Влияние качества питающего напряжения на работу электродвигателя
- Введение
- Отклонения напряжения
- Несимметрия напряжения
- Гармонические искажения
- Колебания напряжения
- Измерение параметров качества электроэнергии
- Методы повышения качества электропитания
- Практические примеры и расчеты
- Экономическая эффективность мероприятий
- Рекомендуемые типы электродвигателей
- Заключение
- Источники и литература
Введение
Качество электроэнергии является одним из ключевых факторов, определяющих надежность, энергоэффективность и срок службы электрооборудования, в частности электродвигателей. В современных промышленных условиях наблюдается рост числа нелинейных нагрузок и источников электромагнитных помех, что приводит к ухудшению качества электроэнергии в сетях. Особенно остро эта проблема стоит в системах электроснабжения промышленных предприятий, где электродвигатели составляют более 60% общей потребляемой мощности.
Согласно данным исследований, некачественное электропитание является причиной до 40% всех отказов электродвигателей, что ведет к значительным экономическим потерям. При этом средний срок службы двигателя может снижаться на 25-30% при систематическом питании некачественной электроэнергией.
В данной статье рассматриваются основные показатели качества электроэнергии в соответствии с ГОСТ 32144-2013 "Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения" и их влияние на работу электродвигателей различных типов. Представлены методы измерения параметров качества, проанализированы практические примеры и приведены расчеты, демонстрирующие зависимость эксплуатационных характеристик двигателей от показателей качества питающего напряжения.
Отклонения напряжения
Отклонение напряжения — один из основных показателей качества электроэнергии, характеризующий отличие фактического действующего значения напряжения от номинального. Согласно ГОСТ 32144-2013, нормально допустимые значения отклонения напряжения на выводах электроприемников составляют ±5% от номинального значения, предельно допустимые — ±10%.
Повышенное напряжение
При повышении напряжения питания выше номинального значения в электродвигателе происходят следующие процессы:
- Увеличение магнитного потока в магнитной системе двигателя, что приводит к повышенной магнитной индукции в сердечнике и, как следствие, к увеличению потерь в стали;
- Повышение реактивной мощности, потребляемой двигателем;
- Снижение коэффициента мощности;
- Перегрев изоляции обмоток, что ускоряет процесс её старения;
- Снижение КПД двигателя.
При повышении напряжения на 10% от номинального потери в стали увеличиваются примерно на 21%, а потребление реактивной мощности возрастает на 20-25%. Срок службы изоляции может сократиться на 25-40% в зависимости от класса нагревостойкости.
Пониженное напряжение
При понижении напряжения питания ниже номинального значения наблюдаются следующие эффекты:
- Снижение вращающего момента двигателя (пропорционально квадрату напряжения);
- Увеличение потребляемого тока при неизменной механической нагрузке;
- Повышение потерь в обмотках статора и ротора (пропорционально квадрату тока);
- Снижение частоты вращения асинхронных двигателей;
- Затруднение пуска и возможность "опрокидывания" двигателя при нагрузке, близкой к номинальной.
При снижении напряжения на 10% от номинального пусковой момент асинхронного двигателя уменьшается на 19%, максимальный момент — на 19%, а номинальный скольжение увеличивается примерно на 23%. При этом потери в меди увеличиваются, а потери в стали уменьшаются. Общий КПД двигателя снижается.
Расчет допустимых отклонений
Относительное отклонение напряжения рассчитывается по формуле:
где:
- δU — относительное отклонение напряжения, %;
- U — фактическое действующее значение напряжения, В;
- Uном — номинальное значение напряжения, В.
Для оценки влияния отклонения напряжения на мощность, потребляемую двигателем, можно использовать следующую приближенную формулу:
где:
- P — фактическая потребляемая мощность, кВт;
- Pном — номинальная мощность двигателя, кВт;
- K — коэффициент, зависящий от типа двигателя и режима нагрузки (для асинхронных двигателей с номинальной нагрузкой K ≈ 0.4-0.6).
| Отклонение напряжения, % | Изменение момента, % | Изменение тока, % | Изменение потерь в меди, % | Изменение КПД, % |
|---|---|---|---|---|
| +10 | +21 | -7 | -14 | -2,5 |
| +5 | +10,3 | -3,5 | -7 | -1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| -5 | -9,8 | +5,6 | +11,5 | -2 |
| -10 | -19 | +11,4 | +23,5 | -3,5 |
Несимметрия напряжения
Несимметрия напряжения — это состояние трехфазной системы, при котором действующие значения фазных напряжений и/или углы между ними не равны между собой. Несимметрия возникает в результате несимметричной нагрузки фаз, неполнофазных режимов работы, несимметрии параметров элементов сети.
Последствия несимметрии
Воздействие несимметрии напряжения на электродвигатели проявляется в следующем:
- Возникновение магнитного поля обратной последовательности, создающего тормозящий момент;
- Значительное увеличение токов в обмотках отдельных фаз;
- Дополнительный нагрев обмоток статора и ротора;
- Возникновение вибрации и повышенного акустического шума;
- Снижение вращающего момента и КПД;
- Ускоренное старение изоляции обмоток.
При коэффициенте несимметрии напряжения 2% дополнительный нагрев обмоток асинхронного двигателя составляет примерно 8%, а при коэффициенте 4% — уже около 25%. Срок службы изоляции при этом может сократиться в 2-3 раза.
Расчет коэффициента несимметрии
Для оценки несимметрии используют коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности:
где:
- K2U — коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности, %;
- U2 — действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты, В;
- U1 — действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты, В.
Нормально допустимое значение K2U составляет 2%, предельно допустимое — 4%.
Для приближенной оценки дополнительного нагрева двигателя при несимметрии напряжения используется формула:
где Δθ — процент дополнительного нагрева обмоток.
| Коэффициент несимметрии K2U, % | Дополнительный нагрев обмоток, % | Снижение момента, % | Снижение срока службы, % |
|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 0,7 | 10 |
| 2 | 8 | 2,8 | 33 |
| 3 | 18 | 6,3 | 50 |
| 4 | 32 | 11,2 | 66 |
| 5 | 50 | 17,5 | 80 |
Гармонические искажения
Гармонические искажения напряжения и тока — это искажения синусоидальной формы кривой, вызванные наличием высших гармонических составляющих. Основными источниками гармоник являются нелинейные нагрузки: преобразователи частоты, выпрямители, импульсные блоки питания, дуговые печи и другое электрооборудование с нелинейной вольт-амперной характеристикой.
Влияние на электродвигатели
Гармонические искажения оказывают следующее негативное воздействие на электродвигатели:
- Дополнительные потери в стали и меди, вызванные высшими гармониками;
- Перегрев обмоток и магнитопровода;
- Повышенная вибрация и акустический шум из-за электромагнитных сил, создаваемых высшими гармониками;
- Возникновение пульсирующих или тормозящих моментов от гармоник;
- Увеличение токов подшипников, приводящих к их преждевременному износу;
- Снижение КПД и коэффициента мощности двигателя.
При коэффициенте искажения синусоидальности напряжения (THD) 5% дополнительные потери в асинхронном двигателе могут составлять 15-20%, а при THD 10% — до 50% и более. Каждый процент THD может сокращать срок службы двигателя на 1-3% в зависимости от его конструкции и режима работы.
Расчет коэффициента гармонических искажений
Для количественной оценки гармонических искажений используется коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения (THD — Total Harmonic Distortion):
где:
- THD — коэффициент искажения синусоидальности, %;
- Un — действующее значение n-й гармоники напряжения, В;
- U1 — действующее значение напряжения основной частоты, В.
Для оценки дополнительных потерь мощности в двигателе от высших гармоник можно использовать приближенное выражение:
где:
- ΔP — дополнительные потери мощности, Вт;
- Pном — номинальная мощность двигателя, Вт;
- a — коэффициент, учитывающий конструкцию двигателя (обычно a = 0.1-0.15);
- bn — коэффициенты, зависящие от порядка гармоники.
| Порядок гармоники | 3 | 5 | 7 | 11 | 13 |
|---|---|---|---|---|---|
| Нормально допустимое значение, % | 5,0 | 6,0 | 5,0 | 3,5 | 3,0 |
| Предельно допустимое значение, % | 7,5 | 9,0 | 7,5 | 5,25 | 4,5 |
| Коэффициент bn | 0,08 | 0,04 | 0,03 | 0,02 | 0,02 |
Колебания напряжения
Колебания напряжения представляют собой серию изменений напряжения или циклическое изменение огибающей напряжения. Они вызываются работой мощных потребителей с резкопеременным характером нагрузки, таких как прокатные станы, дуговые сталеплавильные печи, сварочные аппараты, мощные электродвигатели с частыми пусками.
Провалы и всплески напряжения
Провал напряжения — это внезапное снижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9 Uном с последующим восстановлением до первоначального или близкого к нему уровня. Всплеск напряжения — это кратковременное повышение напряжения выше 1,1 Uном.
Воздействие на электродвигатели:
- При провалах напряжения происходит снижение момента двигателя, что может привести к его останову при глубоких или продолжительных провалах;
- После восстановления напряжения возникают переходные процессы с высокими пусковыми токами;
- Частые провалы приводят к тепловым перегрузкам и механическим ударам в системе двигатель-нагрузка;
- Всплески напряжения вызывают повышенный нагрев и ускоренное старение изоляции;
- Работа защит и автоматики может нарушаться при колебаниях напряжения.
Провал напряжения до 70% от номинального значения длительностью 0,5 секунды может вызвать снижение скорости асинхронного двигателя на 15-20%, что для некоторых механизмов (например, насосов или вентиляторов) является допустимым, но для приводов с постоянным моментом нагрузки может привести к останову.
Фликер-эффект
Фликер — это субъективное восприятие человеком колебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения в электрической сети. Хотя фликер-эффект напрямую связан с воздействием на человека, те же колебания напряжения оказывают влияние и на электродвигатели.
Частые колебания напряжения с малой амплитудой (1-5%) приводят к:
- Дополнительному нагреву обмоток из-за колебаний тока;
- Повышенной вибрации и шуму;
- Колебаниям момента и скорости двигателя;
- Ускоренному износу механических частей (подшипников, муфт);
- Снижению точности регулирования в системах автоматического управления электроприводами.
Для оценки колебаний напряжения используют показатель кратковременной дозы фликера (Pst) и длительной дозы фликера (Plt). Нормально допустимое значение Pst составляет 1.0, предельно допустимое — 1.38.
Измерение параметров качества электроэнергии
Для оценки качества электроэнергии и выявления проблем с электропитанием электродвигателей необходимо проводить измерения следующих параметров:
- Действующие значения фазных и линейных напряжений;
- Отклонения напряжения от номинальных значений;
- Коэффициенты несимметрии напряжения;
- Коэффициенты искажения синусоидальности напряжения;
- Спектральный состав гармоник напряжения и тока;
- Колебания напряжения и дозы фликера;
- Провалы и всплески напряжения, их глубина и длительность.
Измерения выполняются с помощью специализированных анализаторов качества электроэнергии, таких как Fluke 435-II, РЕСУРС-UF2M, Chauvin Arnoux C.A 8336 и других.
Для комплексной оценки следует выполнять непрерывный мониторинг в течение не менее 7 суток, с интервалом усреднения 10 минут, в соответствии с требованиями ГОСТ 32144-2013.
При исследовании влияния качества электроэнергии на работу электродвигателей рекомендуется одновременный мониторинг электрических параметров (напряжение, ток, мощность) и эксплуатационных характеристик двигателя (температура обмоток и подшипников, вибрация, скорость вращения).
Методы повышения качества электропитания
Существует ряд технических решений для улучшения качества электропитания электродвигателей и минимизации влияния негативных факторов:
Стабилизаторы напряжения
Для компенсации отклонений напряжения применяются:
- Электромеханические стабилизаторы (с сервоприводом);
- Электронные стабилизаторы на тиристорах или IGBT-транзисторах;
- Статические тиристорные компенсаторы (СТК);
- Вольтодобавочные трансформаторы и автотрансформаторы.
Для питания группы электродвигателей общей мощностью 200 кВт с напряжением 380 В при колебаниях напряжения в сети от -15% до +10% может быть применен трехфазный электронный стабилизатор мощностью 250 кВА с диапазоном регулирования ±20% и быстродействием 20 мс.
Фильтры гармоник
Для снижения гармонических искажений используются:
- Пассивные LC-фильтры, настроенные на частоты определенных гармоник;
- Широкополосные фильтры гармоник;
- Активные фильтры гармоник;
- Гибридные фильтрокомпенсирующие устройства.
Выбор типа фильтра зависит от спектрального состава гармоник, мощности системы и экономической целесообразности.
Компенсация реактивной мощности
Для улучшения коэффициента мощности и снижения потерь в сети применяются:
- Конденсаторные установки со ступенчатым регулированием;
- Тиристорные компенсаторы реактивной мощности;
- Синхронные компенсаторы;
- Активные компенсаторы реактивной мощности.
Важно отметить, что при наличии гармоник необходимо применять конденсаторные установки со специальными защитными реакторами, предотвращающими резонансные явления.
При применении компенсирующих устройств для электродвигателей, питаемых через преобразователи частоты, необходимо учитывать, что стандартные конденсаторные установки могут вызвать резонансные явления. В таких случаях следует применять фильтрокомпенсирующие устройства.
Практические примеры и расчеты
Рассмотрим практический пример оценки влияния качества электроэнергии на работу асинхронного электродвигателя мощностью 22 кВт, 380 В, 50 Гц.
Пример 1: Влияние отклонения напряжения на потери мощности
Исходные данные:
- Номинальная мощность двигателя: Pном = 22 кВт
- Номинальный КПД: η = 0,9 (90%)
- Отклонение напряжения: δU = -8%
Расчет:
Номинальные потери мощности составляют 2,2 кВт.
При отклонении напряжения -8% дополнительные потери в меди будут:
Суммарные потери составят 2,2 + 0,319 = 2,519 кВт, что увеличивает общие потери на 14,5%.
Пример 2: Расчет снижения срока службы при несимметрии напряжения
Исходные данные:
- Номинальный срок службы изоляции: T0 = 20 000 часов
- Коэффициент несимметрии: K2U = 3,5%
- Температура обмоток при симметричном напряжении: θ1 = 115°C
Расчет дополнительного нагрева:
Новая температура обмоток:
Согласно правилу Монтзингера, для изоляции класса F срок службы сокращается в 2 раза при повышении температуры на каждые 8-10°C. Следовательно:
Таким образом, срок службы двигателя сократится с 20 000 до 1 740 часов, то есть в 11,5 раз.
Пример 3: Экономическая оценка потерь от гармонических искажений
Исходные данные:
- Установленная мощность электродвигателей: Pуст = 500 кВт
- Коэффициент использования: Kи = 0,75
- Время работы: t = 8000 часов/год
- Коэффициент искажения синусоидальности: THD = 7%
- Тариф на электроэнергию: C = 5 руб/кВт·ч
Дополнительные потери от высших гармоник:
Годовые потери электроэнергии:
Годовые финансовые потери:
Таким образом, установка фильтрокомпенсирующих устройств для снижения THD до 2% может быть экономически целесообразна, если их стоимость с учетом монтажа и обслуживания не превышает срок окупаемости 2-3 года.
Экономическая эффективность мероприятий
Оценка экономической эффективности мероприятий по улучшению качества электропитания должна учитывать следующие факторы:
- Снижение затрат на электроэнергию за счет уменьшения потерь;
- Увеличение срока службы электродвигателей и сокращение затрат на ремонт и замену оборудования;
- Снижение числа аварийных ситуаций и простоев производства;
- Повышение производительности и качества продукции;
- Снижение штрафов за нарушение качества электроэнергии и превышение лимитов мощности.
Для типового промышленного предприятия с установленной мощностью электродвигателей 2 МВт внедрение комплекса мероприятий по улучшению качества электропитания может иметь следующий экономический эффект:
| Мероприятие | Капитальные затраты, тыс. руб. | Годовой экономический эффект, тыс. руб. | Срок окупаемости, лет |
|---|---|---|---|
| Установка стабилизаторов напряжения | 3 200 | 1 450 | 2,2 |
| Установка активных фильтров гармоник | 5 800 | 2 350 | 2,5 |
| Установка компенсаторов реактивной мощности | 2 100 | 1 200 | 1,75 |
| Симметрирование нагрузки по фазам | 850 | 560 | 1,5 |
| Комплексная система мониторинга качества электроэнергии | 1 200 | 480 | 2,5 |
Суммарный экономический эффект от внедрения комплекса мероприятий составляет около 6 млн руб. в год при сроке окупаемости 2,2 года.
Заключение
Качество питающего напряжения оказывает существенное влияние на эксплуатационные характеристики, энергоэффективность и срок службы электродвигателей. Основные показатели качества электроэнергии, критически важные для электродвигателей, включают отклонения напряжения, несимметрию, гармонические искажения и колебания напряжения.
Для обеспечения надежной и эффективной работы электродвигателей необходим комплексный подход, включающий:
- Регулярный мониторинг показателей качества электроэнергии;
- Внедрение технических средств для компенсации негативных факторов;
- Правильный выбор типа и мощности электродвигателей с учетом реальных условий эксплуатации;
- Проведение планово-предупредительных ремонтов и диагностики оборудования;
- Обучение персонала основам энергосбережения и эксплуатации электрооборудования.
Экономический эффект от внедрения мероприятий по улучшению качества электропитания может достигать 15-20% от годовых затрат на электроэнергию и обслуживание электродвигателей, что делает данное направление одним из наиболее перспективных в области промышленной энергоэффективности.
Источники и литература
- ГОСТ 32144-2013 "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения".
- ГОСТ Р 51317.4.15-2012 "Совместимость технических средств электромагнитная. Фликерметр. Функциональные и проектные требования".
- Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. - М.: Энергоатомиздат, 2010.
- Карташев И.И., Тульский В.Н. Управление качеством электроэнергии. - М.: Издательский дом МЭИ, 2017.
- Шидловский А.К., Куренный Э.Г. Введение в статистическую динамику систем электроснабжения. - Киев: Наукова думка, 2014.
- IEC 60034-1:2017 "Машины электрические вращающиеся. Часть 1: Номинальные значения параметров и эксплуатационные характеристики".
- IEEE Std 1159-2019 "Рекомендуемая практика для мониторинга качества электроэнергии".
- Dugan R.C., McGranaghan M.F., Santoso S., Beaty H.W. Electrical Power Systems Quality. - McGraw-Hill, 2012.
Отказ от ответственности: Данная статья носит ознакомительный характер. Информация, представленная в статье, основана на технических стандартах и научной литературе, актуальных на момент написания. Конкретные решения должны разрабатываться квалифицированными специалистами с учетом особенностей конкретных производственных условий. Автор и компания "Иннер Инжиниринг" не несут ответственности за возможные убытки, возникшие в результате использования представленной информации.
Купить электродвигатели по выгодной цене
Компания Иннер Инжиниринг предлагает широкий выбор электродвигателей(Взрывозащищенные, DIN, ГОСТ, Крановые, Однофазные 220В, Со встроенным тормозом, Степень защиты IP23, Тельферные). Выберите необходимые компоненты для вашего проекта и приобретите их у нас с гарантией качества и надежной доставкой.
Заказать сейчасВы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.
