Какую роль играют гармонические искажения в генерации тепла в двигателях?

Влияние гармонических искажений на нагрев двигателя

1. Увеличение медных потерь

• Принцип: В двигателе сопротивление обмотки генерирует медные потери (активные потери) на основной частоте. Однако, когда через обмотки проходят гармонические токи, эффект кожного слоя становится более выраженным из-за более высоких гармонических частот. Эффект кожного слоя вызывает концентрацию тока ближе к поверхности проводника, уменьшая эффективное поперечное сечение и увеличивая сопротивление, что ведет к увеличению медных потерь.

• Результат: Увеличение медных потерь напрямую приводит к повышению температуры обмоток двигателя, ускоряя старение изоляционных материалов и сокращая срок службы двигателя.

2. Увеличение железных потерь

• Принцип: В железном сердечнике двигателя на основной частоте происходят потери от гистерезиса и вихревых токов, которые в совокупности называются железными потерями. Когда через двигатель проходят гармонические токи, частота изменения магнитного поля увеличивается, что приводит к увеличению потерь от гистерезиса и вихревых токов. Особенно высокочастотные гармоники значительно увеличивают потери от вихревых токов, так как эти потери пропорциональны квадрату частоты.

• Результат: Увеличение железных потерь вызывает повышение температуры железного сердечника, что еще больше усиливает общий нагрев двигателя, снижая его эффективность и надежность.

3. Увеличение дополнительных потерь

• Принцип: Помимо медных и железных потерь, гармоники могут вызывать другие виды дополнительных потерь. Например, гармонические токи могут создавать дополнительные электромагнитные силы между статором и ротором, что приводит к механическим вибрациям и потерям на трение. Кроме того, гармоники могут вызывать дополнительные механические потери в компонентах, таких как подшипники и вентиляторы.

• Результат: Эти дополнительные потери еще больше увеличивают тепловыделение двигателя, что может привести к перегреву подшипников, отказу смазки и даже механическим поломкам.

4. Неравномерный нагрев

• Принцип: Присутствие гармонических токов может привести к неравномерному распределению магнитного поля внутри двигателя, вызывая локальный перегрев. Например, некоторые участки обмоток могут иметь более высокую плотность гармонических токов, что приводит к тому, что эти области нагреваются гораздо сильнее, чем другие. Этот неравномерный нагрев ускоряет старение локальных изоляционных материалов и увеличивает риск отказа двигателя.

• Результат: Локальный перегрев не только влияет на срок службы двигателя, но также может привести к пробою изоляции, вызывая серьезные электрические неисправности.

5. Снижение эффективности системы охлаждения

• Принцип: Система охлаждения двигателя (например, вентиляторы и радиаторы) обычно рассчитана на тепловую нагрузку при основной частоте. Когда гармонические токи увеличивают тепловыделение двигателя, способность системы охлаждения рассеивать это дополнительное тепло может оказаться недостаточной, что приводит к постоянному повышению температуры двигателя.

• Результат: Снижение эффективности системы охлаждения еще больше усугубляет проблему нагрева двигателя, создавая порочный круг, который в конечном итоге может привести к срабатыванию защитных механизмов от перегрева или даже к выходу двигателя из строя.

6. Снижение коэффициента мощности

• Принцип: Присутствие гармонических токов снижает коэффициент мощности двигателя, так как гармоники не вносят полезной работы, а вместо этого увеличивают реактивную мощность и гармоническую мощность. Более низкий коэффициент мощности означает, что двигатель должен потреблять больше тока из сети, чтобы поддерживать ту же выходную мощность, что увеличивает потери в линии и трансформаторах, еще больше повышая тепловыделение двигателя.

• Результат: Снижение коэффициента мощности не только увеличивает тепловыделение двигателя, но также снижает общую эффективность энергосистемы, приводя к увеличению затрат на электроэнергию.

Меры по снижению влияния гармоник на нагрев двигателя

Для смягчения воздействия гармоник на нагрев двигателя можно предпринять следующие меры:

• Установка фильтров гармоник: Использование пассивных или активных фильтров гармоник для поглощения или подавления гармонических токов в системе, восстановления синусоидальной формы сетевого напряжения и снижения влияния гармоник на двигатель.

• Выбор двигателей, устойчивых к гармоникам: Некоторые двигатели специально спроектированы для лучшего сопротивления гармоникам, например, с особыми конструкциями обмоток или материалами сердечника, которые минимизируют дополнительные потери и нагрев, вызванные гармониками.

• Оптимизация управления нагрузкой: Организация производственных графиков таким образом, чтобы избежать одновременной работы большого количества нелинейных нагрузок, что снижает генерацию гармоник.

• Использование режима с низкими гармониками в частотных преобразователях (ЧП): Если двигатель приводится в действие ЧП, выбирайте ЧП с функциями низких гармоник или настраивайте параметры ЧП для снижения гармонического выхода.

• Улучшение систем охлаждения: Для двигателей, уже подверженных воздействию гармоник, улучшите систему охлаждения (например, увеличьте мощность вентиляторов или улучшите конструкцию радиаторов) для повышения теплоотвода и предотвращения перегрева.

• Регулярное техническое обслуживание и мониторинг: Регулярно проверяйте состояние работы двигателя, контролируйте параметры, такие как температура, ток и коэффициент мощности, и своевременно решайте потенциальные проблемы, чтобы обеспечить оптимальную работу двигателя.

Заключение

Гармонические искажения оказывают значительное влияние на нагрев двигателя, главным образом, проявляясь в увеличении медных потерь, железных потерь, дополнительных потерь, неравномерном нагреве, снижении эффективности системы охлаждения и коэффициента мощности. Эти факторы в совокупности приводят к повышению температуры двигателя, ускоряют старение изоляционных материалов, сокращают срок службы двигателя и могут вызвать серьезные электрические и механические неисправности. Для снижения влияния гармоник на нагрев двигателя необходимо внедрять эффективные меры по подавлению гармоник, оптимизировать выбор и обслуживание двигателей, а также обеспечивать стабильную работу энергосистемы.