Скачки напряжения
На практике значения напряжения сильно варьируются. Это происходит по разным причинам. Например, вблизи трансформаторов низкого напряжения его значение будет выше на 3-5%.
Опыт показывает, что если на электродвигатель при полной нагрузке поступает напряжение на 10% ниже номинального, то потребляемый ток увеличивается примерно на 5%, а температура электродвигателя — на 20% (рис. 1). В пределе (например, при совпадении сдвига фаз и скачка напряжения) такое превышение может превзойти максимально допустимую температуру изоляции обмоток, что приведет к короткому замыканию и разрушению статора. Возникающее в результате пониженного напряжения длительное повышение температуры обмоток двигателя приводит к быстрому старению изоляции и, следовательно, к уменьшению срока службы.
При перенапряжении сети потребляемая мощность и теплообразование в обмотках электродвигателя также возрастают.
При измеренных на клеммах электродвигателя колебаниях напряжения в пределах +6/-10% от указанного в фирменной табличке номинального значения можно ожидать расчетного срока службы электродвигателя. Это произойдет в том случае, если потребляемый ток не превышает указанную на фирменной табличке величину при полной нагрузке, электродвигатель в достаточной мере охлаждается и не возникает никаких скачков напряжения или асимметрии.
Если перепады свыше допустимых пределов кратковременны, также не следует ожидать значительного сокращения срока службы электродвигателя, если только значения пиков не будут настолько велики, что это приведет к возникновению короткого замыкания в обмотках статора.
При постоянных или длительных колебаниях напряжения свыше +6/-10% следует выбрать более мощный электродвигатель. Для особенно сложных случаев ведущие компании разрабатывают специальные серии электродвигателей промышленного назначения (как правило, мощностью от 2,2 до 22 кВт) с высоким КПД. Они используются, например, в серийных скважинных насосах GRUNDFOS, которые с успехом применялись в различных регионах России.
Так, в г. Сухой Лог Свердловской области насосы серии SP-125, оборудованные УПП, обеспечивают водоснабжение города и прилегающих поселков и завода. Скачки напряжения здесь не редкость, но оборудование работает без проблем и позволило снизить электропотребление на 15%.
Особенностью электродвигателей промышленного назначения является также более эффективное охлаждение, благодаря увеличенной на 20-30% площади поверхности. Следовательно, они обладают значительно меньшей чувствительностью к пониженному напряжению, асимметрии фаз и недостаточному охлаждению. Промышленные электродвигатели устойчивее и к коррозии.
Наибольшей надежностью обладают электродвигатели промышленного назначения, защита которых осуществляется устройством МРТ 75 или блоком MP 204.
Асимметрия напряжения и тока
При минимальной асимметрии тока достигается максимальный КПД электродвигателя и наиболее длительный срок его службы. Вот почему важна равномерная нагрузка всех фаз.
Одинаковое номинальное напряжение должно подаваться на все три фазы. Но для предотвращения повышения или понижения напряжения на отдельных фазах при полной нагрузке сети все однофазные агрегаты должны быть равномерно распределены по трем фазам. Это необходимо сделать, поскольку такие устройства часто работают в режиме частых циклов включения/выключения и могут стать причиной асимметрии («перекоса») фаз.
Перекос фаз может быть вызван также асимметрией тока в линиях электропередач, а также изношенными либо окисленными контакторами. На случай возможной асимметрии в цепи нужно до включения электродвигателя в сеть проконсультироваться с представителями энергоснабжающего предприятия.
Асимметрия тока не должна превышать 5%, а при использовании пульта CU 3 – 10%. Ее рассчитывают по следующим двум формулам:
Максимальное значение служит в качестве выражения асимметрии тока. Ток следует измерять на всех трех фазах (рис. 2). Наилучшим способом подключения является тот, при котором получают минимальную асимметрию.
Для сохранения неизменного направления вращения вала при изменении способа подключения фазы нужно менять так, как показано на рис. 2 и таблице ниже.
Небольшая асимметрия напряжения приводит к большой асимметрии тока, что вызывает неравномерный нагрев обмоток статора и возникновение горячих зон и точечного нагрева. Эта связь графически показана на рис. 3. Рис. 3. Зависимость между асимметрией тока, напряжения и температурой ЭПРЕТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ
Гармоники напряжения
Сеть обеспечивает потребителей синусоидальным напряжением по всем трем фазам. Однако к полученному на электростанции синусоидальному напряжению в распределительной системе добавляются дополнительные гармоники, что также может негативно влиять на работу электродвигателя. На практике основными источниками гармоник становятся пять основных факторов:
– Преобразователь частоты без фильтра. На выходе преобразователей частоты типа PWM (широтно-импульсная модуляция), не оснащенных LC или RC-фильтрами, получается выходное напряжение, значительно отличающееся от идеальной синусоиды. Пики напряжения в зависимости от исполнения преобразователей могут достигать 850-1200 В (при длине соединительного кабеля 100 м).
С удлинением кабеля, соединяющего преобразователь частоты с электродвигателем, эти пики увеличиваются. При длине кабеля 200 м они удваиваются. Результатом такого увеличения становится снижение срока службы электродвигателя. Поэтому преобразователь частоты следует снабжать по меньшей мере RC-фильтром, что позволит обеспечить оптимальный срок службы электродвигателя.
Современные преобразователи частоты, оснащенные индуктивно-емкостными (LC) или резистивно-емкостными (RC) фильтрами, можно настолько надежно защитить предохранителями, что при соединении преобразователя частоты с электродвигателем кабелем длиной до 100 м не возникнет никаких пиков напряжения свыше 850 В. В этих условиях практически любой современный электродвигатель имеет приемлемый срок службы.
– Приборы, обеспечивающие плавный пуск электродвигателя. От подключенного к электродвигателю УПП поступает несинусоидальный ток, создающий в сети помехи. Но время ускорения/замедления электродвигателя очень коротко, и на практике эти помехи незаметны. Если же фаза пуска длится более 3 с, то температура обмоток электродвигателя возрастает и, следовательно, снижается его срок службы.
– Контакторы для крупных машин Пуск крупных машин осуществляется методом прямого подключения DOL или способом «звезда-треугольник». При этом может произойти искровой разряд. Если контакторы разомкнуты, это создает значительные пики напряжения, опасные для погружных электродвигателей в очень слабой сети.
– Конденсаторы в промышленных установках. В промышленных установках устанавливаются сложные приборы регулирования с многочисленными конденсаторами большой емкости, возвращающими пики напряжения в сеть. Опасность для погружных электродвигателей эти пики представляют лишь в случае слишком слабой сети.
– Удар молнии. Поражение высоковольтной сети создает скачки напряжения, которые частично поглощаются через молниеотвод на трансформаторной подстанции и отводятся на шину заземления. Если удар молнии попал в низковольтную сеть, то опасность возникновения скачков напряжения от 10 до 20 кВ существует только для распределительного шкафа насоса.
Если шкаф управления и сам электродвигатель не защищены громоотводом и заземлением, то установка может быть повреждена. Там, где часты удары молнии, наилучший способ защиты электродвигателей погружных насосов – установить молниеотвод на приводной стороне главного выключателя и соединить его со стержневым заземлителем или, по возможности, с водоподъемной трубой скважины в том случае, если эта труба изготовлена из стали.
Современные погружные электродвигатели (например, GRUNDFOS MS 402) имеют класс защиты изоляции до 15 кВ. Это – максимальное значение напряжения, которое может пройти через электродвигатель: например, при ударах молнии вблизи него. Поэтому нет необходимости в дополнительной молниезащите, хотя здесь не учитываются прямые удары молнии, что маловероятно.
Использование современного насосного оборудования – не дань моде, а требование времени. Подобные агрегаты надежны, имеют высокий КПД, быстро окупаются и способны обеспечить впечатляющую экономию электроэнергии. И для того чтобы максимально эффективно использовать эти преимущества, необходимо учитывать накопленный опыт эксплуатации в сложных российских условиях.
