Влияние искажения напряжения на работу электрооборудования

ссылка на сайт-источник

ссылка на сайт-источник

ссылка на сайт-источник

ссылка на сайт-источник

ссылка на сайт-источник

Влияние отклонения напряжения на различные виды оборудования

• Снижается срок службы ламп освещения, так при величине напряжения 1,1·Uном срок службы ламп накаливания снижается в 4 раза;

Что происходит при колебании напряжения.

• Снижается срок службы оборудования;  
• Перегрев оборудования;
• Пожароопасность;
• Понижается КПД двигателя;
• Вибрация в электромашинных системах;
• Простои, потери сырья, брак пробукции;
• Ошибки срабатывания автоматических выключателей;
• Ошибки в коммуникационном оборудовании;
• Пульсация светового потока ламп освещения. 

Несимметрия напряжений

Источники несимметрии:

• Дуговые сталеплавильные печи;
• Тяговые подстанции переменного тока;
• Электросварочные машины;
• Специальные однофазные нагрузки;
• Осветительные установки.

Так суммарная нагрузка отдельных предприятий содержит 85...90 % несимметричной нагрузки. А коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности (K0U) одного 9-и этажного жилого дома может составлять 20 %, что на шинах трансформаторной подстанции (точке общего присоединения) может обусловить превышение нормально допустимые 2 %.

Влияние на работу электрооборудования

• Возрастают потери электроэнергии от дополнительных потерь в нулевом проводе;
• Однофазные, двухфазные потребители и разные фазы потребителей электроэнергии работают на различных не номинальных напряжениях, что вызывает те же последствия, как при отклонении напряжения;
• В электродвигателях, кроме отрицательного влияния не несимметричных напряжений, возникают магнитные поля, вращающиеся встречно вращению ротора;
• Общее влияние несимметрии напряжений на электрические машины, включая трансформаторы, выливается в значительное снижение срока их службы.

Например, при длительной работе с коэффициентом несимметрии по обратной последовательности K2U = 2...4 %, срок службы электрической машины снижается на 10...15 %, а если она работает при номинальной нагрузке, срок службы снижается вдвое.

Электроприёмники с нелинейной вольт­амперной характеристикой потребляют ток, форма кривой которого отличается от синусоидальной. А протекание такого тока по элементам электрической сети создаёт на них падение напряжения, отличное от синусоидального, это и является причиной искажения синусоидальной формы кривой напряжения.

Несинусоидальность напряжения

Источниками несинусоидальности являются:

• Осветительные приборы;
• Сварочные установки;
• Офисная и бытовая техника;
• Дуговые сталеплавильные и индукционные печи;
• Синхронные двигатели;
• Трансформаторы;
• Статические преобразователи.

Влияние несинусоидальности напряжения на работу электрооборудования:

• В электрических машинах  возрастают   суммарные потери, понижается их КПД;

Так, при коэффициенте искажения синусоидальной формы кривой напряжения KU = 10 % суммарные потери в сетях предприятий, крупных промышленных центров могут достигать 10...15 %.

• Учащаются ложные срабатывания устройств управления и защиты, приводящие к  приостановке технологического процесса;
• Выводят из строя компьютеры, мэйнфрэймы, устройства сбора и передачи информации;
• Оказывают воздействие на изоляцию кабельных линий  и линий электропередач;
• Приводят к учащению однофазных коротких замыканий на землю;
• Приводят к пробою конденсаторов;
• Вследствие гармоник обратной последовательности,
• Понижается точность учета электроэнергии.             

Несимметрия напряжения. 

Несимметричную систему трехфазных напряжений можно разложить на симметричные составляющие прямой, обратной и нулевой последовательности (см. гл. 2) и проанализировать влияние каждой из них на работу двигателя. ГОСТ допускает несимметрию напряжения (отношение напряжения обратной последовательности к номинальному напряжению) до 2%.

Система напряжений обратной последовательности создает магнитное поле, вращающееся в противоположную относительно ротора сторону с частотой вращения n_обр = 60f₁ р = |n₁ |.

Вследствие этого скольжение ротора относительно обратного поля s_обр = (n₁ - n₂ )/n₁ = [n₁ + n₁ (1 - s)]/n₁ ≈ 2, так как скольжение асинхронного двигателя в установившемся режиме s ≈ (0,01 ÷ 0,05). Следовательно, обратное поле создает тормозящий момент М_обр, а токи обратной последовательности создают дополнительные потери, увеличивающие нагревание обмоток и снижающие КПД.

На рис. 4.75 показана зависимость моментов асинхронного двигателя от скольжения. Из нее следует, что под влиянием токов обратной последовательности результирующий момент двигателя М_рез снижается и скольжение при том же нагрузочном моменте М_н на валу возрастает.

На рис. 4.76 показаны зависимости КПД от асимметрии напряжения для одного из двигателей общего применения мощностью 5,5 кВт. При несимметрии напряжения 2% КПД снижается примерно на 2%, а при 4% почти на 5,5%. Следовательно, несимметрия питающего напряжения крайне нежелательна.

Обрыв фазы обмотки статора. 

При пуске трехфазного асинхронного двигателя с оборванной фазой создаются такие условия, как и в однофазном двигателе (см. § 4.17), т. е. его результирующий момент М_рез = М_пр — М_обр = 0. Если ротор двигателя в момент обрыва находится во вращении, то М_пр > М_о6р и при М_рез > М_н двигатель продолжает вращаться, однако максимальный момент М_maxоказывается существенно меньшим, чем при неповрежденной фазе. При переходе двигателя в однофазный режим частота вращения практически

не изменяется, поэтому мощность на валу также остается приблизительно одинаковой. Но отношение токов в этих режимах I₁ /I₃ = (3η₃ cos φ₃)/(2η₁ cos φ₁ ), где индекс 1 относится к однофазному режиму, а 3 — к трехфазному. Поэтому при условии η₁ = η₃ и cos φ₁ = cos φ₃ ток I₁ в однофазном режиме в 1,5 раза больше, чем в трехфазном. В действительности КПД и cos φ в однофазном режиме уменьшаются по сравнению с трехфазным, вследствие чего ток I₁ возрастает в еще большей степени. Если двигатель работает при нагрузке, близкой к номинальной, то при обрыве фазы его ток становится значительно больше номинального и двигатель быстро перегревается и «выходит из строя».

Обрыв фазы обмотки ротора. 

При несимметрии сопротивлений фаз ротора возникает эффект одноосного демпфирования. В результате этого кривая момента двигателя в области s = 0,5 имеет провал. Значение этого провала может оказаться настолько большим, что двигатель при пуске под нагрузкой не достигает номинальной частоты вращения и «застревает» при n₂ ≈ 0,5п₁ . При обрыве одной из фаз ротора электромагнитный момент в области s = 0,5 отрицательный (рис. 4.77), вследствие чего двигатель не разгоняется до номинальной частоты вращения даже при пуске без нагрузки.

Влияние качества питающего напряжения на работу трехфазных электродвигателей.

Мощность (момент на валу) многополюсного электродвигателя при увеличении асимметрии питающего напряжения. Качество питающего напряжения, необходимое для того, чтобы электрический асинхронный двигатель работал штатно = выдавал свой номинал.

Электродвигатели сконструированы и выдают (должны, во всяком случае) штатные мощностные характеристики при условии, что:

• номинал питающего напряжения не колеблется вне диапазона +/- 10%
• частота питающего напряжения сохраняется с точностью +/- 5%
• сумма по модулю вариаций номинала напряжения и частоты не превышает 10%
• фазовый дисбаланс напряжения не превышает 1%

Ниже приводим табличку с понижающим коэффициентом мощности для электродвигателей при различных значениях асимметрии фазовых напряжений (токов):

Работа асинхронного двигателя при неноминальных условиях.

Значительное отклонение напряжения сети от номинального значения чаще всего приводит к перегреву обмотки двигателя, перегрев обмотки в сильной степени сокращает срок службы изоляции. В конечном счете происходит пробой изоляции между обмоткой и корпусом, между фазами статора или между витками.

При значительном отклонениях напряжения необходимо уменьшить нагрузку, чтобы ток статора был номинальным. Этого можно достичь регулированием входного действующего напряжения. В исключительных случаях приходится увеличивать сечение проводов питающей сети, т.е их замена, что является крайне затратным.

Асимметрия напряжения питающей сети.

При неравномерной нагрузке фаз сети напряжение становится асимметричным — неодинаковым между отдельными фазами. Асимметрия напряжения приводит к тому, что токи в фазах обмотки статора электродвигателя резко отличаются один от другого. Фаза с большим током может перегреваться выше допустимых пределов даже при небольшой асимметрии напряжения. Кроме того, перегревается активная сталь ротора двигателя. Асимметрия напряжения мало влияет на момент двигателя и на частоту вращения. При асимметрии напряжения необходимо уменьшить нагрузку на электродвигатели и устранить неравномерную нагрузку фазы.

Обрыв фазы питающей сети.

При обрыве фазы сети работающие трехфазные двигатели переходят в однофазный режим.
Если нагрузка двигателя до обрыва фазы была не более 60% номинальной, то двигатель продолжает работать с несколько худшими энергетическими показателями, частота вращения ротора уменьшается незначительно, температура обмоток находится в допустимых пределах. При нагрузках более 60% номинальной обмотка двигателя чрезмерно перегревается, а в отдельных случаях ротор двигателя останавливается и по двум фазам обмотки статора течет большой ток. Двигатель после остановки не может быть запущен даже на холостом ходу, так как в двигателе при однофазном токе получается пульсирующее магнитное поле. Обрыв одной из фаз питающей сети чаще всего бывает вследствие перегорания плавкой вставки, защищающей двигатель. При подозрении на обрыв одной из фаз сети следует двигатель остановить и пустить его вновь на холостом ходу. Если фаза оборвана, то двигатель гудит и не разворачивается.
При обрыве фазы питающей сети все двигатели останавливают и принимают меры к восстановлению нормального напряжения.