Welke rol spelen harmonische vervormingen in de warmteopwekking in motoren?

Invloed van harmonische vervorming op motortemperatuur

1. Verhoogde koperverliezen

• Principe: In een motor veroorzaken de spoelweerstanden koperverliezen (resistieve verliezen) op de grondfrequentie. Wanneer echter harmonische stromen door de windingen vloeien, wordt het huideneffect meer uitgesproken vanwege de hogere harmonische frequenties. Het huideneffect zorgt ervoor dat de stroom zich bij de oppervlakte van de geleider concentreert, waardoor de effectieve doorsnede afneemt en de weerstand toeneemt, wat leidt tot verhoogde koperverliezen.

• Resultaat: De toename van koperverliezen leidt direct tot hogere temperaturen in de motorspoelen, wat de veroudering van isolatiematerialen versnelt en de levensduur van de motor verkort.

2. Verhoogde ijzerverliezen

• Principe: In het ijzernucleus van een motor treden hysteresis- en draaikringverliezen, gezamenlijk bekend als ijzerverliezen, op op de grondfrequentie. Wanneer harmonische stromen door de motor gaan, neemt de frequentie van magnetische veldveranderingen toe, wat leidt tot hogere hysteresis- en draaikringverliezen. Vooral hoge-frequente harmonischen verhogen de draaikringverliezen aanzienlijk, omdat deze verliezen evenredig zijn met het kwadraat van de frequentie.

• Resultaat: De toename van ijzerverliezen doet de temperatuur van het ijzernucleus stijgen, wat de algemene motortemperatuur verder verergert, de efficiëntie en betrouwbaarheid vermindert.

3. Verhoogde extra verliezen

• Principe: Naast koper- en ijzerverliezen kunnen harmonische stromen ook andere vormen van extra verliezen veroorzaken. Bijvoorbeeld, harmonische stromen kunnen extra elektromagnetische krachten tussen de stator en rotor genereren, wat leidt tot mechanische trillingen en wrijvingsverliezen. Bovendien kunnen harmonische stromen extra mechanische verliezen veroorzaken in componenten zoals lagers en ventilatoren.

• Resultaat: Deze extra verliezen verhogen de warmteopwekking van de motor, wat kan leiden tot oververhitte lagers, slijtage van smeerstoffen en zelfs mechanische storingen.

4. Onregelmatige temperatuurstijging

• Principe: De aanwezigheid van harmonische stromen kan leiden tot een ongelijkmatige magnetische veldverdeling binnen de motor, wat lokale oververhitting veroorzaakt. Bijvoorbeeld, bepaalde delen van de windingen kunnen hogere harmonische stroomdichtheden hebben, waardoor die regio's veel hogere temperaturen bereiken dan andere. Deze ongelijkmatige temperatuurstijging versnelt de veroudering van lokale isolatiematerialen en verhoogt het risico op motoraanval.

• Resultaat: Lokale oververhitting heeft niet alleen invloed op de levensduur van de motor, maar kan ook leiden tot isolatiebreuk, wat ernstige elektrische storingen veroorzaakt.

5. Verminderde efficiëntie van koelsystemen

• Principe: Een motorkoelsysteem (zoals ventilatoren en koelribben) is meestal ontworpen om de thermische belasting op de grondfrequentie te hanteren. Wanneer harmonische stromen de warmteopwekking van de motor verhogen, kan de vermogen van het koelsysteem om deze extra warmte af te voeren ontoereikend zijn, wat leidt tot een continue stijging van de motortemperatuur.

• Resultaat: De daling van de efficiëntie van het koelsysteem verergert het verhittingsprobleem van de motor, wat een vicieuze cirkel creëert die uiteindelijk oververhitte beschermingsmechanismen kan activeren of zelfs de motor kan laten uitbranden.

6. Vermindering van de cosinus phi

• Principe: De aanwezigheid van harmonische stromen vermindert de cosinus phi van de motor, omdat harmonische stromen geen nuttig werk leveren, maar in plaats daarvan reactiviteit en harmonische vermogens verhogen. Een lagere cosinus phi betekent dat de motor meer stroom moet trekken van het netwerk om hetzelfde uitvoervermogen te behouden, wat lijnverliezen en transformatieverliezen verhoogt, waardoor de warmteopwekking van de motor toeneemt.

• Resultaat: De daling van de cosinus phi verhoogt niet alleen de warmteopwekking van de motor, maar vermindert ook de algehele efficiëntie van het energie-systeem, wat leidt tot hogere elektriciteitskosten.

Maatregelen om de invloed van harmonische stromen op motortemperatuur te verminderen

Om de effecten van harmonische stromen op motortemperatuur te verminderen, kunnen de volgende maatregelen worden genomen:

• Harmonische filters installeren: Gebruik passieve of actieve harmonische filters om harmonische stromen in het systeem op te nemen of te onderdrukken, waardoor de sinusvorm van het netspanning wordt hersteld en de invloed van harmonische stromen op de motor wordt verminderd.

• Kies voor harmonische-stroom-bestendige motoren: Sommige motoren zijn speciaal ontworpen om beter bestand te zijn tegen harmonische stromen, zoals motoren met speciale spoelconstructies of kernmaterialen die extra verliezen en warmte veroorzaakt door harmonische stromen minimaliseren.

• Optimaliseer lastbeheer: Plan productieschema's zo in dat er niet te veel niet-lineaire lasten gelijktijdig worden gebruikt, waardoor de generatie van harmonische stromen wordt verminderd.

• Gebruik laag-harmonische modus in variabele frequentiedrivers (VFD's): Als de motor wordt aangedreven door een VFD, selecteer dan VFD's met laag-harmonische eigenschappen of pas de VFD-parameters aan om de harmonische uitvoer te verminderen.

• Versterk koelsystemen: Voor motoren die al door harmonische stromen zijn beïnvloed, verbeter het koelsysteem (bijvoorbeeld door de ventilatorcapaciteit te vergroten of de koelribbendesign te optimaliseren) om de warmteafvoer te versterken en oververhitting te voorkomen.

• Regelmatig onderhoud en monitoring: Controleer regelmatig de werking van de motor, monitord parameters zoals temperatuur, stroom en cosinus phi, en handel potentiële problemen snel af om optimale motorefficiëntie te waarborgen.

Samenvatting

Harmonische vervorming heeft een significante invloed op motortemperatuur, voornamelijk geïllustreerd door verhoogde koperverliezen, ijzerverliezen, extra verliezen, onregelmatige temperatuurstijging, verminderde efficiëntie van koelsystemen en verlaagde cosinus phi. Deze factoren zorgen collectief voor hogere motortemperaturen, versnellen de veroudering van isolatiematerialen, verkleinen de levensduur van de motor en kunnen ernstige elektrische en mechanische storingen veroorzaken. Om de impact van harmonische stromen op motortemperatuur te verminderen, is het essentieel om effectieve maatregelen ter bestrijding van harmonische stromen te implementeren, de keuze en het onderhoud van motoren te optimaliseren, en de stabiele werking van het energie-systeem te waarborgen.