Dimensionarea transformatorului pentru pornirea motoarelor: Explicarea căderii de tensiune, a curentului la rotor blocat și a impedanței

Dimensionarea transformatorului pentru pornirea motoarelor: Explicarea căderii de tensiune, a curentului la rotor blocat și a impedanței

 

O fabrică de prelucrare a alimentelor din Golf ne-a trimis, în trimestrul trecut, o schemă unifilară care includea trei motoare de 200 CP conectate la un singur transformator de 1.000 kVA, toate pornind direct pe rețea. Transformatorul corespundea sarcinii de funcționare, având și o rezervă de putere. Defecțiunea a apărut la prima pornire a zilei: tensiunea pe bara de 480 V a scăzut suficient de mult încât contactele de linie s-au deschis, motorul nu a atins niciodată viteza maximă, iar întreaga instalație a rămas în așteptare până la sosirea unui electrician. Nimic nu era deteriorat. dimensionarea transformatorului pentru pornirea motoarelor nu fusese deloc calculată.

Această lacună este obișnuită și costisitoare. Pe plăcuța indicatoare a unui motor sunt specificate puterea în CP și curenții nominali la sarcină completă. Nu sunt însă indicate kVA pe care transformatorul trebuie să le furnizeze în secundele în care rotorul se accelerează — iar această valoare, nu cea corespunzătoare sarcinii de funcționare, determină, de obicei, dacă tensiunea pe bară se menține.

 

 

 

De ce pornirea motoarelor este o problemă a transformatorului

 

Un motor în funcționare și un motor la pornire sunt două sarcini diferite care poartă aceeași placă de identificare. În regim de funcționare, un motor cu inducție consumă un curent apropiat de cel nominal, cu un factor de putere de aproximativ 0,85–0,9, iar sarcina este în principal putere activă. În stare de repaus, impedanța rotorului scade brusc, curentul crește la aproximativ de șase ori valoarea curentului nominal pentru un motor conform Design B NEMA, iar factorul de putere scade la o valoare între 0,15 și 0,3.

Un motor la pornire absoarbe aproape exclusiv curent reactiv. Pentru transformator și pentru bara de distribuție, acesta pare o inductanță mare conectată brusc într-o singură etapă, iar tocmai curentul reactiv este cel care generează căderea de tensiune pe impedanța transformatorului.

Iată partea pe care o omit frecvent cumpărătorii: aceasta nu este o defecțiune a motorului și nici un aspect pe care furnizorul de motoare îl poate remedia prin utilizarea unei clase superioare de izolație. Căderea de tensiune este o proprietate a sistemului. Depinde de raportul dintre kVA-ul de pornire al motorului și capacitatea de scurtcircuit a transformatorului, ceea ce face ca dimensionarea transformatorului pentru pornirea motoarelor decizia de specificație să fie luată pe partea transformatorului din desen.

Același eveniment fizic stabilește standardul pe care îl folosesc ambele părți. NEMA MG 1 atribuie fiecărui motor o literă de cod kVA la rotor blocat și definește performanța de pornire de care utilizatorii se pot baza — un reper util atunci când o întrebare adresată furnizorului se transformă într-o întrebare contractuală. NEMA Programul de standarde pentru motoare și generatoare publică acest document.

 

Citirea sarcinii de pornire de pe plăcuța indicatoare a motorului

 

Litera de cod este cea mai rapidă metodă de a obține kVA la rotor blocat fără fișa tehnică a motorului.

Aceasta convertește direct calul-putere în kVA la rotor blocat și apare pe plăcuța indicatoare a fiecărui motor NEMA.

 

Literă de cod	KVA la rotor blocat pe CP
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

 

Scala variază de la A la V și crește cu fiecare literă, astfel încât un motor cu codul K solicită aproximativ cu 60 % mai mult transformatorul decât un motor cu codul F de aceeași putere nominală. O unitate de 200 CP cu codul F are o cerință de pornire între 1.000 și 1.118 kVA; aceeași unitate de 200 CP cu codul K ajunge la 1.600–1.798 kVA. Citiți litera direct de pe plăcuța indicatoare reală, nu dintr-un catalog, deoarece este singurul parametru care modifică în mod independent concluzia privind dimensionarea.

Trebuie adăugate încă trei detalii:

• Numărul de porniri pe oră. Fiecare pornire reprezintă un eveniment termic atât pentru motor, cât și pentru înfășurarea transformatorului. Producătorii de motoare publică o curbă a numărului permis de porniri pe oră, iar transformatorul trebuie să reziste aceleiași regim de funcționare.
• Caracteristica cuplului de pornire. O pompă centrifugă pornește aproape descărcată; un transportor încărcat, un compresor cu deplasare pozitivă sau un ventilator cu inerție ridicată pot rămâne în banda de accelerare suficient de mult pentru a avea importanță.
• Metoda de pornire. Pornirea directă pe rețea, transformatorul autotransformator, conexiunea stea-triunghi, pornitorul moale și variatorul de frecvență aplică fiecare un profil diferit de curent transformatorului.

 

Dimensionarea transformatorului pentru pornirea motoarelor: Calculul pe care fiecare cerere de ofertă ar trebui să o conțină

 

Calculul preliminar este suficient de scurt pentru a fi efectuat manual. Puterea de scurtcircuit a transformatorului este egală cu kVA-ul său împărțit la impedanța în unități relative; kVA-ul de pornire al motorului împărțit la această putere de scurtcircuit, exprimat în procente, dă scăderea aproximativă de tensiune:

%Scădere tensiune ≈ (kVA pornire motor × %Z transformator) ÷ kVA transformator

Aplicat în cazul stației de pompare, cu impedanță de 5,75 %, cu un motor de 200 CP, cod F, aflat în proces de pornire, în timp ce celelalte două motoare funcționează deja:

 

Transformator	Capacitate de scurtcircuit	KVA de pornire	Scădere calculată
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%

 

Trei aspecte merită evidențiate. În primul rând, scăderea tensiunii variază aproape liniar cu puterea transformatorului exprimată în kVA, deci alegerea dimensiunii transformatorului este, de fapt, o decizie privind scăderea tensiunii. În al doilea rând, impedanța reprezintă un factor de influență independent: la 500 kVA, reducerea impedanței de la 5,75 % la 4,0 % reduce scăderea tensiunii la aproximativ 8,5 %, fără a fi necesară achiziționarea unui transformator de putere mai mare. În al treilea rând, acesta este un calcul preliminar de evaluare, nu un înlocuitor pentru un studiu detaliat. El ignoră impedanța sursei furnizate de operatorul de rețea și motoarele deja în funcțiune pe același racord, iar ambele contribuie la scăderea reală a tensiunii — prin urmare, păstrați un coeficient de siguranță în rezultat, nu îl tratați ca pe o valoare finală.

Aplicați aceeași metodă de calcul pentru fiecare motor care poate porni în timp ce instalația funcționează la sarcină maximă, apoi repetați calculul pentru cea mai nefavorabilă combinație plauzibilă. Operatorii de rețea și consultanții vor efectua un studiu complet; un furnizor de transformatoare care nu poate reproduce acest calcul preliminar oferă o valoare de kVA, nu o soluție integrată.

 

Ce scădere a tensiunii este acceptabilă și ce declanșează, de fapt, protecțiile

 

Ținta de evaluare preliminară utilizată de cele mai multe proiecte industriale este o scădere a tensiunii de 10% sau mai mic la bornele motorului în timpul pornirii. Pe un circuit dedicat, unde nimic sensibil nu împarte aceeași bară de distribuție, uneori se acceptă o scădere de 15%, dar această decizie trebuie luată în mod expres de inginerul electric al uzinei, nu descoperită în timpul punerii în funcțiune.

Motivul pentru care limita este mai strictă decât necesitățile motorului este că motorul rar este primul element care dă semne de problemă:

• Contactorii sunt de obicei calificați să rămână închisi până la aproximativ 85% din tensiunea nominală a bobinei, astfel încât o scădere de 15% poate deschide un pornitor pe care motorul în sine l-ar fi suportat.
• Variatoarele de frecvență și sursele de alimentare trec printr-o scădere de tensiune doar pe durata timpului de menținere al tensiunii pe bus-ul lor de curent continuu.
• Releele de subtensiune care protejează alte echipamente sunt adesea setate să declanșeze la scăderi mai mari de 20%, transformând astfel o pornire într-un declanșare generalizată la nivelul întregii instalații.
• Limitele de strălucire impuse de operatorul de rețea pot restricționa pornirile repetate la o sursă de alimentare comună, chiar dacă toate sarcinile de pe amplasament tolerează scăderea de tensiune.

Protecția motorului în timpul pornirii este un subiect distinct, iar referința industrială este IEEE 3004.8, standardul Practică recomandată pentru protecția motoarelor în sistemele industriale și comerciale de alimentare cu energie electrică , care acoperă pornirea, transferul între bare și protecția la scădere de tensiune, atât pentru pornitoarele comandate prin contactoare, cât și pentru cele comandate prin întrerupătoare.

 

Decizii privind specificații care remediază efectiv căderea de tensiune

 

Odată ce cifrele sunt pe masă, variantele se ordonează singure în funcție de cost și efecte secundare.

• Cumpărați mai mulți kVA. Direct proporțional, simplu, iar această soluție crește, de asemenea, curentul de defect disponibil, ceea ce poate impune o revizuire a claselor de performanță ale echipamentelor din aval.
• Specificați o impedanță mai mică. Eficientă, dar o valoare mai mică a procentului de impedanță (%Z) implică un curent de defect mai mare și forțe mecanice superioare asupra înfășurărilor în cazul unui scurtcircuit. Specificați-o ca o valoare țintă, cu o toleranță definită, nu ca o dorință.
• Alocați motorului de mare putere propriul său transformator. Izolarea este adesea mai ieftină decât mărirea dimensiunii unui transformator comun și previne perturbarea unei linii tehnologice la pornirea unei pompe.
• Alegeți metoda de pornire în mod intenționat. Un pornitor cu autotransformator pe treapta de 65 % reduce curentul de linie la aproximativ 42 % din valoarea curentului la conectare directă, deoarece atât cuplul, cât și curentul de linie variază proporțional cu pătratul tensiunii aplicate. Conexiunea stea-triunghi asigură aproximativ o treime din curentul la conectare directă. Un pornitor reglabil sau un variator de viteză oferă profilul cel mai lin, dar introduce propriile considerente legate de armonice și protecție pentru transformator.
• Verificați regimul termic, nu doar scăderea de tensiune. Pornirile repetate încălzesc înfășurările. Un transformator care îndeplinește calculul pentru o singură pornire poate totuși să nu îndeplinească o specificație care cere șase porniri pe oră la temperatură ambient maximă.
• Nu vă așteptați ca randamentul motorului să fie de ajutor. Un motor NEMA Premium reduce pierderile în regim de funcționare — motivul pentru care Departamentul American al Energiei menține programul său de resurse Motor Systems — dar nu reduce kVA la rotor blocat . Performanța la pornire și randamentul în regim de funcționare sunt specificații distincte, indicate separat pe plăcuța indicatoare.

Observați diferența față de curentul de punere sub tensiune. Curentul de suprasarcină al reactorului care declanșează întrerupătorul la conectarea unui transformator neîncărcat este un fenomen separat, cu implicații specifice proprii, prezentat în ghidul nostru despre curentul de pornire al transformatorului . Ambele apar în același proiect; niciunul nu rezolvă celălalt.

 

Cum abordează Ryan Electric proiectele cu sarcini motoare

 

Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) produce transformatoare din 2007 și colaborează oficial ca partener în joint-venture cu Eaton din 2023. Proiectele industriale cu o pondere mare de motoare sosesc, de obicei, sub forma unei cerințe de transformator de forță transformator de putere sau de distribuție, cu o valoare țintă pentru impedanță și o sarcină de pornire asociată, iar aceasta este partea ofertei pe care inginerii noștri o analizează în detaliu.

Mare parte din muncă se desfășoară în faza inițială. Cerem programul motoarelor — puterea nominală în cai putere, litera cod, tensiunea și metoda de pornire — înainte de a stabili valoarea în kVA, deoarece selecția impedanței și proiectarea înfășurărilor derivă din aceste date. dimensionarea transformatorului pentru pornirea motoarelor calcul, nu dintr-o pagină de catalog. Atunci când un proiect necesită o bandă specifică de impedanță, o gamă neobișnuită de prize sau o secundară cu dublă tensiune, acel design trece prin același proces de inginerie personalizată pe care îl folosim pentru transformatorii destinați redresorilor și cuptoarelor. Certificările acoperă standardele UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS și CE, iar fiecare unitate este livrată cu datele testelor de rutină — raportul de transformare, rezistența înfășurărilor, impedanța, pierderile la mersul în gol, pierderile la sarcină și testele dielectrice — astfel încât echipa de punere în funcțiune să poată verifica impedanța livrată față de valoarea utilizată în studiu.

 

 

 

Ce trebuie inclus în cererea de ofertă (RFQ)

 

Cinci elemente transformă o cerere vagă într-o specificație completă pentru un transformator cotabil:

• Programul motoarelor, cu puterea în cai putere, litera cod NEMA, tensiunea și litera Design sau clasa de pornire IEC.
• Metoda de pornire și profilul rezultat al curentului de linie.
• Numărul admis de porniri pe oră și temperatura ambientală de proiectare.
• Scăderea admisibilă a tensiunii și dacă există deja un studiu de pornire a motoarelor.
• Curentul de defect disponibil la primar, astfel încât impedanța și ratingurile de întrerupere să poată fi coordonate împreună.

Trimiteți acele cinci elemente și oferta pentru transformator nu mai este o simplă comparație de prețuri între ipoteze. Dacă aveți un tabel al motoarelor și un diagramă unifilară, trimiteți-le către noi prin pagina noastră de contact și echipa noastră de ingineri va returna o recomandare privind puterea în kVA și impedanța, cu calculul căderii de tensiune prezentat.

Despre autor — Acest ghid a fost elaborat de echipa de inginerie pentru transformatoare de medie tensiune a companiei Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd., un producător cu sediul în Nantong, specializat în transformatoare de tip uscat, cu ulei, montate pe platformă și substații compacte, și partener oficial în joint-venture cu Eaton începând cu anul 2023. Echipa susține proiecte industriale, pentru operatori de rețele electrice și infrastructurale, de la revizuirea specificațiilor până la testarea de acceptare la fabrică și lucrează la proiectarea transformatoarelor din clasele 10 kV până la 110 kV.