljesítményhez közeli áramot vesz fel, teljesítménytényezője kb. 0,85–0,9 között van, és a terhelés túlnyomórészt valódi teljesítményből áll. Álló helyzetben a rotor impedanciája összeomlik, az áram kb. hatszorosára nő a névleges áramhoz képest egy NEMA Design B típusú motor esetében, és a teljesítménytényező 0,15–0,3 közötti értékre csökken.

Az induló motor majdnem tisztán reaktív áramot vesz fel. A transzformátor és az elosztóvezeték szempontjából úgy néz ki, mintha egy nagy induktivitás egyszerre kapcsolódna be, és éppen a reaktív áram okozza a feszültségesést a transzformátor belső impedanciáján.

Itt következik az a rész, amit a legtöbb vevő figyelmen kívül hagy: ez nem motorhibára utal, és nem olyan probléma, amit a motorbeszállító jobb szigetelési osztállyal orvosolhatna. A feszültségcsökkenés egy rendszerjellemző. Az induló kVA és a transzformátor rövidzárási teljesítménye közötti aránytól függ, ami miatt motorindításhoz szükséges transzformátor méretezése a döntést a rajzon a transzformátor oldalán kell meghozni.

Ugyanaz az fizikai esemény határozza meg azt a szabványt, amelyből mindkét fél dolgozik. A NEMA MG 1 minden motort egy zártrotoros kVA-kód betűvel lát el, és meghatározza a felhasználók által elvárható indítási teljesítményt – ez hasznos referencia, ha egy szállítói kérdés szerződési kérdéssé válik. A NEMA Motor- és generátor-szabványok programja teszi közzé ezt a dokumentumot.

 

A motor adattáblájáról történő indítási terhelés leolvasása

 

A kód betű a leggyorsabb módja annak, hogy meghatározzuk a zártrotoros kVA-t a motor adatlapon kívül.

A lóerőt közvetlenül zártrotoros kVA-ba alakítja át, és minden NEMA-motor adattábláján szerepel.

 

Kód betű	Zártrotoros kVA/lóerő
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

 

A skála A-tól V-ig tart, és minden betűvel növekszik, így egy K kódú motor kb. 60%-kal többet igényel a transzformertől, mint egy azonos teljesítményű F kódú motor. Egy 200 hp-os egység F kóddal 1000–1118 kVA indítási igényt jelent; ugyanaz a 200 hp-os egység K kóddal 1600–1798 kVA-ig emelkedik. Olvassa le a betűt a tényleges típistolcáról, ne katalógusból, mert ez az egyetlen szám, amely önmagában megváltoztatja a méretezési következtetést.

Három további adat is ide tartozik:

• Indítások óránként. Minden indítás hőmérsékleti terhelést jelent a motornál és a transzformertekercsben egyaránt. A motorok gyártói közzéteszik az engedélyezett indítások óránkénti görbéjét, és a transzformernél is ugyanezt a terhelést kell elviselnie.
• Terhelési nyomaték-jelleggörbe. Egy centrifugális szivattyú majdnem terhelésmentesen indul; egy terhelt szállítószalag, egy pozitív elmozdulású kompresszor vagy egy nagy tehetetlenségű ventilátor hosszabb ideig is maradhat a gyorsítási sávban, ami jelentőséggel bír.
• Indítási mód. A közvetlen hálózatra kapcsolás, az autotranszformátoros, a csillag–delta, a lágyindító és a változó frekvenciájú meghajtás mindegyike más-más áramprofil-t eredményez a transzformátoron.

 

Transzformátor méretezése motorindításhoz: A számítás, amelyet minden RFQ-nak tartalmaznia kell

 

A szűrési számítás olyan rövid, hogy kézzel is elvégezhető. A transzformátor rövidzárási teljesítménye a kVA-értékének és a relatív impedanciának a hányadosa; a motorindítási kVA-érték osztva ezzel a kapacitással, százalékban kifejezve, megadja a közelítő feszültségesést:

%Feszültségesés ≈ (Motorindítási kVA × Transzformátor %Z) ÷ Transzformátor kVA

A szivattyúállomás példáján keresztül számoltuk végig 5,75 % impedancia mellett, egy 200 lóerős, F kódú motor indításával, miközben a másik két motor üzemel:

 

Transzformátor	Rövidzárási teljesítmény	Indító kVA	Kiszámított esés
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%

 

Három dolog emelkedik ki. Először: a feszültségesés majdnem lineárisan változik a transzformátor kVA-értékével, így a méretezési döntés tulajdonképpen az esés mértékének meghatározása. Másodszor: az impedancia önálló szabályozó tényező: 500 kVA-nál az impedancia csökkentése 5,75%-ról 4,0%-ra visszahúzza az esést kb. 8,5%-ra anélkül, hogy nagyobb teljesítményű egységet kellene vásárolni. Harmadszor: ez egy előzetes ellenőrzés, nem helyettesíti a részletes számítást. Figyelmen kívül hagyja a közmű forrásimpedanciáját és a sínre már csatlakoztatott, üzemelő motorokat – mindkét tényező növeli a tényleges feszültségesést, ezért a kapott eredményt tartalékként kezeljük, ne pedig végső értékként.

Végezzük el ugyanezt a számítást minden olyan motorra, amely indítható a gyár teljes terhelésénél, majd ismételjük meg a legrosszabb, de valósághű kombinációra. A közművek és tanácsadók elvégzik a teljes számítást; ha egy transzformátor-szolgáltató nem tudja reprodukálni ezt az ellenőrzést, akkor nem rendszert, hanem csupán egy kVA-értéket ajánl.

 

Mekkora feszültségesés elfogadható, és mi okozza valójában a lekapcsolódást

 

A legtöbb ipari projekt által alkalmazott előzetes célérték egy feszültségesés a motor csatlakozóinál a beindításkor 10 % vagy annál kisebb érték. Kizárólagos táplálás esetén, ahol semmilyen érzékeny berendezés nem osztja az elosztóvezetéket, néha elfogadható a 15 %-os érték is, de ezt a döntést a gyár villamosmérnökének írásban kell meghoznia, ne pedig a üzembe helyezés során felfedezni.

Azért szigorúbb a határ, mint amire a motor szüksége lenne, mert a motor ritkán az első, ami panaszkodik:

• A kapcsolók általában kb. a tekercsfeszültség 85 %-áig képesek megtartani a zárt állapotot, így egy 15 %-os feszültségesés kikapcsolhat egy indítót, amelyet maga a motor még átvészelne.
• A frekvenciaváltók és tápegységek csak a DC-sín tartalékidője alatt tudnak átívelni egy feszültségesést.
• Más berendezéseket védő alacsonyfeszültségű relék gyakran úgy vannak beállítva, hogy 20 %-nál nagyobb feszültségesésnél működjenek ki, így egy indítás egész üzem leállását eredményezheti.
• A közüzemi villogási korlátozások akkor is korlátozhatják a gyakori indításokat egy megosztott hálózaton, ha minden helyszíni terhelés elviseli az esést.

A motor védelme a beindítás idején külön témakör, és az ipari szabvány a IEEE 3004.8, a Ajánlott gyakorlat az ipari és kereskedelmi villamosenergia-rendszerekben történő motorvédelemre , amely a kontaktorvezérelt és megszakítóvezérelt indítók indítását, buszátvitelét és alulfeszültség-védelmét foglalja magában.

 

Olyan specifikációs döntések, amelyek ténylegesen megoldják a feszültségesést

 

Amint a számok asztalra kerülnek, a lehetőségek önmaguktól rendeződnek a költség és a mellékhatások szerint.

• Több kVA vásárlása. Közvetlenül arányos, egyszerű megoldás, ugyanakkor növeli a rendelkezésre álló rövidzárási áramot, ami kényszerítheti a lefelé irányuló berendezések méretezésének újraértékelését.
• Alacsonyabb impedancia megadása. Hatékony megoldás, de alacsonyabb %Z érték magasabb rövidzárási áramot és nagyobb mechanikai erőket eredményez a tekercsekben rövidzárlat esetén. Célként, tűréssel kell megadni, nem kívánságként.
• A nagyméretű motor saját transzformátorának biztosítása. Az elválasztás gyakran olcsóbb, mint egy közös egység túlméretezése, és megakadályozza, hogy egy szivattyú indítása zavarja egy folyamatvonal működését.
• Válassza ki a motorindítási módot gondosan. Egy autotranszformátoros indító 65%-os csatlakozási pontján a hálózati áram kb. 42%-ra csökken a közvetlen hálózatra kapcsoláshoz képest, mert a nyomaték és a hálózati áram is az alkalmazott feszültség négyzetével arányos. A csillag–háromszög kapcsolás kb. egyharmadára csökkenti a közvetlen hálózatra kapcsolási áramot. Egy lágyindító vagy frekvenciaváltó a legsimább indítási profilhoz vezet, de saját harmonikus torzításaival és védelmi követelményeivel terheli a transzformátort.
• Ellenőrizze a hőterhelési ciklust, ne csak a feszültségcsökkenést. Az ismételt indítások felmelegítik a tekercselést. Egy transzformátor, amely egyetlen indítási számítást kielégít, mégis meghibásodhat egy olyan specifikációnál, amely hat indítást óránként teljes környezeti hőmérséklet mellett ír elő.
• Ne várja, hogy a motor hatásfoka segítsen. Egy NEMA Premium motor csökkenti a üzemi veszteségeket – ezért fenntartja a USA Energiaügyi Minisztériuma a Motorrendszerek erőforrás-programját – de nem csökkenti a zártrotoros kVA-t . Az indítási teljesítmény és az üzemi hatásfok külön, névplacenspecifikációk.

Figyelje meg az energizálási bekapcsolási áramtól való különbséget. A reaktor-törési áram, amely kikapcsolja a megszakítót egy terhelés nélküli transzformátor bekapcsolásakor, egy külön jelenség, amelynek saját műszaki specifikációs következményei vannak, és amelyről útmutatónkban olvashat: transzformátor bekapcsolási áram . Mindkét jelenség ugyanabban a projektben fordul elő; egyik sem oldja meg a másikat.

 

Hogyan közelíti meg a Ryan Electric a motoros terhelésű projekteket

 

A Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) 2007 óta gyárt transzformátorokat, és 2023 óta hivatalos közös vállalati partnerként működik együtt az Eaton-nal. A motorokra nagy mértékben támaszkodó ipari projektek általában egy energiaerőmű transzformátor vagy elosztó transzformátor igényként érkeznek, amelyhez impedancia-cél és indítási feladat is kapcsolódik, és éppen erre a részre fordítja mérnökeink időt a közbeszerzési ajánlat elkészítése során.

A munka nagy része a projekt kezdeti szakaszában zajlik. A kVA-érték megadása előtt a motorütemtervet – lóerő, kód betű, feszültség és indítási módszer – kérjük, mert az impedancia-kiválasztás és a tekercselési tervezés ebből indul ki. motorindításhoz szükséges transzformátor méretezése számítás alapján, nem katalógusoldalról. Ha egy projektnek speciális impedancia-sávra, szokatlan kapcsolási tartományra vagy kétfeszültségű másodlagos oldalra van szüksége, akkor az ilyen kialakítás ugyanazt az egyedi mérnöki folyamatot követi, amelyet a vezérelt egyenirányító- és kemencetranszformátorok esetében is alkalmazunk. A tanúsítási környezet magában foglalja az UL-, CSA-, IEEE-, DEKRA-, CNAS- és CE-tanúsításokat, és minden egység rutinpróbával kapcsolatos adatokkal szállítódik – áttétel, tekercsellenállás, impedancia, üresjárási veszteség, terheléses veszteség és dielektromos vizsgálatok – így a üzembe helyezési csapat ellenőrizheti a szállított impedancia értékét a tanulmány alapjául szolgáló értékkel összevetve.

 

 

 

Mit kell a kérelembe foglalni?

 

Öt elem alakítja át a homályos lekérdezést egy idézhető transzformátor-specifikációvá:

• Motorütemterv lóerővel, NEMA kód betűjelével, feszültséggel és Design betűjellel vagy IEC indítási osztállyal.
• Indítási módszer és az ebből eredő vonali áramprofil.
• Megengedett indítások száma óránként és a környezeti tervezési hőmérséklet.
• Elfogadható feszültségcsökkenés, valamint annak megadása, hogy már létezik-e motorindítási tanulmány.
• A primer oldalon rendelkezésre álló hibáram, így az impedancia- és megszakítási értékek együtt koordinálhatók.

Küldje el ezt az öt elemet, és a transzformátor árajánlat nem lesz többé feltételezések alapján történő árösszehasonlítás. Ha rendelkezik motorütemtervvel és egyvonalas diagrammal, küldje el nekünk az alábbi címre: kapcsolatfelvételi oldalunkon és mérnöki csapatunk kVA- és impedancia-ajánlatot küld vissza, amelyben szerepel a feszültségcsökkenés számítása is.

A szerzőről — Ezt az útmutatót a Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd. közepes feszültségű transzformátor-mérnöki csapata készítette, amely egy nantungi gyártó, száraztípusú, olajtöltésű, pad-montált és kompakt alállomás-termékek gyártásával foglalkozik, és hivatalos Eaton-társvezetési partner 2023 óta. A csapat ipari, közmű- és infrastruktúra-projektek támogatását végzi a specifikáció-ellenőrzéstől kezdve a gyári elfogadási tesztekig, és 10 kV-tól 110 kV-os osztályig terjedő transzformátor-terveken dolgozik.