Каква роля играят хармоничните искажения в генерирането на топлина в моторите?

Влияние гармоничното искажение върху нагряването на двигателя

1. Увеличаване на медните загуби

• Принцип: В двигателите, обикновената честота генерира медни загуби (резистивни загуби) в намотките. Когато обаче гармонични токове преминават през намотките, ефектът на кожата става по-изразен поради по-високите гармонични честоти. Ефектът на кожата причинява тока да се концентрира близо до повърхността на проводника, намалявайки ефективната поперечна площ и увеличавайки съпротивлението, което води до увеличаване на медните загуби.

• Резултат: Увеличаването на медните загуби директно води до по-високи температури в намотките на двигателя, ускорявайки стареенето на изолационните материали и намалявайки продължителността на живота на двигателя.

2. Увеличаване на железните загуби

• Принцип: В железния ядро на двигателя, хистерезисните и вихреви загуби, известни като железни загуби, се появяват при основната честота. Когато гармонични токове минават през двигателя, честотата на промените в магнитното поле се увеличава, довеждайки до по-големи хистерезисни и вихреви загуби. Особено, високочестотните гармоники значително увеличават вихревите загуби, тъй като тези загуби са пропорционални на квадрата на честотата.

• Резултат: Увеличаването на железните загуби причинява температурата на железното ядро да се увеличава, което допълнително засилва общото нагряване на двигателя, намалява ефективността и надеждността му.

3. Увеличаване на допълнителните загуби

• Принцип: Освен медните и железните загуби, гармониците могат да причинят други видове допълнителни загуби. Например, гармоничните токове могат да генерират допълнителни електромагнитни сили между статора и ротора, водещи до механични вибрации и фрикционни загуби. Освен това, гармониците могат да причинят допълнителни механични загуби в компоненти като подшипници и вентилатори.

• Резултат: Тези допълнителни загуби допълнително увеличават генерирането на топлина в двигателя, потенциално водейки до прекомерно затоплене на подшипниците, отказ на смазката и дори механични повреди.

4. Неравномерно увеличение на температурата

• Принцип: Присъствието на гармонични токове може да доведе до неравномерно разпределение на магнитното поле в двигателя, причинявайки локално прекомерно затопление. Например, определени области на намотките може да носят по-високи плътности на гармонични токове, водещи до това, че тези области достигат много по-високи температури от другите. Това неравномерно увеличение на температурата ускорява стареенето на локалните изолационни материали и увеличава риска от отказ на двигателя.

• Резултат: Локалното прекомерно затопление не само влияе върху продължителността на живота на двигателя, но може да доведе и до отказ на изолацията, причинявайки сериозни електрически дефекти.

5. Намаляване на ефективността на системата за охлаждане

• Принцип: Системата за охлаждане на двигателя (например вентилатори и радиатори) е типично проектирана да се справя с термичната нагрузка при основната честота. Когато гармоничните токове увеличат генерирането на топлина в двигателя, способността на системата за охлаждане да разсеява тази допълнителна топлина може да бъде недостатъчна, довеждайки до непрекъснато увеличаване на температурата на двигателя.

• Резултат: Намаляването на ефективността на системата за охлаждане допълнително засилва проблема с нагряването на двигателя, създавайки вреден цикъл, който може да доведе до активиране на механизми за защита от прекомерно затопление или дори до изгаряне на двигателя.

6. Намаляване на фактора на мощността

• Принцип: Присъствието на гармонични токове намалява фактора на мощността на двигателя, тъй като гармониците не допринасят за полезната работа, а вместо това увеличават реактивната мощност и гармоничната мощност. По-нисък фактор на мощност означава, че двигателят трябва да черпи повече ток от мрежата, за да поддържа същата изходна мощност, което увеличава загубите в линията и трансформаторите, допълнително увеличавайки генерирането на топлина в двигателя.

• Резултат: Намаляването на фактора на мощността не само увеличава генерирането на топлина в двигателя, но и намалява общата ефективност на системата за енергия, довеждайки до по-високи разходи за електроенергия.

Мерки за намаляване на влиянието на гармониците върху нагряването на двигателя

За намаляване на влиянието на гармониците върху нагряването на двигателя, могат да бъдат предприети следните мерки:

• Инсталирайте гармонични филтри: Използвайте пасивни или активни гармонични филтри, за да абсорбирате или подтискате гармоничните токове в системата, възстановявайки формата на синусоидата на напрежението в мрежата и намалявайки влиянието на гармониците върху двигателя.

• Изберете двигатели, устойчиви към гармоници: Някои двигатели са специално проектирани, за да понасят по-добре гармониците, например тези със специални конструкции на намотките или материал на ядрото, които минимизират допълнителните загуби и нагряване, причинени от гармониците.

• Оптимизирайте управлението на товара: Подредете производствените графици, за да се избегне едновременното използване на твърде много нелинейни товари, което ще намали генерирането на гармоници.

• Използвайте режим с ниски гармоници в преобразувателите на честота (VFD): Ако двигателят е задвижен от VFD, изберете VFD с функции за ниски гармоници или коригирайте параметрите на VFD, за да намалите гармоничния изход.

• Подобряване на системите за охлаждане: За двигатели, вече засегнати от гармоници, подобрете системата за охлаждане (например, като увеличите мощността на вентилаторите или подобрите конструкцията на радиаторите), за да се увеличи разсейването на топлината и да се предотврати прекомерното затопление.

• Редовно поддържане и мониторинг: Редовно проверявайте работното състояние на двигателя, наблюдавайте параметри като температура, ток и фактор на мощност, и решавайте потенциални проблеми навременно, за да се гарантира оптималната работна ефективност на двигателя.

Резюме

Гармоничното искажение има значително влияние върху нагряването на двигателя, най-вече проявяващо се в увеличаване на медните загуби, железните загуби, допълнителните загуби, неравномерно увеличение на температурата, намаляване на ефективността на системата за охлаждане и намаление на фактора на мощността. Тези фактори колективно водят до по-високи температури на двигателя, ускоряват стареенето на изолационните материали, намаляват продължителността на живота на двигателя и могат да причинят сериозни електрически и механични повреди. За намаляване на влиянието на гармониците върху нагряването на двигателя е необходимо да се приложат ефективни мерки за намаляване на гармониците, да се оптимизира изборът и поддържането на двигателя, и да се осигури стабилната работа на системата за енергия.