Понимание электрического дисбаланса
Электрический дисбаланс - также называемый дисбаланс фаз, перекос фаз, дисбаланс напряжения или дисбаланс тока - это состояние в трехфазной системе, когда напряжения или токи в трех фазах неравны по величине или не разделены ровно 120 электрическими градусами. Эта асимметрия, независимо от того, возникает ли она в источнике питания или внутри двигатель обмотки, создает несбалансированные электромагнитные силы, чрезмерный нагрев обмотки, токи отрицательной последовательности, пульсации крутящего момента и характерный вибрация в два раза больше частота сети.
Что делает электрический дисбаланс обманчивым, так это задействованный рычаг: даже небольшой дисбаланс напряжения в 2-3% может привести к дисбалансу тока в шесть-десять раз большему, незаметно снижая эффективность двигателя, тепловой запас и срок службы изоляции. Это одна из самых распространенных - и самых незаметных - проблем на промышленных объектах, возникающая из-за проблем с электроснабжением, плохого внутризаводского распределения или дефектов в самом двигателе. Поскольку его вибрация имеет общие частоты с несколькими истинными механическими неисправностями, он также является одним из наиболее часто неправильно диагностируемых состояний, с которыми сталкивается команда технического обслуживания.
1. Что такое дисбаланс фаз? Напряжение, ток и дисбаланс фаз
“Дисбаланс фаз” - это повседневное название того же состояния в цеху, и он проявляется в трех разных, но связанных между собой формах. Знание того, какую из них вы измеряете, имеет значение: дисбаланс напряжения - это причина, которую источник питания накладывает на двигатель, а дисбаланс тока - это усиленный эффект В ответ на это страдает двигатель.
Дисбаланс напряжения
Дисбаланс напряжения - это неравенство трех напряжений между линиями (или между нейтралью). Он измеряется путем считывания напряжения между каждой парой фаз - AB, BC и CA - и выражается в процентах по определению NEMA: Дисбаланс напряжения % = (максимальное отклонение от среднего значения ÷ среднее значение) × 100. В качестве рабочего примера: фазы 477 В, 480 В и 483 В имеют среднее значение 480 В; максимальное отклонение составляет 3 В, что дает дисбаланс 0,625%. NEMA MG-1 считает приемлемым все, что ниже 1%, в то время как практика IEC допускает до 2%. Дисбаланс напряжения - это параметр, на который следует обратить внимание в первую очередь, поскольку он является движущей силой почти всех последующих параметров.
Дисбаланс тока
Дисбаланс тока - это неравенство трех фазных токов (IA, IB, IC), измеряется с помощью клещевого измерителя и рассчитывается по той же формуле максимального отклонения. Главный факт о дисбалансе тока - его чувствительность: поскольку импеданс отрицательной последовательности двигателя низок, небольшой дисбаланс напряжения увеличивается до дисбаланса тока примерно в шесть-десять раз больше. Едва заметный дисбаланс напряжения 1% может выглядеть как дисбаланс тока 6-10% - именно поэтому ток является более чувствительным средством раннего предупреждения, и почему растущий дисбаланс тока при стабильном питании указывает на развивающуюся неисправность внутри двигателя.
Дисбаланс фаз и углов
Третья форма - угловая: три фазовращателя больше не разделены ровно 120°, даже если их величины равны. Такой дисбаланс встречается реже, чем дисбаланс по величине, и его нельзя увидеть с помощью простого вольтметра - для этого требуется анализатор качества электроэнергии, который позволяет определить соотношение фаз. Угловой дисбаланс вызывает такой же пульсирующий крутящий момент и дополнительный нагрев, как и дисбаланс по величине, и эти два явления часто встречаются вместе.
2. Как электрический дисбаланс вызывает вибрацию в двигателях
Связь между электрической асимметрией и механической вибрацией проходит через магнитное поле воздушного зазора. В сбалансированной машине вращающееся поле ровное, а радиальные магнитные силы складываются в устойчивое симметричное притяжение. Разбалансировка нарушает эту симметрию и вносит отрицательная последовательность компонент - поле, вращающееся в обратную сторону относительно основного поля, - который бьется о него и модулирует магнитную силу.
Доминирующим результатом является вибрация при вдвое выше частоты сети: 100 Гц при питании 50 Гц или 120 Гц при питании 60 Гц. Эта линейная составляющая 2× имеет чисто электромагнитное происхождение - она представляет собой пульсирующую притягивающую силу через воздушный зазор, а не механическая сила от вращающейся массы. Его амплитуда зависит от степени дисбаланса, поэтому ухудшение питания или повреждение обмотки проявляется в виде постоянно растущего пика 100/120 Гц в спектр.
Вторая, более тонкая подпись появляется на 1× частота вращения, модулируется частотой пропускания полюсов скольжения (число полюсов, умноженное на частоту скольжения). Эта полюсно-пропускающая модуляция создает боковые полосы вокруг пика частоты вращения и является классическим признаком электрических проблем, связанных с ротором, таких как сломанные роторные стержни. Правильное чтение этих боковых полос позволяет аналитику отделить дисбаланс со стороны питания от неисправности, заложенной в роторе.
3. Отличить электрический дисбаланс от механического
Поскольку электромагнитная составляющая линейной частоты 2× находится очень близко к удвоенной скорости вращения двухполюсного двигателя, ее часто путают с механическими неисправностями, такими как Перекос или ослабление, которые также генерируют энергию, превышающую скорость вращения вала в 2 раза. Отличить их друг от друга - самый полезный навык диагностики вибрации двигателя, и есть два надежных теста.
Первый - это точность частоты. Электрический компонент подключен к сети при именно 100 или 120 Гц, в то время как механический 2× находится на удвоенной фактической скорости вращения, которая, из-за скольжения асинхронного двигателя, всегда немного ниже удвоенной синхронной скорости. При достаточном спектральном разрешении пики разделяются: пик, привязанный к линии и не меняющийся в зависимости от нагрузки, - электрический; пик, отслеживающий скорость вращения вала, - механический.
Второй - и самый решающий - это тест на отключение питания. Наблюдайте за подозрительным пиком в реальном времени и отключите питание двигателя. Настоящий электрический компонент мгновенно исчезает при выключении, потому что магнитное воздействие исчезает в момент прекращения тока, в то время как механический компонент затухает постепенно, по мере выбега ротора вниз. Этот тест на мгновенное исчезновение - классический, однозначный способ подтверждения электрического происхождения, и для него не требуется ничего, кроме дисплея с живым спектром и кнопки "Стоп".
4. Причины электрического дисбаланса
Источники дисбаланса естественным образом делятся на три слоя, двигаясь от сети вглубь к машине.
Проблемы электроснабжения
Дисбаланс напряжения в сети обычно возникает из-за несбалансированности распределительных трансформаторов, больших однофазных нагрузок, подключенных к одной фазе трехфазной сети, неравномерного сопротивления длинных линий электропередач или более широких неисправностей в сети. Все это приводит к дисбалансу напряжения, который присутствует еще до того, как электроэнергия поступает в здание, и диагностируется путем измерения на входе в систему.
Распределение электроэнергии на объекте
Внутри установки обычно виновниками являются одно высокоомное соединение на одной фазе, перегоревший предохранитель, из-за которого частично пропадает фаза, неодинаковая длина кабеля, дающая разное сопротивление проводников, или - в крайнем случае - однофазность, полная потеря одной фазы. Ослабленная или корродированная клемма - самая частая и легко устранимая из них, и она часто проявляется в виде дисбаланса, который усиливается под нагрузкой по мере нагрева соединения.
Внутренние причины двигателя
Если питание проверено, а ток не сбалансирован, то неисправность находится внутри двигателя. Межвитковые замыкания уменьшают число эффективных витков в одной фазе; производственные отклонения могут привести к тому, что сопротивления обмоток окажутся немного неравными; ухудшается качество клеммных соединений; частичные короткие или обрывные замыкания в поврежденной обмотке создают сильную асимметрию - все это совпадает с более широкими дефекты обмотки статора. Эксцентриситет воздушного зазора - ротор не отцентрирован в отверстии - является сопутствующей электромагнитной причиной, которая создает собственную несбалансированную магнитную тягу и часто сопровождает проблемы с обмоткой.
5. Влияние на двигательную активность
Перегрев
Перегрев - самое серьезное последствие и механизм, с помощью которого дисбаланс убивает двигатели. Асимметрия создает токи отрицательной последовательности, которые рассеивают дополнительное тепло, а одна фаза в итоге проводит гораздо больший ток, чем тот, на который она рассчитана. Повышение температуры непропорционально причине: по эмпирическому правилу, дисбаланс напряжения 3% может привести к повышению температуры обмотки на 18-25%. Поскольку срок службы изоляции сокращается примерно вдвое на каждые 10 °C дополнительной температуры, результатом становится быстрое старение изоляции и ее преждевременный выход из строя - дисбаланс напряжения 3% может сократить срок службы двигателя почти вдвое.
Эффективность, коэффициент мощности и стоимость энергии
Дисбаланс снижает КПД за счет циркулирующих токов и токов отрицательной последовательности, которые не выполняют никакой полезной работы, снижает коэффициент мощности и повышает общее потребление энергии - типичный умеренный дисбаланс обходится в 1-2% по КПД. Дополнительное потребление легко недооценить в течение года непрерывной работы. Калькулятор мощности трехфазного двигателя позволяет количественно оценить дополнительную входную мощность, которую расходует дисбаланс.
Пульсации крутящего момента и вибрация
Электрически поле отрицательной последовательности создает пульсирующий момент с удвоенной частотой сети, который приводит в движение крутильные колебания в трансмиссии и может вызывать кручение резонансы. В радиальном направлении то же самое воздействие проявляется в виде описанной выше вибрации 100/120 Гц, амплитуда которой пропорциональна степени дисбаланса и которую легко принять за неисправность статора или магнитное притяжение, поскольку все они работают на одних и тех же электрических частотах.
Сокращение срока службы и снижение нагрузки
В совокупности тепловой стресс сокращает срок службы изоляции и вынуждает эксплуатировать двигатель ниже его паспортного номинала. NEMA решает эту проблему напрямую с помощью кривая понижения давленияПри дисбалансе напряжения свыше 1% полезная мощность двигателя должна быть снижена, а при дисбалансе 5% коэффициент снижения мощности падает примерно до 0,75 - это означает, что четверть номинальной мощности двигателя жертвуется просто для того, чтобы удержать его в тепловых пределах.
6. Пределы NEMA и IEC для дисбаланса напряжения и тока
Два стандарта определяют допустимые пределы, и в них используются немного разные определения, поэтому стоит точно знать, какому из них следует измерение.
NEMA MG-1 Определяет дисбаланс напряжения как максимальное отклонение от среднего значения, деленное на среднее значение (формула, используемая в данной статье), и рекомендует эксплуатировать двигатели при напряжении не более 1% дисбаланс напряжения. При превышении этого значения NEMA требует снижения мощности двигателя в соответствии с опубликованной кривой; она прямо рекомендует против при работе двигателя, где дисбаланс напряжения превышает 5%.
IEC Используется определение симметричной составляющей - отношение напряжения отрицательной последовательности к напряжению положительной последовательности - и обычно допускается до примерно 2% в непрерывном режиме работы. Для небольших дисбалансов, встречающихся на практике, оба определения дают одинаковые цифры, но для отчетности и приемочных испытаний важно, какое из них приводится.
Для тока не существует единого универсального предела, но широко используемые рекомендации по эксплуатации заключаются в том, чтобы дисбаланс тока не превышал примерно 10%, Проведите исследование выше этого значения и рассматривайте все, что выходит за его пределы, как развивающуюся неисправность. Из-за шести-десятикратного усиления, удерживание дисбаланса напряжения ниже целевого значения NEMA 1% является наиболее эффективным способом удержания дисбаланса тока в пределах этого диапазона. Сайт Калькулятор номинального тока двигателя дает ожидаемый ток полной нагрузки, с которым сравнивается каждая фаза.
7. Обнаружение и измерение
Показания напряжения и тока
Начните с электрических измерений, выполненных при работающем двигателе с нормальной нагрузкой. Считайте три значения напряжения между линиями на клеммы двигателя - а не на панели питания, чтобы зафиксировать падение напряжения на фидерах, затем вычислите среднее значение и процентное отклонение. После этого измерьте токи каждой фазы с помощью клещей и сравните с ожидаемыми значениями. паспортный ток полной нагрузки, и рассчитайте текущий дисбаланс. Документирование и динамика обоих значений во времени - это то, что превращает разовое показание в индикатор раннего предупреждения.
Анализ вибрации
Измерение вибрации подтверждает, действительно ли электрический дисбаланс достигает конструкции и с какой степенью тяжести. Захват спектр на раме двигателя и найдите повышенный пик точно на частоте 100 или 120 Гц, сравните его амплитуду с базовыми показателями машины и с помощью тестов на точность частоты и отключение питания, приведенных в разделе 3, отделите его от механического сигнала 2×, вызванного несоосностью. Двухканальный анализатор вибрации с тонким спектральным разрешением - это именно тот инструмент, который нужен, потому что для отделения линейного пика 100 Гц от механического пика 98-99 Гц требуется разрешение, которое не может обеспечить простой измеритель общего уровня.
Тепловой контроль
Наконец, измерьте температуру обмоток или каркаса и поищите дисбаланс температур между фазами или общую температуру, превышающую допустимую для нагрузки. Поскольку тепло - это механизм, с помощью которого дисбаланс наносит свой ущерб, тепловая аномалия часто проявляется одновременно с электрическими симптомами или даже опережает их.
8. Диагностика с помощью виброанализатора
В полевых условиях электрическая характеристика дисбаланса определяется точной частотой, привязанной к сети, и ее точное определение - задача портативного анализатора. Двухканальный прибор, такой как Балансет-1А Измеряет вибрацию на раме двигателя и показывает, находится ли доминирующий пик на привязанных к линии 100 или 120 Гц - что указывает на электрическую причину - или на 2× скорости вращения, что указывает на несоосность. Решающим подтверждением остается тест на отключение питания: отобразив на экране спектр в реальном времени, отключите питание и наблюдайте, как подозрительный пик мгновенно исчезает, если причина электрическая, или опускается вместе с ротором, если причина механическая. Сайт Калькулятор частоты электрических неисправностей электродвигателей Перечисляет точные частоты, связанные с линией - 2× линия, боковые полосы полюсных частот и компоненты, связанные с проскальзыванием, - которые следует искать, превращая запутанный низкочастотный спектр в контрольный список.
9. Коррекция, профилактика и мониторинг
Устранение дисбаланса на стороне питания
Если дисбаланс присутствует на входе в систему, обратитесь в коммунальную службу; в противном случае неисправность находится в здании. Проверьте и затяните все соединения в распределительной системе, убедитесь, что предохранители и выключатели исправны, равномерно перераспределите однофазную нагрузку между тремя фазами и проверьте настройки трансформатора. Удивительная доля дисбаланса в электросети - это не что иное, как одна ослабленная или окисленная клемма, имеющая более высокое сопротивление, чем соседние.
Устранение неисправностей со стороны двигателя
Если питание проверено на сбалансированность, а ток - нет, сначала очистите и затяните клеммы и кабельные соединения двигателя, а затем проверьте обмотку на наличие повреждений с помощью анализа сопротивления изоляции и токовой характеристики. Подтвержденное внутреннее повреждение обмотки означает перемотку или замену двигателя - короткое замыкание между витками не подлежит ремонту в полевых условиях.
Снятие с производства, установка и текущий контроль
Если дисбаланс устранить невозможно, следуйте кривой снижения напряжения NEMA и уменьшите нагрузку для защиты обмоток, внимательно следя за температурой. Предотвратите повторное возникновение при монтаже, проверив баланс напряжения на клеммах двигателя перед подачей питания, подобрав проводники так, чтобы минимизировать падение напряжения, и подтвердив правильность соединения "вай-вай" и "треугольник". В процессе эксплуатации периодически снимайте показания напряжения и тока, складывайте их в более широкую таблицу. мониторинг состояния рутина с анализ тенденций, следите за перегоревшими предохранителями или сработавшими прерывателями и проводите исследование качества электроэнергии в тех случаях, когда проблемы с двигателем повторяются. Отношение к дисбалансу как к параметру, который нужно отслеживать, а не как к неисправности, которую нужно преследовать после выхода из строя, - вот что не дает ему спокойно сократить срок службы целой группы двигателей.
10. Часто задаваемые вопросы
В чем разница между дисбалансом напряжения и дисбалансом тока?
Дисбаланс напряжения - это неравенство трех питающих напряжений и обычно является причиной; дисбаланс тока - это неравенство трех фазных токов и усиленный эффект. Поскольку сопротивление отрицательной последовательности двигателя невелико, небольшой дисбаланс напряжения вызывает дисбаланс тока в шесть-десять раз больший, поэтому ток является более чувствительным средством раннего предупреждения.
На какой частоте электрический дисбаланс проявляется в вибрации?
В два раза выше частоты сети - 100 Гц при питании 50 Гц или 120 Гц при питании 60 Гц - поскольку поле отрицательной последовательности модулирует магнитную силу воздушного зазора с такой частотой. Электрические неисправности, связанные с ротором, добавляют боковые полосы около 1× скорости вращения на частоте пропускания полюсов скольжения.
Как отличить электрический дисбаланс от механического дисбаланса или несоосности?
Используйте тест на отключение питания: отключите питание работающего двигателя, наблюдая за спектром. Настоящий электрический компонент исчезает мгновенно, в то время как механический затухает по мере снижения оборотов ротора. Пик, зафиксированный на частоте 100/120 Гц, который не изменяется под нагрузкой, также является надежным электрическим индикатором.
Какой уровень дисбаланса напряжения допустим?
NEMA MG-1 рекомендует не допускать дисбаланса напряжения ниже 1% и требует снижения напряжения выше этого значения, не рекомендуя работать при напряжении выше 5%. IEC, используя определение симметричного компонента, допускает дисбаланс до 2%. Удержание дисбаланса напряжения на уровне 1% является наиболее эффективным способом поддержания дисбаланса тока в пределах общепринятого предела 10%.
Почему небольшой дисбаланс напряжения вызывает такой сильный нагрев?
Несимметрия создает токи отрицательной последовательности, которые протекают по низкому сопротивлению отрицательной последовательности двигателя, рассеивая дополнительное тепло, в то время как одна фаза перегружена. Дисбаланс напряжения 3% может повысить температуру обмотки на 18-25% и примерно вдвое сократить срок службы изоляции.
Может ли портативный виброанализатор обнаружить электрический дисбаланс?
Да. Двухканальный анализатор, такой как Balanset-1A, разрешает пик 100/120 Гц, связанный с линией, позволяет выполнить тест на отключение питания и считывает боковые полосы полюсных частот, которые отличают дисбаланс со стороны питания от неисправности ротора - и все это без отдельного прибора для измерения качества электроэнергии.
