Підбір трансформатора для запуску двигуна: пояснення провалу напруги, струму при заблокованому роторі та імпедансу

Підбір трансформатора для запуску двигуна: пояснення провалу напруги, струму при заблокованому роторі та імпедансу

 

На минулому кварталі переробний харчовий завод у Затоці надіслав нам однолінійну схему, на якій було вказано три двигуни потужністю 200 к.с., підключені до одного трансформатора потужністю 1000 кВА, усі з прямим пуском. Трансформатор відповідав робочому навантаженню з запасом потужності. Аварія сталася під час першого пуску протягом дня: напруга на шині 480 В впала настільки, що лінійні контактори відключилися, двигун ніколи не досяг номінальної швидкості, і підприємство чекало електрика. Нічого не пошкоджено. розрахунок потужності трансформатора для пуску двигунів просто ніколи не виконувався.

Цей прогалина є типовою й коштує дорого. На табличці двигуна вказано потужність у кінських силах та струм при повному навантаженні. Але на ній не вказано, яку потужність у кВА має забезпечити трансформатор протягом секунд, поки ротор розганяється — а саме цей показник, а не робоче навантаження, зазвичай визначає, чи зможе шина зберегти стабільну напругу.

 

 

 

Чому пуск двигуна є проблемою трансформатора

 

Робочий двигун і пусковий двигун — це два різні навантаження, що мають однакову табличку. Під час роботи двигун індукційного типу споживає струм, близький до номінального, при коефіцієнті потужності приблизно 0,85–0,9, а навантаження переважно активне. У стані спокою імпеданс ротора різко зменшується, струм зростає приблизно в шість разів порівняно з номінальним для двигуна типу NEMA Design B, а коефіцієнт потужності падає до значення між 0,15 і 0,3.

Пусковий двигун споживає майже чисто реактивний струм. Для трансформатора та шини він виглядає як велика індуктивність, яку вмикають одночасно, а саме реактивний струм й викликає падіння напруги на імпедансі трансформатора.

Ось те, що найчастіше упускають покупці: це не дефект двигуна й не проблема, яку постачальник двигунів може вирішити за допомогою кращого класу ізоляції. Таке падіння — це властивість системи. Воно залежить від співвідношення між пусковою потужністю двигуна (кВА) та короткозамикною потужністю трансформатора, що означає розрахунок потужності трансформатора для пуску двигунів рішення щодо специфікації, яке приймається з боку трансформатора на кресленні.

Той самий фізичний подія визначає стандарт, яким користуються обидві сторони. NEMA MG 1 присвоює кожному двигуну літеру коду kVA при заблокованому роторі й визначає характеристики пуску, на які можуть покладатися користувачі — це корисний орієнтир, коли запит постачальника переростає у питання договору. NEMA Програма стандартів для двигунів і генераторів публікує цей документ.

 

Зчитування навантаження під час пуску з таблички двигуна

 

Літера коду — найшвидший спосіб отримати kVA при заблокованому роторі без технічного опису двигуна.

Вона безпосередньо перетворює кінські сили на kVA при заблокованому роторі й вказана на табличці кожного двигуна NEMA.

 

Літера коду	KVA при заблокованому роторі на одну кінську силу
E	4,5 – 4,99
F	5,0 – 5,59
Г	5,6 – 6,29
Г	6,3 – 7,09
J	7,1 – 7,99
К	8,0 – 8,99

 

Шкала від A до V зростає з кожною літерою, тому двигун із кодом K навантажує трансформатор приблизно на 60 % більше, ніж двигун із кодом F такої самої потужності. Початкове навантаження 200-кінськосилової одиниці з кодом F становить 1000–1118 кВ·А; та сама 200-кінськосилова одиниця з кодом K — 1600–1798 кВ·А. Зчитуйте літеру з реального табличного щитка, а не з каталогу, оскільки це єдиний параметр, який самостійно впливає на висновок щодо розміру обладнання.

Поряд із цим слід врахувати ще три деталі:

• Кількість пусків за годину. Кожен пуск є тепловим навантаженням як для двигуна, так і для обмотки трансформатора. Виробники двигунів надають криву допустимої кількості пусків за годину, а трансформатор має витримувати таке саме навантаження.
• Характеристика моменту навантаження. Центробіжний насос починає працювати майже без навантаження; конвеєр під навантаженням, компресор об’ємного типу або вентилятор з високою інерційністю можуть залишатися в діапазоні прискорення достатньо довго, щоб це мало значення.
• Спосіб пуску. Прямий пуск, автотрансформатор, «зірка–трикутник», м’який пуск та частотно-регульований привід створюють різні профілі струму на трансформаторі.

 

Розрахунок потужності трансформатора для пуску двигуна: розрахунок, який має бути в кожному запиті пропозиції.

 

Попередній розрахунок достатньо короткий, щоб виконати його вручну. Короткозамикна потужність трансформатора дорівнює його кВА, поділеному на відносний імпеданс у відсотках; пускова потужність двигуна в кВА, поділена на цю потужність і виражена у відсотках, дає приблизне падіння напруги:

% Падіння напруги ≈ (Пускова потужність двигуна в кВА × %Z трансформатора) ÷ Потужність трансформатора в кВА

Розрахунок для станції перекачування з імпедансом 5,75 %, коли один двигун потужністю 200 к.с. класу F запускається, а два інші працюють:

 

Трансформатор	Можливість короткого заклику	Пусковий кВА	Розраховане падіння
500 КВА	8 696 кВА	1,060 кВА	12.2%
750 кВА	13 043 кВА	1,060 кВА	8.1%
1 000 кВА	17 391 кВА	1,060 кВА	6.1%

 

Виділяються три моменти. По-перше, провал напруги майже лінійно залежить від номінальної потужності трансформатора у кВА, тому вибір потужності трансформатора — це, по суті, вибір припустимого провалу. По-друге, імпеданс є окремим регулювальним параметром: для трансформатора потужністю 500 кВА зниження імпедансу з 5,75 % до 4,0 % зменшує провал напруги приблизно до 8,5 % без необхідності заміни на більш потужну одиницю. По-третє, це лише попередній розрахунок, а не заміна повного технічного дослідження. У ньому не враховується імпеданс мережі електропостачання та вже працюючі двигуни на шині — обидва ці фактори збільшують реальний провал напруги; отже, слід залишати запас безпеки у результатах, а не сприймати їх як остаточні значення.

Проведіть такі самі розрахунки для кожного двигуна, який може запускатися під час роботи підприємства на повному навантаженні, а потім — ще раз для найгіршого правдоподібного поєднання таких двигунів. Електромережі та консалтингові компанії виконують повне дослідження; постачальник трансформаторів, який не може відтворити цей попередній розрахунок, надає лише значення кВА, а не системне рішення.

 

Який провал напруги є прийнятним і що саме викликає відключення

 

Цільове значення для попереднього розрахунку, яке застосовують у більшості промислових проектів, — це провал напруги на 10 % або менше на клемах двигуна під час запуску. На окремому живленні, де нічого чутливого не розділяє шину, іноді допускається 15 %, але це рішення має прийняти електричний інженер підприємства у письмовій формі, а не виявляти його під час введення в експлуатацію.

Причина, чому обмеження суворіше, ніж потреби двигуна, полягає в тому, що двигун рідко першим реагує на проблему:

• Контактори зазвичай розраховані на утримання в стані «ввімкнено» при напрузі на котушці не нижче 85 % від номінальної, тож провал напруги на 15 % може вимкнути пускач, який сам двигун би витримав.
• Перетворювачі частоти та джерела живлення «переживають» провал напруги лише протягом часу утримання напруги на їхній постійній шині (hold-up time).
• Реле мінімальної напруги, що захищають інше обладнання, часто налаштовують на спрацювання при провалі понад 20 %, через що запуск двигуна призводить до аварійного вимкнення всього підприємства.
• Обмеження мережевого мерехтіння, встановлені енергопостачальником, можуть обмежувати повторні запуски на спільному підключенні, навіть якщо кожне навантаження на об’єкті витримує провал напруги.

Захист двигуна під час запуску — це окрема тема, а галузевим стандартом є IEEE 3004.8, що Рекомендована практика захисту електродвигунів у промислових та комерційних електричних системах , яка охоплює пуск, переключення шин та захист від пониження напруги як для стартерів з керуванням контактором, так і для стартерів з керуванням автоматичним вимикачем.

 

Рішення щодо специфікацій, які справді усувають провал напруги

 

Як тільки цифри винесені на розгляд, варіанти самі розподіляються за вартістю та побічними ефектами.

• Збільшити кількість кВ·А. Прямо пропорційно, просто, але також збільшує доступний струм короткого замикання, що може змусити переглянути номінали нижчестоящого обладнання.
• Вказати менший імпеданс. Ефективно, але нижче значення %Z означає вищий струм КЗ та вищі механічні навантаження на обмотки під час короткого замикання. Вказуйте його як цільове значення з допустимим відхиленням, а не як побажання.
• Призначити великому двигуну окремий трансформатор. Ізоляція часто дешевша за збільшення потужності спільного трансформатора, а також запобігає порушенню технологічної лінії під час пуску насоса.
• Оберіть метод запуску свідомо. Автотрансформаторний пускач із відводом на 65 % зменшує струм у лінії приблизно до 42 % від струму при прямому підключенні, оскільки момент і струм у лінії пропорційні квадрату прикладеної напруги. Запуск «зірка–трикутник» забезпечує приблизно третину струму при прямому підключенні. М’який пускач або перетворювач частоти забезпечують найплавніший профіль, але вносять власні гармонічні спотворення та вимоги щодо захисту трансформатора.
• Перевіряйте тепловий режим, а не лише провал напруги. Повторні запуски нагрівають обмотку. Трансформатор, який витримує розрахунок для одного запуску, може не відповідати специфікації, що передбачає шість запусків на годину при повній навколишній температурі.
• Не очікуйте, що ефективність двигуна полегшить ситуацію. Двигун стандарту NEMA Premium зменшує втрати під час роботи — саме тому Міністерство енергетики США підтримує свою Електродвигунів програму ресурсів — але не зменшує kVA при заблокованому роторі . Показники пускової характеристики й ефективності під навантаженням — це окремі параметри, вказані на табличці двигуна.

Зверніть увагу на відмінність від струму включення. Струм, що виникає при підключенні ненавантаженого трансформатора й призводить до спрацьовування автоматичного вимикача, — це окреме явище з власними вимогами до специфікацій, про яке йдеться в нашому посібнику з ударний струм трансформатора . Обидва явища можуть спостерігатися в одному проекті; жодне з них не усуває інше.

 

Як компанія Ryan Electric підходить до проектів із навантаженням двигунів

 

Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) виготовляє трансформатори з 2007 року й з 2023 року є офіційним партнером у спільному підприємстві з Eaton. У промислових проектах із переважанням двигунів замовлення, як правило, надходять у вигляді вимог до потужнісний трансформатор або розподільного трансформатора з заданим значенням імпедансу й обов’язковими умовами пуску; саме цю частину комерційної пропозиції наші інженери ретельно розраховують.

Більшість роботи виконується на етапі підготовки. Ми вимагаємо графік двигунів — потужність у кінських силах, літерний код, напруга й метод пуску — ще до того, як визначаємо kVA, оскільки вибір імпедансу й конструкція обмоток залежать від розрахунок потужності трансформатора для пуску двигунів розрахунок, а не з каталогу. Якщо для проекту потрібна певна смуга імпедансу, незвичайний діапазон відводів або вторинна обмотка з подвійною напругою, такий проект проходить через той самий процес індивідуального проектування, що й трансформатори для випрямлячів та печей. Сертифікація охоплює стандарти UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS та CE, і кожна одиниця поставляється з даними рутинних випробувань — коефіцієнт трансформації, опір обмоток, імпеданс, втрати холостого ходу, втрати під навантаженням та діелектричні випробування — щоб комісія з введення в експлуатацію могла перевірити фактичне значення імпедансу порівняно з тим, на якому базувалося дослідження.

 

 

 

Що включати в запит пропозицій

 

П’ять пунктів перетворюють загальне запитання на специфікацію трансформатора, придатну для цитування:

• Графік двигунів із потужністю у кінських силах, літерою коду NEMA, напругою та літерою конструкції або класом пуску за IEC.
• Спосіб пуску та відповідний профіль струму в мережі.
• Допустима кількість пусків на годину та температура навколишнього середовища за проектом.
• Допустиме падіння напруги та те, чи вже проведено дослідження пуску двигунів.
• Доступний струм короткого замикання на первинній стороні, щоб можна було узгодити значення імпедансу та відключаючої здатності.

Надішліть ці п’ять пунктів, і цінове порівняння котирування трансформатора припинить бути порівнянням на основі припущень. Якщо у вас є графік електродвигунів і однолінійна схема, надішліть їх нам через нашу сторінку зв’язку і наша інженерна команда надішле вам рекомендацію щодо потужності у кВА та імпедансу разом із розрахунком провалу напруги.

Про автора — Цей посібник підготувала команда інженерів з середньонапружених трансформаторів компанії Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd., виробника сухих, масляних, опорних та компактних підстанцій із м. Нантун, офіційного спільного підприємства Eaton з 2023 року. Команда забезпечує підтримку промислових, енергетичних та інфраструктурних проектів — від перевірки технічних специфікацій до приймальних випробувань на заводі, а також займається проектуванням трансформаторів класів напруги від 10 кВ до 110 кВ.