Разбирање на електричниот дисбаланс
Електричен дисбаланс — исто така наречена фазна нерамнотежа, фазна нерамнотежа, напонска нерамнотежа или струјна нерамнотежа — е состојба во трифазен систем каде што напоните или струите во трите фази се нееднакви по големина, или не се разделени со точно 120 електрични степени. Оваа асиметрија, без разлика дали потекнува од напојувањето или внатре во мотор намотките, создава неурамнотежени електромагнетни сили, прекумерно загревање на намотките, струи со негативна секвенца, пулсации на вртежниот момент и карактеристична вибрации при двојната фреквенција на мрежата.
Она што ја прави електричната нерамнотежа измамлива е ефектот на засилување: дури и мала напонска нерамнотежа од 2–3% може да предизвика струјна нерамнотежа шест до десет пати поголема, тивко еродирајќи ја ефикасноста на моторот, топлинската резерва и векот на изолацијата. Тоа е еден од најчестите — и најзапоставените — проблеми во индустриските постројки, што произлегува од проблеми со напојувањето од мрежата, лоша дистрибуција во постројката или дефекти во самиот мотор. Бидејќи неговиот вибрациски потпис дели фреквенции со неколку навистина механички дефекти, тоа е и една од најчесто погрешно дијагностицираните состојби со кои се среќава тимот за одржување.
1. Што е фазна нерамнотежа? Напонска, струјна и фазно-аголна нерамнотежа
“Фазна нерамнотежа” е секојдневниот назив во погонот за истата состојба, и таа се појавува во три различни но поврзани форми. Важно е да знаете која од нив ја мерите: напонската нерамнотежа е причината што напојувањето му ја наметнува на моторот, додека струјната нерамнотежа е засилениот ефект што моторот го трпи како одговор.
Напонска нерамнотежа
Напонската нерамнотежа е нееднаквоста на трите меѓуфазни (или фаза-неутрала) напони. Се мери со отчитување на напонот меѓу секој пар фази — AB, BC и CA — и се изразува како процент со примена на дефиницијата на NEMA: % напонска нерамнотежа = (максимално отстапување од просекот ÷ просекот) × 100. Како практичен пример, фази од 477 V, 480 V и 483 V имаат просек од 480 V; максималното отстапување е 3 V, што дава 0.625% нерамнотежа. NEMA MG-1 смета дека сè под 1% е прифатливо, додека IEC практиката толерира до околу 2%. Напонската нерамнотежа е параметарот што прво треба да се следи, бидејќи е основниот двигател на речиси сè што следува.
Струјна нерамнотежа
Струјната нерамнотежа е нееднаквоста на трите фазни струи (IA, IB, IC), измерени со струјни клешти и пресметани со истата формула за максимално отстапување. Клучниот факт за струјната нерамнотежа е нејзината чувствителност: бидејќи импеданцата на негативна секвенца на моторот’ е ниска, умерената напонска нерамнотежа се засилува во струјна нерамнотежа приближно шест до десет пати поголема. Едвај забележлива напонска нерамнотежа од 1% затоа може да се појави како струјна нерамнотежа од 6–10% — што е токму причината зошто струјата е почувствителна мерка за рано предупредување, и зошто растечка струјна нерамнотежа при инаку стабилно напојување укажува на дефект што се развива внатре во моторот.
Фазно-аголна нерамнотежа
Третата форма е аголна: трите фазори веќе не се разделени со точно 120°, дури и ако нивните големини се еднакви. Ова е поретко од нерамнотежата по големина и не може да се види со обичен волтметар — потребен е анализатор на квалитетот на електричната енергија што ги разрешува односите меѓу фазорите. Аголната нерамнотежа создава исти пулсации на вртежниот момент и дополнително загревање како нерамнотежата по големина, и двете често се јавуваат заедно.
2. Како електричната нерамнотежа создава вибрации кај моторите
Врската меѓу електричната асиметрија и механичката вибрација оди преку магнетното поле во воздушниот зјај. Кај урамнотежена машина ротирачкото поле е мазно и радијалните магнетни сили се собираат во стабилно, симетрично привлекување. Нерамнотежата ја нарушува таа симетрија и воведува негативно-секвенцна компонента — поле што ротира наназад во однос на главното поле — што пулсира наспроти него и ја модулира магнетната сила.
Доминантниот резултат е вибрација при двојната фреквенција на мрежата: 100 Hz при напојување од 50 Hz, или 120 Hz при напојување од 60 Hz. Оваа 2× линиска компонента е чисто електромагнетна по потекло — тоа е пулсирачката привлечна сила преку воздушна празнина, а не механичка сила од ротирачката маса. Нејзината амплитуда расте со степенот на нерамнотежата, така што влошено напојување или дефект на намотка што се развива се појавува како постојано растечки врв на 100/120 Hz во спектар.
Втор, посуптилен потпис се појавува при 1× работна брзина, модулиран со фреквенцијата на минување на половите со лизгање (бројот на полови помножен со фреквенцијата на лизгање). Оваа модулација на минување на полови создава странични ленти околу врвот на работната брзина и е класичен отпечаток на електрични проблеми поврзани со роторот, како што се скршени прачки на роторот. Правилното читање на овие странични ленти е тоа што му овозможува на аналитичарот да ја разликува нерамнотежата од страна на напојувањето од дефект вграден во роторот.
3. Разликување на електрична од механичка нерамнотежа
Бидејќи електромагнетната 2× компонента на линиската фреквенција лежи многу блиску до двојната работна брзина кај двополен мотор, редовно се меша со механички дефекти како што се неосовиненост или разлабавеност, кои исто така генерираат енергија при 2× брзина на вратилото. Нивното разликување е најкорисната поединечна дијагностичка вештина за вибрации на мотори, и постојат два сигурни теста.
Првиот е прецизност на фреквенцијата. Електричната компонента е заклучена на мрежата на точно 100 Hz или 120 Hz, додека механичкиот 2× се наоѓа на двојната вистинска работна брзина — која, поради лизгањето на индукцискиот мотор, е секогаш малку под двојната синхрона брзина. Со доволна спектрална резолуција врвовите се раздвојуваат: врв заклучен на мрежата што не се поместува со оптоварувањето е електричен; врв што ја следи брзината на вратилото е механички.
Вториот — и најодлучувачки — е тест со исклучување на напојувањето. Набљудувајте го сомнителниот врв во реално време и прекинете го напојувањето на моторот. Вистинската електрична компонента исчезнува моментално при исклучувањето, бидејќи магнетното побудување исчезнува во моментот кога струјата запира, додека механичката компонента постепено се намалува како што роторот се врти до застанување. Овој тест на моментално исчезнување е класичниот, недвосмислен начин за потврдување на електричното потекло, а за него не е потребно ништо повеќе од приказ на спектарот во живо и копчето за застанување.
4. Причини за електричен дисбаланс
Изворите на дисбалансот природно се делат во три слоја, движејќи се од мрежата навнатре кон машината.
Проблеми со напојувањето од мрежата
На страната на напојувањето, дисбалансот најчесто потекнува од небалансирани дистрибутивни трансформатори, големи еднофазни оптоварувања поврзани на една фаза од трифазен приклучок, нееднаков импеданс меѓу долгите преносни води или пошироки дефекти во електричната мрежа. Тие создаваат напонски дисбаланс кој е присутен уште пред напојувањето воопшто да влезе во зградата, и се дијагностицираат со мерење на влезот на приклучокот.
Дистрибуција во постројката
Во внатрешноста на постројката, вообичаените виновници се единечен приклучок со висок отпор во една фаза, прегорен осигурувач кој делумно губи една фаза, нееднакви должини на кабли што им даваат на спроводниците различни импеданси или — во екстремен случај — еднофазирање, целосна загуба на една фаза. Разлабавена или корозирана клема е најчестата и најлесно отстранлива од овие, и често се манифестира како дисбаланс кој се влошува под оптоварување како што спојот се загрева.
Причини во внатрешноста на моторот
Кога напојувањето е потврдено како балансирано, но струјата не е, дефектот е во внатрешноста на моторот. Меѓунавивни кратки споеви ги намалуваат ефективните навивки во една фаза; варијацијата при производството може да ги остави отпорите на намотките малку нееднакви; клемните врски се деградираат; а делумните кратки или прекинати кола во оштетена намотка создаваат сериозна асиметрија — сето тоа се преклопува со пошироки дефекти на статорската намотка. Ексцентричноста на воздушниот процеп — ротор кој не е центриран во отворот — е поврзана електромагнетна причина која создава свој сопствен небалансиран магнетен привлек и често ги придружува проблемите со намотките.
5. Влијанија врз перформансите на моторот
Прегревање
Прегревањето е најсериозната последица и механизмот преку кој дисбалансот ги уништува моторите. Асиметријата создава струи со негативна секвенца кои дисипираат дополнителна топлина, додека една фаза на крајот носи далеку повеќе струја отколку што е проектирана. Порастот на температурата е несразмерен со причината: емпириско правило вели дека 3% напонски дисбаланс може да предизвика пораст на температурата на намотката од 18–25%. Бидејќи векот на изолацијата приближно се преполовува за секои дополнителни 10 °C, резултатот е брзо стареење на изолацијата и предвремен дефект — 3% напонски дисбаланс може да го намали векот на моторот дури за половина.
Ефикасност, фактор на моќност и трошок за енергија
Дисбалансот ја намалува ефикасноста преку циркулирачки струи и струи со негативна секвенца кои не вршат корисна работа, го намалува факторот на моќност и ја зголемува вкупната потрошувачка на енергија — типичен умерен дисбаланс чини 1–2% од ефикасноста. Дополнителното повлекување лесно се потценува во текот на една година непрекинато работење; Калкулатор за моќност на трифазен мотор помага да се квантифицира дополнителната влезна моќност што ја троши дисбалансот.
Пулсации на вртежниот момент и вибрации
Електрично, полето со негативна секвенца создава пулсирачки вртежен момент на двократна мрежна фреквенција кој предизвикува торзиона вибрација во преносниот склоп и може да побуди торзиони резонанции. Радијално, истото побудување се појавува како вибрација од 100/120 Hz опишана погоре, чија амплитуда е пропорционална на степенот на дисбалансот и која лесно се меша со дефекти на статорот или магнетен привлек бидејќи сите тие постојат на истите електрични фреквенции.
Намален работен век и дератирање
Земено заедно, термичкото напрегање го скратува векот на изолацијата и го принудува моторот да работи под неговиот номинален капацитет од натписната плочка. NEMA се справува со ова директно преку крива на дератирање: над 1% напонски дисбаланс употребливиот капацитет на моторот мора да се намали, а при 5% дисбаланс факторот на дератирање паѓа на приближно 0,75 — што значи дека една четвртина од номиналниот излез на моторот се жртвува само за да се задржи во термичките граници.
6. NEMA и IEC граници за напонски и струен дисбаланс
Два стандарди ги дефинираат прифатливите граници и тие користат малку различни дефиниции, па затоа вреди да се биде прецизен за тоа кој од нив следи одредено мерење.
NEMA MG-1 го дефинира напонскиот дисбаланс како максималното отстапување од просекот поделено со просекот (формулата користена низ целиот овој напис) и препорачува моторите да работат на напојувања со не повеќе од 1% напонски дисбаланс. Над тоа, NEMA бара моторот да се дератира по неговата објавена крива; таа изречно предупредува против работење на мотор каде напонскиот дисбаланс надминува 5%.
IEC ја користи дефиницијата на симетрични компоненти — односот на напонот со негативна секвенца кон напонот со позитивна секвенца — и генерално толерира до околу 2% при непрекинато работење. За малите дисбаланси што се среќаваат во пракса, двете дефиниции даваат слични бројки, но за известување и приемно тестирање е важно која од нив се наведува.
За струјата не постои единствена универзална граница, но широко користена практична насока е струениот дисбаланс да се задржи под околу 10%, да се истражува над тоа, и сè што е над таа граница да се третира како дефект во развој. Поради засилувањето од шест до десет пати, задржувањето на напонскиот дисбаланс под целта од 1% на NEMA е најефикасниот начин струениот дисбаланс да се задржи во овој опсег. Калкулатор за струја од натписната плочка на моторот ја дава очекуваната струја при полно оптоварување со која се споредува секоја фаза.
7. Откривање и мерење
Читања на напонот и струјата
Започнете со електричните мерења, направени додека моторот работи под неговото нормално оптоварување. Отчитајте ги трите линиско-линиски напони на клемите на моторот — не на разводната табла на напојувањето — за да се опфати падот на напонот по напојните водови, потоа пресметајте го просекот и процентуалното отстапување. Продолжете со отчитување на секоја фазна струја со кушачки амперметар, споредете со очекуваната струја при полно оптоварување од натписната плочка, и пресметајте го струениот дисбаланс. Документирањето и следењето на трендот на двете вредности со текот на времето е тоа што едно еднократно отчитување го претвора во индикатор за рано предупредување.
Анализа на вибрации
Мерењето на вибрациите потврдува дали електричниот дисбаланс всушност достигнува до конструкцијата и со каква сериозност. Снимете го спектар на рамката на моторот и побарајте зголемен врв на точно 100 Hz или 120 Hz, споредете ја неговата амплитуда со референтната вредност на машината и користете ги тестовите на фреквенциска прецизност и исклучување на напојувањето од Дел 3 за да го одделите од механички 2× предизвикан од несоосност. Двоканален анализатор на вибрации со фина спектрална резолуција е вистинскиот алат, бидејќи одделувањето на линискиот врв од 100 Hz од механичкиот врв од 98–99 Hz бара резолуција што обичен мерач на вкупно ниво не може да ја обезбеди.
Термичко следење
Конечно, измерете ги температурите на намотката или рамката и побарајте температурен дисбаланс меѓу фазите или вкупна температура повисока отколку што оптоварувањето го оправдува. Бидејќи топлината е механизмот преку кој дисбалансот ја нанесува својата штета, термичка аномалија честопати се појавува истовремено со — или дури и пред — електричните симптоми.
8. Дијагностика со вибрационен анализатор
На терен, електричниот потпис на дисбалансот се дефинира со неговата прецизна, мрежно-заклучена фреквенција, а неговото јасно разрешување е задача за преносен анализатор. Двоканален инструмент како што е Balanset-1A ги мери вибрациите на рамот на моторот и покажува дали доминантниот врв паѓа на мрежно-заклучените 100 Hz или 120 Hz — што укажува на електрична причина — или на 2× работната брзина, што пак би укажало на несоосност. Одлучувачката потврда останува тестот со исклучување на напојувањето: со живиот спектар на екранот, исклучете го напојувањето и набљудувајте како сомнителниот врв исчезнува моментално ако е електричен, или полека опаѓа заедно со роторот ако е механички. Калкулатор за фреквенција на електрични дефекти кај моторот ги наведува точните фреквенции поврзани со мрежата — 2× мрежна, странични ленти од поминување на полови и компоненти поврзани со лизгањето — што треба да се бараат, претворајќи го збунувачкиот нискофреквентен спектар во контролна листа.
9. Корекција, превенција и следење
Корекција на дисбалансот од страна на напојувањето
Кога дисбалансот е присутен на приклучокот за напојување, контактирајте ја електродистрибуцијата; во спротивно грешката е во зградата. Проверете и затегнете ја секоја врска во дистрибутивниот систем, потврдете дека осигурувачите и прекинувачите се исправни, прераспределете ги еднофазните оптоварувања рамномерно по трите фази и проверете ги поставките на изводите на трансформаторот. Изненадувачки голем дел од дисбалансот во погонот не е ништо повеќе од една лабава или оксидирана клема што носи повисока отпорност од своите соседи.
Корекција на проблеми од страна на моторот
Ако е потврдено дека напојувањето е избалансирано, но струјата не е, прво исчистете ги и затегнете ги приклучниците на моторот и кабелските врски, а потоа тестирајте за дефекти на намотките со помош на анализа на отпорноста на изолацијата и на струјниот потпис. Потврден внатрешен дефект на намотката значи премотување или замена на моторот — нема поправка на терен за краток спој меѓу навоите.
Деретирање, инсталација и постојано следење
Таму каде што дисбалансот не може да се елиминира, следете ја NEMA кривата за деретирање и намалете го оптоварувањето за да ги заштитите намотките, внимателно следејќи ја температурата. Спречете повторно појавување при инсталација така што ќе ја потврдите рамнотежата на напонот на приклучниците на моторот пред ставање под напон, ќе ги димензионирате проводниците за да го минимизирате падот на напон и ќе ја потврдите правилната врска ѕвезда наспроти триаголник. Во работа, земајте периодични мерења на напонот и струјата, вклопете ги во поширока следење на состојбата рутина со анализа на трендови, внимавајте на прегорени осигурувачи или исклучени прекинувачи и спроведете испитување на квалитетот на електричната енергија секаде каде што проблемите со моторите се повторуваат. Третирањето на дисбалансот како параметар што треба да се следи во тренд — наместо како грешка што се брка по настанат дефект — е она што го спречува тивко да го скратува векот на целиот парк мотори.
10. Често поставувани прашања
Која е разликата помеѓу напонски дисбаланс и струен дисбаланс?
Напонскиот дисбаланс е нееднаквоста на трите напони на напојување и обично е причината; струјниот дисбаланс е нееднаквоста на трите фазни струи и е засилениот ефект. Бидејќи импедансата на инверзната секвенца на моторот’ е ниска, мал напонски дисбаланс произведува струен дисбаланс шест до десет пати поголем, поради што струјата е почувствителното мерење за рано предупредување.
На која фреквенција се појавува електричниот дисбаланс во вибрациите?
На двојната мрежна фреквенција — 100 Hz при напојување од 50 Hz или 120 Hz при напојување од 60 Hz — бидејќи полето на инверзната секвенца ја модулира магнетната сила во воздушниот зазор со таа брзина. Електричните дефекти поврзани со роторот додаваат странични ленти околу 1× работната брзина на фреквенцијата на поминување на полови поврзана со лизгањето.
Како да го разликувам електричниот дисбаланс од механичкиот дисбаланс или несоосноста?
Користете го тестот со исклучување на напојувањето: исклучете го напојувањето на моторот што работи додека го набљудувате спектарот. Вистинската електрична компонента исчезнува моментално, додека механичката опаѓа додека роторот полека застанува по инерција. Мрежно-заклучен врв на точно 100/120 Hz што не се менува со оптоварувањето е исто така сигурен електричен индикатор.
Кое ниво на напонски дисбаланс е прифатливо?
NEMA MG-1 препорачува напонскиот дисбаланс да се одржува под 1% и бара деретирање над таа вредност, советувајќи против работа над 5%. IEC, користејќи дефиниција со симетрични компоненти, толерира до околу 2%. Одржувањето на напонскиот дисбаланс под 1% е најефективниот начин струјниот дисбаланс да се задржи во рамките на најчесто користеното теренско ограничување од 10%.
Зошто мал напонски дисбаланс предизвикува толку многу загревање?
Асиметријата создава струи на инверзна секвенца што течат наспроти ниската импеданса на инверзната секвенца на моторот, ослободувајќи дополнителна топлина, додека едната фаза е преоптоварена. Напонски дисбаланс од 3% може да ја зголеми температурата на намотките за 18–25% и приближно да го преполови векот на изолацијата.
Дали преносен вибрационен анализатор може да открие електричен дисбаланс?
Да. Двоканален анализатор како што е Balanset-1A го разрешува мрежно-заклучениот врв на 100/120 Hz, ви овозможува да го извршите тестот со исклучување на напојувањето и ги чита страничните ленти од поминување на полови што го разликуваат дисбалансот од страна на напојувањето од дефект на роторот — сето тоа без посебен инструмент за квалитет на електричната енергија.
