Dobór transformatora do rozruchu silnika: wyjaśnienie spadku napięcia, prądu przy zablokowanym wirniku oraz impedancji

Dobór transformatora do rozruchu silnika: wyjaśnienie spadku napięcia, prądu przy zablokowanym wirniku oraz impedancji

 

Zakład przetwórstwa spożywczego w Zatoce wysłał nam w ubiegłym kwartale schemat jednoliniowy, na którym widniały trzy silniki o mocy 200 KM podłączone do jednego transformatora o mocy 1000 kVA, wszystkie uruchamiane bezpośrednio. Transformator był dobrany zgodnie z obciążeniem przy pracy ciągłej, z zapasem mocy. Awaria wystąpiła przy pierwszym uruchomieniu w ciągu dnia: napięcie na szynie 480 V gwałtownie spadło, co spowodowało otwarcie stykaczy sieciowych, a silniki nie osiągnęły pełnej prędkości obrotowej – zakład czekał więc na elektryka. Nic nie zostało uszkodzone. dobór mocy transformatora pod kątem uruchamiania silników po prostu nigdy nie został obliczony.

Taka luka jest typowa i kosztowna. Tabliczka znamionowa silnika podaje moc w koniach mechanicznych oraz prąd pobierany przy pełnym obciążeniu. Nie podaje jednak mocy pozornej w kVA, jaką transformator musi dostarczyć w ciągu sekund, gdy wirnik przyspiesza – to właśnie ta wartość, a nie obciążenie przy pracy ciągłej, zwykle decyduje o tym, czy napięcie na szynie pozostanie stabilne.

 

 

 

Dlaczego uruchamianie silników stanowi problem dla transformatora

 

Silnik pracujący i silnik rozruchowy to dwa różne obciążenia o tym samym oznaczeniu. W trakcie pracy silnik indukcyjny pobiera prąd zbliżony do prądu znamionowego przy współczynniku mocy w zakresie od 0,85 do 0,9, a obciążenie składa się głównie z mocy czynnej. W stanie spoczynku impedancja wirnika gwałtownie spada, natężenie prądu wzrasta do ok. sześciokrotności prądu znamionowego dla silnika typu NEMA Design B, a współczynnik mocy spada do wartości między 0,15 a 0,3.

Silnik rozruchowy pobiera praktycznie wyłącznie prąd bierny. Dla transformatora i szyny wygląda on jak duża indukcyjność włączona jednorazowo, a prąd bierny to dokładnie to, co powoduje spadek napięcia na impedancji transformatora.

Oto część, którą większość nabywców pomija: nie jest to wada silnika ani coś, co dostawca silnika może naprawić poprzez zastosowanie lepszej klasy izolacji. Ten spadek napięcia jest właściwością całego układu. Zależy on od stosunku pozornej mocy rozruchowej silnika do zdolności zwarciowej transformatora, co oznacza, że dobór mocy transformatora pod kątem uruchamiania silników decyzja dotycząca specyfikacji jest podejmowana po stronie transformatora na rysunku.

Ten sam zdarzenie fizyczne określa standard, z którego korzystają obie strony. Norma NEMA MG 1 przypisuje każdemu silnikowi literę kodu kVA przy zablokowanym wirniku i definiuje parametry rozruchowe, na które użytkownicy mogą polegać — przydatne odniesienie, gdy pytanie do dostawcy przeradza się w pytanie umowne. NEMA Program norm dotyczących silników i generatorów publikuje ten dokument.

 

Odczytywanie obciążenia rozruchowego z tabliczki znamionowej silnika

 

Litera kodu to najszybszy sposób uzyskania kVA przy zablokowanym wirniku bez arkusza danych silnika.

Przekształca moc wyrażoną w koniach mechanicznych bezpośrednio na kVA przy zablokowanym wirniku i pojawia się na tabliczce znamionowej każdego silnika zgodnego z normą NEMA.

 

Litera kodu	KVA przy zablokowanym wirniku na 1 KM
E	4,5 – 4,99
F	5,0 – 5,59
G	5,6 – 6,29
G	6,3 – 7,09
J	7,1 – 7,99
K	8,0 – 8,99

 

Skala obejmuje litery od A do V i rośnie wraz z każdą kolejną literą, więc silnik o kodzie K obciąża transformator o ok. 60 % bardziej niż silnik o tym samym mocy i kodzie F. Jednostka o mocy 200 KM z kodem F generuje zapotrzebowanie rozruchowe w zakresie 1000–1118 kVA; ta sama jednostka o mocy 200 KM z kodem K osiąga wartość 1600–1798 kVA. Kod należy odczytać z rzeczywistej tabliczki znamionowej, a nie z katalogu, ponieważ to jedyna wartość, która samodzielnie wpływa na końcowy wybór wymiaru urządzenia.

Trzy dodatkowe szczegóły powinny znaleźć się obok niego:

• Liczba rozruchów na godzinę. Każdy rozruch stanowi zdarzenie cieplne zarówno dla silnika, jak i dla uzwojenia transformatora. Producenti silników publikują krzywą dopuszczalnej liczby rozruchów na godzinę, a transformator musi wytrzymać tę samą eksploatację.
• Charakterystyka momentu obciążenia. Pompa odśrodkowa startuje niemal bez obciążenia; załadowany przenośnik, sprężarka przepływowa lub wentylator o dużej bezwładności mogą pozostawać w pasmie przyspieszania wystarczająco długo, by to miało znaczenie.
• Metoda rozruchu. Bezpośredni rozruch, rozruch za pomocą autotransformatora, rozruch w układzie gwiazda-trójkąt, miękki rozruch oraz napęd z regulowaną częstotliwością generują różne profile prądu w transformatorze.

 

Dobór mocy transformatora do rozruchu silnika: obliczenie, które powinno znaleźć się w każdej ofercie.

 

Obliczenie wstępne jest wystarczająco proste, by wykonać je ręcznie. Moc zwarciowa transformatora wynosi jego moc znamionową w kVA podzieloną przez impedancję w postaci ułamka względnej; iloraz mocy rozruchowej silnika w kVA i mocy zwarciowej transformatora, wyrażony w procentach, daje przybliżone spadki napięcia:

%Spadek napięcia ≈ (Moc rozruchowa silnika w kVA × %Z transformatora) ÷ Moc znamionowa transformatora w kVA

Przykład obliczeniowy dla stacji pomp przy impedancji 5,75 %, przy jednoczesnym rozruchu jednego silnika 200 KM klasy F, podczas gdy pozostałe dwa silniki pracują.

 

Transformator	Zdolność zwarciowa	Rozruchowe kVA	Obliczony spadek
500 KVA	8696 kVA	1060 kVA	12.2%
750 kVA	13043 kVA	1060 kVA	8.1%
1000 kVA	17391 kVA	1060 kVA	6.1%

 

Wyróżniają się trzy punkty. Po pierwsze, spadek napięcia zmienia się niemal liniowo wraz ze zmienną kVA transformatora, więc decyzja dotycząca doboru mocy transformatora jest równoznaczna z decyzją dotyczącą dopuszczalnego spadku napięcia. Po drugie, impedancja stanowi samodzielną możliwość regulacji: przy mocy 500 kVA obniżenie impedancji z 5,75% do 4,0% ogranicza spadek napięcia do ok. 8,5%, bez konieczności zakupu większego urządzenia. Po trzecie, to sprawdzenie ma charakter wstępnego, nie zastępuje pełnej analizy. Pomija ono impedancję źródła dostawcy energii oraz silniki już pracujące na szynoprzewodzie — oba te czynniki powodują dodatkowy rzeczywisty spadek napięcia, dlatego wynik należy traktować z zapasem bezpieczeństwa, a nie jako ostateczną wartość.

Wykonaj te same obliczenia dla każdego silnika, który może zostać uruchomiony w momencie, gdy zakład pracuje w pełni obciążony, a następnie ponownie dla najbardziej prawdopodobnej kombinacji sytuacji krytycznych. Dostawcy energii i konsultanci przeprowadzają pełną analizę; dostawca transformatorów, który nie potrafi powtórzyć tego sprawdzenia, podaje jedynie wartość kVA, a nie rozwiązuje całościowego układu.

 

Jak duży spadek napięcia jest dopuszczalny i co faktycznie powoduje wyłączenie

 

Cel wstępnego sprawdzenia, stosowany w większości projektów przemysłowych, to spadek napięcia o wartości 10% lub mniejszej na zaciskach silnika podczas rozruchu. W przypadku dedykowanego zasilania, gdzie żadne wrażliwe urządzenie nie współdzieli szyny, dopuszcza się czasem spadek o 15%, lecz decyzję tę powinien podjąć pisemnie inżynier elektryk zakładu, a nie odkrywać jej w trakcie uruchamiania.

Powodem surowszego limitu niż wymagany przez silnik jest fakt, że silnik rzadko jest pierwszym elementem, który reaguje na problem:

• Styczniki są zwykle projektowane tak, aby utrzymywać stan załączenia przy napięciu cewki wynoszącym około 85% wartości znamionowej, więc spadek o 15% może spowodować wyłączenie rozrusznika, mimo że sam silnik przetrwałby taki spadek.
• Napędy częstotliwościowe zmienne oraz zasilacze przeżywają spadek napięcia tylko przez czas utrzymywania napięcia na szynie stałoprądowej (hold-up time).
• Zabezpieczenia przed obniżonym napięciem chroniące inne urządzenia są często ustawiane tak, aby zadziałać przy spadkach przekraczających 20%, co może zamienić pojedynczy rozruch w zakładowy wyzwalacz całkowitego wyłączenia.
• Ograniczenia migotania napięcia stosowane przez operatora sieci mogą ograniczać wielokrotne rozruchy przy wspólnym zasilaniu, nawet jeśli wszystkie odbiorniki na terenie zakładu tolerują taki spadek.

Ochrona silnika podczas rozruchu to osobny temat, a odniesieniem branżowym jest norma IEEE 3004.8, która Zalecana praktyka ochrony silników w przemysłowych i komercyjnych systemach zasilania , obejmująca rozruch, przełączanie między szynami oraz ochronę przed napięciem niższym od nominalnego zarówno dla rozruszników sterowanych stycznikami, jak i wyzwalaczami.

 

Decyzje projektowe, które rzeczywiście eliminują spadki napięcia

 

Gdy dane liczbowe są już dostępne, opcje same układają się według kosztu i skutków ubocznych.

• Zakupić więcej kVA. Bezpośrednio proporcjonalne, proste i jednocześnie zwiększające prąd zwarciowy dopuszczalny, co może wymusić ponowną weryfikację wartości znamionowych sprzętu położonego dalej w sieci.
• Określić niższy impedancję. Skuteczne, ale niższy %Z oznacza wyższy prąd zwarciowy oraz większe siły mechaniczne działające na uzwojenia w czasie zwarcia. Należy określić ją jako wartość docelową z dopuszczalnym zakresem tolerancji, a nie jako życzenie.
• Przydzielić duży silnik osobnemu transformatorowi. Izolacja jest często tańsza niż nadmiarowe wymiarowanie wspólnego transformatora i zapobiega zakłóceniom linii technologicznej podczas rozruchu pompy.
• Wybierz metodę rozruchu świadomie. Rozruch za pomocą autotransformatora na pozycji 65% redukuje prąd sieciowy do około 42% wartości przy bezpośrednim załączeniu do sieci, ponieważ moment obrotowy i prąd sieciowy zmieniają się proporcjonalnie do kwadratu przyłożonego napięcia. Łączenie „gwiazda-trójkąt” zapewnia około jednej trzeciej prądu przy bezpośrednim załączeniu do sieci. Miękki rozruch lub przemiennik częstotliwości zapewnia najbardziej płynny przebieg, ale wprowadza własne zagadnienia związane z harmonicznymi oraz ochroną transformatora.
• Sprawdź obciążenie cieplne, a nie tylko spadki napięcia. Powtarzające się rozruchy nagrzewają uzwojenia. Transformator, który spełnia obliczenia dla pojedynczego rozruchu, może nadal nie spełniać specyfikacji wymagającej sześciu rozruchów na godzinę w pełnej temperaturze otoczenia.
• Nie zakładaj, że sprawność silnika będzie pomocna. Silnik zgodny ze standardem NEMA Premium zmniejsza straty podczas pracy – dlatego Departament Energii Stanów Zjednoczonych prowadzi swój Systemów silnikowych program zasobów – ale nie zmniejsza kVA przy zablokowanym wirniku . Wydajność rozruchowa i sprawność pracy to osobne parametry podawane na tabliczce znamionowej.

Zwróć uwagę na różnicę w stosunku do prądu załączeniowego. Prąd powodujący zadziałanie wyzwalacza przy włączaniu nieobciążonego transformatora, zwany również prądem uderzeniowym reaktora, to zjawisko odrębne, mające swoje własne implikacje projektowe, omówione w naszym przewodniku po prąd załączania transformatora . Oba zjawiska występują w tym samym projekcie; żadne z nich nie rozwiązuje drugiego.

 

Jak Ryan Electric podejmuje się projektów obciążenia silnikowego

 

Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) produkuje transformatory od 2007 roku i od 2023 roku działa jako oficjalny partner przedsiębiorstwa Eaton w ramach joint venture. Projekty przemysłowe o dużym udziale silników zwykle pojawiają się jako wymaganie dotyczące transformatora mocy lub transformatora rozdzielczego z określonym celem impedancyjnym oraz obciążeniem rozruchowym, a właśnie tę część oferty naszych inżynierów zajmuje najwięcej czasu. transformator mocy lub wymagania dotyczące transformatora rozdzielczego z określonym celem impedancyjnym oraz obciążeniem rozruchowym, a właśnie tę część oferty naszych inżynierów zajmuje najwięcej czasu.

Większość pracy przypada na etap wstępny. Zanim podamy wartość kVA, prosimy o harmonogram silników — moc znamionową (w koniach mechanicznych), literę kodu, napięcie oraz metodę rozruchu — ponieważ dobór impedancji i projekt uzwojeń wynikają z tych danych. dobór mocy transformatora pod kątem uruchamiania silników obliczenie, a nie strona z katalogu. Gdy projekt wymaga określonego zakresu impedancji, nietypowego zakresu dopasowania (tap range) lub wtórnego napięcia podwójnego, projekt ten przechodzi przez ten sam proces inżynierii niestandardowej, który stosujemy w przypadku transformatorów do zastosowań prostownikowych i piecowych. Certyfikaty obejmują UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS oraz CE; każdy egzemplarz jest dostarczany z danymi testów rutynowych — stosunek przekładni, opór uzwojeń, impedancja, straty jałowe, straty przy obciążeniu oraz testy wytrzymałości dielektrycznej — dzięki czemu zespół uruchomieniowy może zweryfikować dostarczoną wartość impedancji w porównaniu do wartości użytej w badaniach.

 

 

 

Co należy umieścić w zapytaniu ofertowym (RFQ)

 

Pięć pozycji przekształca niejasne zapytanie w specyfikację transformatora nadającą się do wyceny:

• Harmonogram silników zawierający moc znamionową (w koniach mechanicznych), literę kodu NEMA, napięcie oraz literę konstrukcji (Design letter) lub klasę startową wg IEC.
• Metoda rozruchu oraz wynikowy przebieg prądu sieciowego.
• Dozwolona liczba rozruchów na godzinę oraz temperatura otoczenia przyjęta w projekcie.
• Dopuszczalny spadek napięcia oraz informacja, czy badanie rozruchu silników zostało już wykonane.
• Dostępny prąd zwarciowy po stronie pierwotnej, aby można było zsynchronizować impedancję i zdolność przerwania.

Wyślij te pięć pozycji, a wycena transformatora przestaje być porównaniem cen opartym na założeniach. Jeśli posiadasz wykaz silników oraz schemat jednoliniowy, prześlij je do nas przez naszej strony kontaktowej a nasz zespół inżynierów dostarczy zalecenia dotyczące mocy wyrażonej w kVA oraz impedancji wraz z obliczeniem spadku napięcia.

O autorze — Niniejszy przewodnik przygotował zespół inżynierów transformatorów średniego napięcia firmy Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd., producenta suchych transformatorów, transformatorów olejowych, transformatorów typu pad-mounted oraz kompaktowych stacji transformatorowych z siedzibą w Nantong oraz oficjalnego partnera joint-venture firmy Eaton od 2023 r. Zespół wspiera projekty przemysłowe, energetyczne i infrastrukturalne – od przeglądu specyfikacji po testy akceptacyjne w zakładzie produkcyjnym – oraz pracuje nad projektami transformatorów w zakresie napięć od 10 kV do klasy 110 kV.