Quin paper juguen les distorsions harmòniques en la generació de calor en els motors?

Impacte de la distorsió harmònica en el calentament del motor

1. Augment de les pèrdues de cobre

• Principi: En un motor, la resistència de l'enrollament genera pèrdues de cobre (pèrdues resistives) a la freqüència fonamental. No obstant això, quan els corrents harmònics passen pels enrollaments, l'efecte de peau es fa més pronunciat a causa de les freqüències harmòniques més altes. L'efecte de peau fa que la corrent es concentri prop de la superfície del conductor, reduint l'àrea efectiva de secció transversal i augmentant la resistència, així augmentant les pèrdues de cobre.

• Resultat: L'augment de les pèrdues de cobre porta directament a temperatures més altes en els enrollaments del motor, accelerant l'envejeciment dels materials d'aïllament i reductint la vida útil del motor.

2. Augment de les pèrdues de ferro

• Principi: En el nucli de ferro d'un motor, les pèrdues per histeresis i corrents de Foucault, conegudes col·lectivament com a pèrdues de ferro, ocorren a la freqüència fonamental. Quan els corrents harmònics passen pel motor, la freqüència de canvi del camp magnètic augmenta, portant a pèrdues d'histeresis i corrents de Foucault més altes. Especialment, les harmòniques de alta freqüència augmenten significativament les pèrdues de corrents de Foucault perquè aquestes pèrdues són proporcionals al quadrat de la freqüència.

• Resultat: L'augment de les pèrdues de ferro fa que la temperatura del nucli de ferro augmenti, exacerbant encara més el calentament general del motor, reduint l'eficiència i la fiabilitat.

3. Augment de les pèrdues addicionals

• Principi: A més de les pèrdues de cobre i ferro, les harmòniques poden causar altres formes de pèrdues addicionals. Per exemple, els corrents harmònics poden generar forces electromagnètiques addicionals entre l'estator i el rotor, provocant vibracions mecàniques i pèrdues per fricció. Addicionalment, les harmòniques poden causar pèrdues mecàniques addicionals en components com rodaments i ventiladors.

• Resultat: Aquestes pèrdues addicionals augmenten encara més la generació de calor del motor, potencialment portant a rodaments sobrecaldats, fallida de lubrificació i fins i tot a descomposicions mecàniques.

4. Augment no uniforme de la temperatura

• Principi: La presència de corrents harmòniques pot portar a una distribució no uniforme del camp magnètic dins del motor, causant sobrecalentaments localitzats. Per exemple, certes àrees dels enrollaments poden portar densitats de corrent harmònica més altes, fent que aquestes regions arribin a temperatures molt més altes que les altres. Aquest augment no uniforme de la temperatura accelera l'envejeciment dels materials d'aïllament locals i augmenta el risc de fallida del motor.

• Resultat: El sobrecalentament localitzat no només afecta la vida útil del motor, sinó que també pot portar a la fallida de l'aïllament, causant falles elèctriques serioses.

5. Reducció de l'eficiència del sistema de refrigeració

• Principi: El sistema de refrigeració d'un motor (com ventiladors i dissipadors de calor) està normalment dissenyat per gestionar la càrrega tèrmica a la freqüència fonamental. Quan els corrents harmònics augmenten la generació de calor del motor, la capacitat del sistema de refrigeració per dissipar aquesta calor addicional pot ser insuficient, portant a un augment continu de la temperatura del motor.

• Resultat: La reducció de l'eficiència del sistema de refrigeració exacerba encara més el problema de calentament del motor, creant un cicle viciós que pot finalment activar mecanismes de protecció contra el sobrecalentament o fins i tot quedar-se sense funció el motor.

6. Reducció del factor de potència

• Principi: La presència de corrents harmòniques redueix el factor de potència del motor perquè les harmòniques no contribueixen a treball útil, sinó que incrementen la potència reactiva i harmònica. Un factor de potència més baix significa que el motor ha de traure més corrent de la xarxa per mantenir la mateixa potència de sortida, augmentant les pèrdues de línia i de transformador, i així augmentant la generació de calor del motor.

• Resultat: La reducció del factor de potència no només augmenta la generació de calor del motor, sinó que també redueix l'eficiència global del sistema de potència, portant a costos d'electricitat més alts.

Mesures per reduir l'impacte de les harmòniques en el calentament del motor

Per mitigar els efectes de les harmòniques en el calentament del motor, es poden prendre les següents mesures:

• Instal·lar filtres harmònics: Utilitzar filtres harmònics passius o actius per absorbir o suprimir els corrents harmònics en el sistema, restablint la forma sinusoidal de la tensió de la xarxa i reduint l'impacte de les harmòniques en el motor.

• Escollir motors resistent als harmònics: Alguns motors estan específicament dissenyats per resistir millor les harmòniques, com aquells amb estructures d'enrollament especials o materials de nucli que minimitzen les pèrdues i el calentament addicionals causats per les harmòniques.

• Optimitzar la gestió de la càrrega: Organitzar els horaris de producció per evitar executar massa càrregues no lineals simultàniament, reduint així la generació d'harmòniques.

• Utilitzar mode de baixes harmòniques en els variadors de freqüència (VFDs): Si el motor és alimentat per un VFD, seleccionar VFDs amb característiques de baixes harmòniques o ajustar els paràmetres del VFD per reduir la sortida d'harmòniques.

• Millorar els sistemes de refrigeració: Per als motors ja afectats per les harmòniques, millorar el sistema de refrigeració (per exemple, augmentant la potència dels ventiladors o millorant el disseny dels dissipadors de calor) per augmentar la dissipació de calor i prevenir el sobrecalentament.

• Manteniment i monitorització regulars: Inspeccionar regularment l'estat operatiu del motor, monitoritzar paràmetres com la temperatura, la corrent i el factor de potència, i abordar prontament possibles problemes per assegurar un rendiment òptim del motor.

Resum

La distorsió harmònica té un impacte significatiu en el calentament del motor, principalment manifestat en l'augment de les pèrdues de cobre, les pèrdues de ferro, les pèrdues addicionals, l'augment no uniforme de la temperatura, la reducció de l'eficiència del sistema de refrigeració i la reducció del factor de potència. Aquests factors col·lectivament porten a temperatures més altes del motor, accelerant l'envejeciment dels materials d'aïllament, reductint la vida útil del motor i poden causar falles elèctriques i mecàniques serioses. Per reduir l'impacte de les harmòniques en el calentament del motor, és essencial implementar mesures eficients de mitigació d'harmòniques, optimitzar la selecció i el manteniment del motor, i assegurar l'operació estable del sistema de potència.