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 при два пъти 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 фазов дисбаланс? Напрежение, ток и фазово-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: дисбалансът на напрежението е причина, която захранването налага на двигателя, докато токовият дисбаланс е усиленият ефект който двигателят страда в отговор.
Дисбаланс на напрежението
Дисбалансът на напрежението е неравномерността на трите линейни (или фазови към неутрал) напрежения. Той 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 пример: фази от 477 V, 480 V и 483 V осредняват 480 V; максималното отклонение е 3 V, което дава 0,625% дисбаланс. NEMA MG-1 счита всичко под 1% за приемливо, докато IEC практиката толерира до около 2%. Дисбалансът на напрежението е параметърът, който трябва да наблюдавате първо, защото той е главният движещ фактор на почти всичко, което следва.
Дисбаланс на тока
Токовият дисбаланс е неравномерността на трите фазови токове (IA, азB, азC), измерени с токови клещи и изчислени със същата формула за максимално отклонение. Основната характеристика на токовия дисбаланс е неговата чувствителност: тъй като импедансът на отрицателната последователност на двигателя е нисък, скромен дисбаланс на напрежението се усилва до дисбаланс на тока, приблизително шест до десет пъти по-голям. Едва забележим 1% дисбаланс на напрежението може да се появи като 6–10% дисбаланс на тока — което е точно защо токът е по-чувствителното измерване за ранно предупреждение и защо нарастващ токов дисбаланс при иначе стабилно захранване указва на развиващ се дефект вътре в двигателя.
Фазово-ъглов дисбаланс
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. Ъгловият дисбаланс произвежда същия 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 отрицателна последователност 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.
Първото е 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 приплъзването 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 тест при изключено захранване. 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 контакт с високо съпротивление в една фаза, изгорял предпазител, който частично губи една фаза, неравни дължини на кабелите, което дава на проводниците различни импеданси, или — в крайния случай — еднофазност, пълната загуба на една фаза. Разхлабена или корозирала клема е най-честата и най-лесно поправимата от тях, и често се проявява като небалансираност, която се влошава под натоварване, когато съединението се затопли.
Причини, свързани с двигателя
Когато захранването е проверено балансирано, но токът не е, повредата е вътре в мотора. Къси съединения между навивки намаляват ефективния брой навивки в една фаза; производствени отклонения могат да оставят съпротивленията на намотките леко неравномерни; клемните съединения се влошават; а частични къси съединения или прекъсвания в повредена намотка създават силна асиметрия — всичко това се припокрива с по-широки дефекти в намотката на статора. Ексцентричност на въздушната междина — ротор, който не е центриран в отвора на статора — е свързана електромагнитна причина, която произвежда собствено небалансирано магнитно привличане и често придружава проблемите на намотката.
5. Ефекти върху производителността на мотора
Прегряване
Прегряването е най-сериозното последствие и механизмът, чрез който небалансираността убива моторите. Асиметрията поражда токове на отрицателна последователност, които отделят допълнителна топлина, докато една фаза пренася много повече ток, отколкото е проектирана да поеме. Повишението на температурата е несъразмерно с причината: общоприето правило е, че 3% небалансираност на напрежението може да предизвика 18–25% повишение на температурата на намотката. Тъй като животът на изолацията се скъсява приблизително наполовина за всеки допълнителни 10 °C температура, резултатът е бързо стареене на изолацията и преждевременен отказ — 3% небалансираност на напрежението може да съкрати живота на мотора наполовина.
Ефективност, коефициент на мощност и енергийна цена
Небалансираността понижава ефективността чрез циркулиращи токове и токове на отрицателна последователност, които не извършват полезна работа, намалява коефициента на мощност и повишава общото потребление на енергия — типична умерена небалансираност струва 1–2% ефективност. Този допълнителен разход на енергия лесно се подценява през година 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 крива на понижаване на мощността: 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 амплитудата му с базовото ниво на машината, 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 неравномерността нанася щети, топлинната 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 честоти, свързани с мрежата — 2× мрежова честота, странични ленти от преминаването на полюсите и компоненти, свързани с приплъзването — за търсене, превръщайки объркан нискочестотен спектър в контролен списък.
9. Коригиране, предотвратяване и наблюдение
Коригиране на неравномерност от страната на захранването
Когато небалансираността е налична на входа на захранването, свържете се с електроразпределителното дружество; в противен случай проблемът е в сградата. Проверете и затегнете всяка връзка в системата за разпределение, проверете дали предпазителите и прекъсвачите са изправни, преразпределете еднофазните товари равномерно между трите фази и проверете настройките на трансформаторните отводи. Изненадващо голям дял от небалансираността в предприятието се дължи на нищо повече от един хлабав или окислен извод, който има по-високо съпротивление от съседните.
Коригиране на проблеми от страната на мотора
Ако захранването е проверено балансирано, но токът не е, първо почистете и затегнете клемите на мотора и кабелните връзки, след което проверете намотките за повреди чрез анализ на съпротивлението на изолацията и на токовия сигнал. Потвърдена вътрешна повреда в намотките означава пренавиване или смяна на мотора — не съществува ремонт на място за късо съединение между навивки.
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 рутина с анализ на тенденциите, следете за изгорели предпазители или задействани прекъсвачи, и провеждайте проучване на качеството на електрозахранването там, където проблемите с моторите се повтарят. Третирането на небалансираността като параметър за проследяване във времето — а не като повреда, преследвана след отказ — е това, което я предпазва от тихо скъсяване на живота на цялата 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 създава 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 изключване на захранването: прекъснете захранването на работещия двигател, докато наблюдавате спектъра. Истинският електрически компонент изчезва мигновено, докато механичният затихва постепенно, докато роторът спира. Пикът, заключен към линията точно при 100/120 Hz, който не се движи при натоварване, също е 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 изключване на захранването, и чете страничните ленти при честотата на преминаване на полюса, които разграничават небалансираност от захранването от неизправност на ротора — всичко това без отделен инструмент за качество на енергията.
