Разбиране на електрическия дисбаланс
Електрически дисбаланс - наричан също фазов дисбаланс, небаланс между фазите, дисбаланс на напрежението или дисбаланс на тока — е състояние в трифазна система, при което напреженията или токовете в трите фази са неравни по големина или не са разделени от точно 120 електрически градуса. Тази асиметрия, независимо дали произхожда от захранването или вътре в мотор намотките, поражда небалансирани електромагнитни сили, прекомерно нагряване на намотките, токове на обратна последователност, пулсации на въртящия момент и характерна вибрация at twice the мрежова честота.
Това, което прави електрическия дисбаланс подвеждащ, е усилващият ефект: дори малък дисбаланс на напрежението от 2–3% може да доведе до дисбаланс на тока, шест до десет пъти по-голям, като незабелязано влошава ефективността на двигателя, топлинния резерв и живота на изолацията. Това е един от най-честите — и най-често пренебрегвани — проблеми в индустриалните предприятия, породен от проблеми в електроснабдяването, лошо вътрешнозаводско разпределение или дефекти в самия двигател. Тъй като вибрационният му признак споделя честоти с няколко действително механични повреди, това е и едно от най-често погрешно диагностицираните състояния, с които се сблъсква екипът по поддръжка.
1. Какво е фазово дисбалансиране? Напрежение, ток и фазов ъглов дисбаланс
“Фазов дисбаланс” е ежедневното наименование на производствената площадка за същото състояние и се проявява в три различни, но свързани форми. Знанието кое точно измервате е важно: напрежението дисбалансирано е причина, която захранването налага на двигателя, докато токовият дисбаланс е усиленият effect дисбаланс, който двигателят страда в отговор.
Несиметричност на напрежението
Напрежението дисбалансирано е неравномерността на трите линейни (или фазови към неутрал) напрежения. То се измерва чрез отчитане на напрежението между всяка фазова двойка — AB, BC и CA — и се изразява като процент, използвайки дефиницията на NEMA: % дисбаланс на напрежението = (максимално отклонение от средната стойност ÷ средната стойност) × 100. Като работилен пример, фази от 477 V, 480 V и 483 V осредняват 480 V; максималното отклонение е 3 V, дающо 0,625% дисбаланс. NEMA MG-1 счита всичко под 1% за приемливо, докато IEC практиката толерира до около 2%. Напрежението дисбалансирано е параметърът, който трябва да наблюдавате първо, защото е главния хидравличен фактор на почти всичко, което следва.
Асиметрия на тока
Токовият дисбаланс е неравномерността на трите фазови токове (IA, IB, IC), измерени със струмомер и изчислени със същата формула с максимално отклонение. Главното на токовия дисбаланс е неговата чувствителност: тъй като отрицателната последователност импеданс на двигателя е нисък, скромен напрежението дисбалансирано е умножен в токовия дисбаланс примерно шест до десет пъти по-голям. Едва забележим 1% напрежението дисбалансирано може да се появи като 6–10% токовия дисбаланс — което е точно защо токът е по-чувствителното измерване за рано предупреждение и защо нарастващо токов дисбаланс върху противоположно стабилно захранване указва на развиващ се дефект вътре в двигателя.
Фазово-ъглово несиметричност
Третата форма е ъглова: трите фазори вече не са разделени точно на 120°, дори ако техните величини са равни. Това е по-малко често от дисбалансирането с величина и не може да бъде видимо с прост волтметър — това изисква анализатор на качеството на мощност, който разрешава фазорните взаимоотношения. Ъгловия дисбаланс произвежда ugyanолкото пулсиращ момент и допълнително нагряване като дисбалансирането с величина, и двете често се случват заедно.
2. Как електрическия дисбаланс произвежда вибрация в двигателите
Връзката между електрическа асиметрия и механична вибрация минава през магнитното поле в въздушната междина. В балансирана машина ротиращото поле е гладко и радиалните магнитни сили сумират в постоянно, симетрично привличане. Дисбалансът нарушава тази симетрия и въвежда negative-sequence компонент — поле, ротиращо в обратна посока спрямо главното поле — което се сражда с него и модулира магнитната сила.
Доминиращият резултат е вибрация при двойна честота на мрежата: 100 Hz при захранване 50 Hz или 120 Hz при захранване 60 Hz. Този компонент 2× на мрежовата честота има чисто електромагнитен произход — това е пулсиращата притегателна сила през въздушна междина, не механична сила от ротиращата маса. Нейната амплитуда се мащабира със степента на дисбалансирането, така че влошаващо се захранване или развиващ се намотков дефект се появява като постоянно нарастващ пик от 100/120 Hz в спектър.
Второ, по-фин подпис се появява при 1× скорост на бягане, модулиран от честотата на преминаването на полюсите (броят на полюсите умножен по честотата на слипажа). Модулация на преминаването на полюсите създава странични ленти около пика на работната скорост и е класическия пръстен на роторния свързан електрически проблеми, такива като счупени роторни пръти. Правилното прочитане на тези странични ленти е това, което позволява на аналитика да разделя дисбалансирането на страната на захранването от дефект, вкоренен в ротора.
3. Разграничаване на електрическия от механическия дисбаланс
Тъй като електромагнитният 2× компонент на линейната честота седи много близо до два пъти работната скорост на двиполен двигател, той е редовно объркан с механични дефекти, както несъосност или люфт, които също генерират енергия с удвоена честота на вала. Разликата между тях е най-полезното диагностично умение при вибрацията на мотор, и има два надежни теста.
The first is точност на честотата. Електрически компонент е заключен към мрежата при точно 100 Hz или 120 Hz, докато механична удвоена честота се намира на удвоената честота на действителната работна скорост — която, поради проскользване на асинхронния мотор, винаги е малко по-ниска от удвоената синхронна скорост. При достатъчна спектрална разделителна способност пиковете се отделят: пик, заключен към линията, който не се движи при натоварване, е електрически; пик, който следва скоростта на вала, е механичен.
Вторият — и най-решаващ — е power-off test. Наблюдавайте подозрителния пик в реално време и изключете захранването на мотора. Истински електрически компонент изчезва моментално при изключване, защото магнитното въздействие изчезва в момента, в който спре токът, докато механичен компонент се затихва постепенно, когато роторът се заразмерява. Тестът за моментално изчезване е класическият, недвусмислен начин да се потвърди електрически произход, и не изисква нищо повече от живо спектрално изображение и стоп бутона.
4. Причини на електрическата небалансираност
Източниците на небалансираност се делят естествено на три слоя, движейки се от мрежата към машината.
Проблеми с комуналните услуги
При захранването небалансираност обикновено идва от небалансирани трансформатори на разпределението, големи еднофазни натоварвания свързани към един фаз на тривизна услуга, неравномерна импеданс сред дълги преносни линии, или по-широки условия на отказ на услугата. Те производят небалансираност на напрежението, която присъства преди силата да влезе в сградата, и се диагностицира чрез измерване при входа на услугата.
Разпределение на съоръженията
Вътре в завода обичайните виновници са един висок съпротивителен контакт на един фаз, прегоряла предпазител, която частично губи един фаз, неравни дължини на кабелите, дающи на проводниците различни импеданси, или — в крайния случай — еднофазност, пълната загуба на един фаз. Разхлабен или корозирал клемен е най-честият и най-лесно поправим от тях, и често се представя като небалансираност, която се влошава под натоварване, когато съединението се затопли.
Причини, свързани с двигателя
Когато захранването е проверено балансирано, но токът не е, отказът е вътре в мотора. Преходи намотка намаля на намотката в един фаз; производствена вариация може да остави съпротивленията на намотката неравномерни; терминални съединения деградирани; и частични късо съединения или разхвърляния в повредена намотка създават строга асиметрия — всички свързани с по-широко дефекти в намотката на статора. ЕAntónio еръг — ротор, който не е центриран в скучаенето — е свързана електромагнитна причина, която производи собствено небалансирано магнитно дърпане и често придружава проблемите на намотката.
5. Ефекти върху производителността на мотора
Прегряване
Прегряването е най-серьозното последствие и механизмът, чрез който небалансираност убива моторите. Асиметрията поставя отрицателни-последователни токове, които разсейват допълнителна топлина, докато един фаз пренася много повече ток, отколкото е разработен. Повишението на температурата е несъразмерно с причината: общо правило е, че 3% небалансираност на напрежението може да произведе 18–25% повишение на температурата на намотката. Тъй като животът на изолацията се приблизително удвоява за всеки допълнителен 10 °C на температура, резултатът е бързо стареене на изолацията и преждевременен отказ — 3% небалансираност на напрежението може да съкрати живота на мотора с до половина.
Ефективност, коефициент на мощност и енергийна цена
Небалансираност понижава ефективността чрез циркулиращи и отрицателни-последователни токове, които не вършат полезна работа, намалява коефициента на мощност и повишава общото потребление на енергия — типична умерена небалансираност струва 1–2% в ефективност. Допълнителното тегло е лесно да се подценяват през година на непрекъсната работа; Калкулатор за мощност на трифазен двигател помага да се количествува допълнителната входна мощност, която небалансираност разхищава.
Пулсации на въртящия момент и вибрация
Електрически, отрицателното-последователното поле произвежда пулсиращ момент при двойната честота на мрежата, който движи торсионни вибрации в трансмисията и може да възбуди торзионен резонанси. По радиален път, същото принудително действие се проявява като вибрацията 100/120 Hz, описана по-горе, чиято амплитуда е пропорционална на степента на дисбаланса и която често се бърка със статорни повреди или магнитно привличане, тъй като всички те се намират на едни и същи електрически честоти.
Намален експлоатационен живот и намаляване на мощността
Взети заедно, термичното напрежение съкращава живота на изолацията и принуждава мотора да се работи под номиналната му мощност. NEMA отговаря на това директно с derating curve: над 1% дисбаланс на напрежението използваемата мощност на мотора трябва да бъде намалена, а при 5% дисбаланс коефициентът на намаляване пада до приблизително 0,75 — което означава, че четвърт от номиналната мощност на мотора се жертва само за поддържането му в границите на термичните ограничения.
6. NEMA и IEC граници за дисбаланс на напрежението и тока
Два стандарта определят приемливите граници и те използват малко различни определения, затова е важно да бъде точно кой стандарт следва измерването.
NEMA MG-1 определя дисбаланса на напрежението като максималното отклонение от средната стойност, разделено на средната стойност (формулата, използвана в цялата статия) и препоръчва работа на моторите с захранване с не повече от 1% дисбаланс на напрежението. По-горе от това, NEMA изисква моторът да бъде понижен в мощност в съответствие с неговата публикувана крива; той явно съветва срещу експлоатация на мотор, където дисбалансът на напрежението надвишава 5%.
IEC използва дефиницията на симетричните компоненти — съотношението на напрежението с отрицателна последователност към напрежението с положителна последователност — и като цяло допуска до около 2% при непрекъсната работа. За малките дисбалансани, видни в практиката, двете определения дават подобни числа, но за отчитане и приемно тестване е важно кое се цитира.
За тока няма един универсален лимит, но широко използвано полевидно ръководство е да се держи дисбалансът на тока под около 10%, изследвайте по-горе от това и третирайте всичко надвишаващо го като развиваща се повреда. Поради усилването от шест до десет пъти, поддържането на дисбаланса на напрежението под целевата стойност NEMA 1% е най-ефективният начин за поддържане на дисбаланса на тока в този диапазон. Калкулатор за ток на табелката на двигателя дава очаквания ток при пълния товар за сравнение на всяка фаза.
7. Детекция и измерване
Отчетане на напрежението и тока
Започнете с електрическите измервания, направени с мотора работещ при нормалния си товар. Прочетете трите напрежения между линиите на клеми на мотора — не на табло на захранването — така че спадът на напрежението по проводниците да се улови, след това се изчислява средната стойност и процентното отклонение. Продължете с измерване с клемен амперметър на тока на всяка фаза, сравнете със очаквания номинален ток при пълно натоварване, и изчислете неравномерност на тока. Документирането и тренда на двете стойности във времето е това, което преобразува еднократно измерване в ранна индикатор за предупреждение.
Анализ на вибрациите
Измерването на вибрациите потвърждава дали електрическата неравномерност наистина достига конструкцията и с каква тежест. Заловете спектър на корпуса на мотора и потърсете повишен пик точно при 100 Hz или 120 Hz, сравнете неговата амплитуда със базовото хипотечно на машина, и използвайте тестовете на честотна прецизност и изключване на захранването от раздел 3, за да го отделите от механична 2× причинена от неправилност. Двуканален анализатор на вибрации с фина спектрална разделителна способност е подходящия инструмент, тъй като разделянето на линейна пик от 100 Hz от механичен пик от 98–99 Hz изисква разделителна способност, която прост общ нивелир не може да предостави.
Термичен мониторинг
Най-сетне измерете температурата на намотките или корпуса и потърсете неравномерност на температурата между фазите или обща температура, по-висока, отколкото товарът оправдава. Тъй като топлината е механизмът, чрез който неравномерност наносит щета, термална аномалия често се появява в стъпка с — или дори преди — електрическите симптоми.
8. Диагностика с вибрационен анализатор
На място, електрическият подпис на неравномерност се определя от неговата точна, мрежова честота, и разрешаването му чисто е работата на портативен анализатор. Двуканален инструмент, както Balanset-1A измерва вибрацията на корпуса на мотора и показва дали доминиращият пик попада на мрежовия 100 Hz или 120 Hz — насочвайки към електрическа причина — или на 2× скоростта на въртене, което би указало неправилност вместо това. Решаващото потвърждение остава тестът на изключване на захранването: с живия спектър на екрана, отрежете захранването и наблюдавайте подозрения пик да изчезне мигновено, ако е електрически, или да се кача надолу с ротора, ако е механичен. На Калкулатор за честота на електрически дефекти на двигателя списък на точните мрежови свързани честоти — 2× мрежа, полюсни преходни странични ленти и компоненти, свързани с проскочване — за търсене, превръщайки объркан нискочестотен спектър в контролен списък.
9. Коригиране, предотвратяване и наблюдение
Коригиране на неравномерност от страната на захранването
Когато неравномерност е налична на входа на услугата, свържете се с коммунално предприятие; в противен случай вината е в сградата. Проверете и затегнете всяка връзка в системата за разпределение, проверете дали предохранителите и прекъсвачите са интактни, преразпределете товарите с една фаза равномерно през трите фази и проверете настройките на преводача. Изненадващо голямо споделяне на неравномерност в растението е нищо повече от един хлабав или окислен терминал, който носи по-висока съпротива от съседите.
Коригиране на проблеми от страната на мотора
Ако захранването е проверено балансирано, но токът не е, очистете и затегнете клемите на мотора и кабелните връзки първо, след това тествайте намотки повреди, използвайки анализ на съпротива на изолация и подпис на ток. Потвърдена вътрешна повреда на намотките означава намотка или замяна на мотора — няма полево поправка за обратно към към комутатор.
Намаление, монтаж и продължаващо наблюдение
Когато неравномерност не може да бъде отстранена, следвайте кривата на намаление на NEMA и намалете товара, за да защитите намотките, наблюдавайки температурата внимателно. Предотвратете повторение при монтаж чрез проверка на баланса на напрежението на клемите на мотора преди включване, оразмеряване на проводници, за да минимизирате спада на напрежението, и потвърждаване на правилния wye-срещу-делта свързание. В службата вземете периодични показания на напрежението и тока, вкарайте ги в по-широк мониторинг на състоянието routine with анализ на тенденциите, следвайте спукани предохранители или спусни прекъсвачи, и пуснете проучване на качество на захранването, където проблемите с моторите се повтаряват. Третирането на неравномерност като параметър, който трябва да се тренда — а не като вина, която трябва да се преследва след отказ — е това, което я попречва от тихо скъсяване на живота на цяла популация от мотори.
10. Често задавани въпроси
Каква е разликата между неравномерност на напрежението и неравномерност на тока?
Неравномерност на напрежението е неравномерност на трите захранващи напрежения и обикновено е причина; неравномерност на тока е неравномерност на трите фазови тока и е усиления ефект. Тъй като отрицателната последователност на двигателя е нискоимпедансна, малка неравномерност на напрежението создава неравномерност на тока шест до десет пъти по-голяма, поради което токът е по-чувствителното измерване за ранна сигнализация.
При каква честота се проявява електрическата неравномерност в вибрацията?
При удвоената линейна честота — 100 Hz при захранване 50 Hz или 120 Hz при захранване 60 Hz — тъй като отрицателната последователност модулира магнитната сила в въздушния процеп при тази честота. Електрическите неизправности, свързани с ротора, добавят странични ленти около 1× скорост на въртене при честотата на преминаване на полюса.
Как да разграничам електрическата неравномерност от механична неравномерност или грешна центровка?
Използвайте теста при спиране на напрежението: прекъснете захранването на работещия двигател, докато наблюдавате спектъра. Истински електрически компонент изчезва мигновено, докато механичен такъв затихва при спиране на ротора. Върхът, заключен към линията при точно 100/120 Hz, който не се движи при натоварване, е също надеждна електрическа индикация.
Какво ниво на неравномерност на напрежението е допустимо?
NEMA MG-1 препоръчва да се поддържа неравномерност на напрежението под 1% и изисква намаляване на мощността над това ниво, препоръчвайки против експлоатация над 5%. IEC, използвайки определение със симетрични компоненти, допуска до около 2%. Поддържането на неравномерност на напрежението под 1% е най-ефективният начин да се поддържа неравномерност на тока в обичайния полев лимит от 10%.
Защо малка неравномерност на напрежението причинява толкова много топлина?
Асиметрията създава токове на отрицателна последователност, които текат срещу нискоимпедансната отрицателна последователност на двигателя, отделяйки допълнителна топлина, докато една фаза е претоварена. Неравномерност на напрежението от 3% може да повиши температурата на намотката на 18–25% и приблизително да съкрати живота на изолацията наполовина.
Може ли преносимият вибрационен анализатор да открие електрическата неравномерност?
Да. Двуканален анализатор като Balanset-1A разрешава върха, заключен към линията при 100/120 Hz, позволява изпълнението на теста при спиране, и чита странични ленти на честотата на преминаване на полюса, които разграничават неравномерност от захранването от неизправност на ротора — всичко това без отделен инструмент за качество на енергията.
