Расчет мощности трансформатора при пуске электродвигателя: объяснение провалов напряжения, тока при заблокированном роторе и импеданса

Расчет мощности трансформатора при пуске электродвигателя: объяснение провалов напряжения, тока при заблокированном роторе и импеданса

 

Пищевой перерабатывающий завод в Заливе направил нам в прошлом квартале однолинейную схему, на которой три двигателя мощностью 200 л.с. подключены к одному трансформатору мощностью 1000 кВА и запускаются напрямую. Трансформатор соответствовал нагрузке при работе и имел запас по мощности. Сбой произошёл при первом пуске в течение дня: напряжение на шине 480 В упало настолько сильно, что линейные контакторы разомкнулись, двигатель так и не достиг номинальной скорости, и предприятие ожидало прибытия электрика. Ничего не было повреждено. расчёт мощности трансформатора для пуска двигателей просто никогда не выполнялся.

Такой пробел — типичная ситуация, и он обходится дорого. На табличке двигателя указаны мощность в лошадиных силах и ток при полной нагрузке. Но на ней не указано, какой кВА должен обеспечить трансформатор в течение тех секунд, пока ротор разгоняется — а именно это значение, а не ток при рабочей нагрузке, обычно определяет, удержит ли шина напряжение.

 

 

 

Почему пуск двигателя — это проблема трансформатора

 

Работающий двигатель и пускаемый двигатель — это две разные нагрузки, имеющие одинаковую табличку. При работе с номинальной скоростью асинхронный двигатель потребляет ток, близкий к номинальному, при коэффициенте мощности около 0,85–0,9; при этом нагрузка в основном активная. В неподвижном состоянии импеданс ротора резко снижается, ток возрастает примерно в шесть раз по сравнению с номинальным током для двигателя типа NEMA Design B, а коэффициент мощности падает до значения между 0,15 и 0,3.

Пускаемый двигатель потребляет почти чисто реактивный ток. Для трансформатора и шины он выглядит как большая индуктивность, подключаемая одномоментно; именно реактивный ток вызывает падение напряжения на внутреннем импедансе трансформатора.

Вот то, что чаще всего упускают из виду покупатели: это не дефект двигателя и не проблема, которую поставщик двигателей может решить за счёт повышения класса изоляции. Такое проседание — свойство всей системы. Оно зависит от соотношения пусковой полной мощности двигателя (кВА) и предельной мощности короткого замыкания трансформатора, от чего следует, что расчёт мощности трансформатора для пуска двигателей решение о параметрах принимается на стороне трансформатора в проектной документации.

Один и тот же физический процесс определяет стандарт, которым руководствуются обе стороны. Стандарт NEMA MG 1 присваивает каждому электродвигателю буквенное обозначение кода кВА при заблокированном роторе и определяет пусковые характеристики, на которые пользователи могут полагаться — это полезный ориентир, когда вопрос к поставщику перерастает в вопрос контрактного характера. Стандарт NEMA Программа стандартов на электродвигатели и генераторы публикует данный документ.

 

Снятие пусковой нагрузки с таблички электродвигателя

 

Буквенное обозначение кода — самый быстрый способ определить кВА при заблокированном роторе без технического паспорта двигателя.

Оно напрямую преобразует лошадиные силы в кВА при заблокированном роторе и указывается на табличке каждого электродвигателя стандарта NEMA.

 

Буквенное обозначение кода	КВА при заблокированном роторе на одну лошадиную силу
E	4,5 – 4,99
F	5,0 – 5,59
G	5,6 – 6,29
Ч	6,3 – 7,09
J	7,1 – 7,99
К	8,0 – 8,99

 

Шкала простирается от A до V и возрастает с каждой буквой, поэтому двигатель с кодом K требует от трансформатора примерно на 60 % больше мощности, чем двигатель с кодом F такой же номинальной мощности. Для двигателя мощностью 200 л.с. с кодом F пусковая потребляемая мощность составляет от 1000 до 1118 кВ·А; тот же двигатель мощностью 200 л.с. с кодом K требует от 1600 до 1798 кВ·А. Букву следует считывать непосредственно с таблички на самом устройстве, а не из каталога, поскольку именно этот параметр в одиночку определяет итоговый расчёт необходимой мощности.

Рядом с этим необходимо указать ещё три параметра:

• Количество пусков в час. Каждый пуск представляет собой тепловое воздействие как на двигатель, так и на обмотку трансформатора. Производители двигателей публикуют кривые допустимого количества пусков в час, и трансформатор должен выдерживать ту же нагрузку.
• Характеристика пускового крутящего момента. Центробежный насос запускается практически без нагрузки; ленточный конвейер под нагрузкой, компрессор объёмного типа или вентилятор с высокой инерцией могут оставаться в зоне ускорения достаточно долго, чтобы это имело значение.
• Способ пуска. Прямой пуск, автотрансформаторный пуск, пуск «звезда–треугольник», плавный пуск и привод с регулируемой частотой создают на трансформаторе различные профили тока.

 

Расчёт мощности трансформатора для пуска электродвигателя: расчёт, который должен содержаться в каждом коммерческом предложении

 

Предварительный расчёт достаточно прост для выполнения вручную. Мощность короткого замыкания трансформатора равна его номинальной мощности в кВА, делённой на относительное значение его внутреннего сопротивления; отношение пусковой мощности двигателя в кВА к этой мощности короткого замыкания, выраженное в процентах, даёт приближённое значение просадки напряжения:

% Просадка напряжения ≈ (Пусковая мощность двигателя в кВА × %Z трансформатора) ÷ Номинальная мощность трансформатора в кВА

Расчёт выполнен для случая насосной станции при внутреннем сопротивлении 5,75 % с одним двигателем мощностью 200 л.с. класса F, запускающимся при работе двух других двигателей:

 

Трансформатор	Ток отсечки	Пусковая мощность в кВА	Рассчитанная просадка
500 КВА	8696 кВА	1060 кВА	12.2%
750 кВА	13043 кВА	1060 кВА	8.1%
1000 кВА	17391 кВА	1060 кВА	6.1%

 

Выделяются три ключевых момента. Во-первых, провал напряжения изменяется почти линейно в зависимости от номинальной мощности трансформатора в кВА, поэтому выбор мощности трансформатора фактически сводится к выбору допустимого провала. Во-вторых, импеданс сам по себе является регулирующим параметром: при мощности 500 кВА снижение импеданса с 5,75 % до 4,0 % уменьшает провал примерно до 8,5 % без необходимости увеличения мощности трансформатора. В-третьих, это предварительная оценка, а не замена полноценного расчёта. В ней не учитываются импеданс питающей сети и уже работающие двигатели на шине — оба этих фактора усиливают реальный провал, поэтому результат следует рассматривать с запасом, а не как окончательное значение.

Проведите те же расчёты для каждого двигателя, который может быть запущен при полной нагрузке предприятия, а затем — для наихудшего правдоподобного сочетания двигателей. Электросетевые компании и консалтинговые фирмы выполняют полный расчёт; поставщик трансформаторов, неспособный воспроизвести данную проверку, указывает лишь номинальную мощность в кВА, а не обеспечивает решение всей системы.

 

Допустимая глубина провала и реальные причины отключения

 

Целевое значение провала, используемое при предварительной оценке большинства промышленных проектов, — это провал напряжения не более 10 % на клеммах двигателя при пуске. На выделенной линии электропитания, где ничего чувствительного не подключено к одной шине, иногда допускается снижение напряжения до 15 %, однако такое решение должен принять электрический инженер завода в письменной форме, а не выявлять его в ходе пусконаладочных работ.

Предел установлен строже, чем требуется двигателю, поскольку двигатель редко является первым устройством, реагирующим на проблему:

• Контакторы обычно рассчитаны на удержание в замкнутом состоянии при напряжении катушки не ниже примерно 85 % номинального значения, поэтому снижение напряжения на 15 % может привести к размыканию пускателя, хотя сам двигатель при этом продолжал бы работать.
• Преобразователи частоты и источники питания способны «пережидать» провал напряжения только в течение времени удержания их постоянного тока на шине.
• Реле минимального напряжения, защищающие другое оборудование, часто настроены на отключение при снижении напряжения более чем на 20 %, что превращает пуск одного двигателя в аварию всего предприятия.
• Ограничения по мерцанию напряжения со стороны энергоснабжающей организации могут ограничивать частоту повторных пусков при использовании общей линии электропитания, даже если все нагрузки на объекте способны выдерживать такие провалы.

Защита двигателя во время пуска — отдельная тема, а отраслевым справочным документом по этому вопросу является стандарт IEEE 3004.8, Рекомендуемая практика защиты электродвигателей в промышленных и коммерческих системах электроснабжения , охватывающая пуск, переключение на резервную шину и защиту от пониженного напряжения как для стартеров с управлением контактором, так и для стартеров с управлением автоматическим выключателем.

 

Технические решения, которые действительно устраняют провал напряжения

 

Как только цифры представлены, варианты сами распределяются по стоимости и побочным эффектам.

• Приобрести трансформатор большей мощности в кВА. Прямо пропорционально, просто и одновременно повышает доступный ток короткого замыкания, что может потребовать пересмотра номиналов оборудования на стороне низшего напряжения.
• Указать меньшее значение импеданса. Эффективно, однако меньшее значение %Z означает больший ток короткого замыкания и большие механические усилия на обмотках при коротком замыкании. Указывайте его как целевое значение с допуском, а не как пожелание.
• Выделить крупному электродвигателю собственный трансформатор. Изоляция зачастую дешевле, чем увеличение мощности общего трансформатора, и предотвращает нарушение технологической линии при пуске насоса.
• Выберите метод пуска осознанно. Пускатель с автотрансформатором на отводе 65 % снижает ток линии примерно до 42 % от прямого включения, поскольку момент и ток линии оба пропорциональны квадрату приложенного напряжения. Пуск «звезда–треугольник» обеспечивает примерно треть тока прямого включения. Устройство плавного пуска или частотный преобразователь обеспечивают наиболее плавную характеристику, однако добавляют собственные требования по гармоникам и защите трансформатора.
• Проверьте тепловую нагрузку, а не только провал напряжения. Повторные пуски нагревают обмотку. Трансформатор, прошедший расчёт для одного пуска, может не соответствовать спецификации, требующей шести пусков в час при полной окружающей температуре.
• Не рассчитывайте на то, что КПД двигателя окажет помощь. Двигатель класса NEMA Premium снижает потери в режиме работы — именно поэтому Министерство энергетики США поддерживает свою Моторных систем программу ресурсов — но он не снижает кВА при заблокированном роторе пусковые характеристики и КПД в режиме работы — это отдельные параметры, указанные на табличке.

Обратите внимание на различие от тока включения. Ток, вызывающий срабатывание автоматического выключателя при подключении ненагруженного трансформатора (так называемый «ток броска реактора»), представляет собой отдельное явление со своими специфическими последствиями, описанными в нашем руководстве по ток включения трансформатора . Оба явления могут возникать в рамках одного проекта; ни одно из них не устраняется решением другого.

 

Подход компании Ryan Electric к проектам с нагрузкой электродвигателей

 

Компания Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) производит трансформаторы с 2007 года и с 2023 года работает в качестве официального совместного предприятия Eaton. Проекты промышленных объектов с высокой долей нагрузки электродвигателей обычно поступают как запрос на силовой трансформатор питания или распределительный трансформатор с заданным значением импеданса и требованием к пусковому режиму; именно эту часть коммерческого предложения наши инженеры тщательно прорабатывают.

Большая часть работы выполняется на начальном этапе. Мы запрашиваем график электродвигателей — мощность в лошадиных силах, буквенный код, напряжение и способ пуска — ещё до определения номинальной мощности в кВА, поскольку выбор импеданса и конструкция обмоток зависят от расчёт мощности трансформатора для пуска двигателей расчёт, а не выбор по каталогу. Если проект требует определённой полосы импеданса, нестандартного диапазона отпаек или вторичной обмотки с двойным напряжением, такой трансформатор проходит тот же процесс индивидуального проектирования, что и трансформаторы для выпрямительных и печных применений. Сертификация охватывает стандарты UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS и CE; каждый блок поставляется с данными рутинных испытаний — коэффициент трансформации, сопротивление обмоток, импеданс, потери холостого хода, потери под нагрузкой и диэлектрические испытания, — чтобы команда пусконаладки могла проверить фактический импеданс поставляемого изделия по значению, использованному в расчётах.

 

 

 

Что включить в запрос коммерческого предложения (RFQ)

 

Пять пунктов превращают приблизительный запрос в техническое задание на трансформатор, пригодное для расчёта стоимости:

• График двигателей с указанием мощности в лошадиных силах, буквенного кода NEMA, напряжения и буквы конструкции (по NEMA) или класса пуска (по IEC).
• Способ пуска и соответствующий профиль тока в сети.
• Допустимое количество пусков в час и расчётная температура окружающей среды.
• Допустимое проседание напряжения и наличие уже выполненного расчёта пуска двигателя.
• Доступный ток короткого замыкания на первичной стороне, чтобы можно было согласовать значения импеданса и отключающей способности.

Отправьте эти пять пунктов, и предложение по трансформатору перестанет быть сравнением цен на основе предположений. Если у вас есть график двигателей и однолинейная схема, направьте их нам через нашу страницу контактов и наша инженерная команда предоставит рекомендации по номинальной мощности в кВА и импедансу, а также покажет расчёт провала напряжения.

О авторе — Данный справочник подготовлен группой инженеров по средневольтным трансформаторам компании Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd., производителя сухих, маслонаполненных, комплектных трансформаторных подстанций и компактных подстанций, базирующейся в Нантуне, и официального совместного предприятия Eaton с 2023 года. Группа оказывает поддержку промышленным, энергетическим и инфраструктурным проектам — от проверки технических требований до заводских испытаний приёмки, а также разрабатывает трансформаторы классов напряжения от 10 кВ до 110 кВ.