Яку роль відіграють гармонійні спотворення у виробництві тепла в електродвигунах?
Вплив гармонічних деформацій на нагрівання двигуна
1. Збільшення втрат на мідь
Принцип: У двигуні опір обмоток генерує втрати на мідь (резистивні втрати) на основній частоті. Однак, коли гармонічні струми проходять через обмотки, ефект шкіри стає більш вираженим через високі гармонічні частоти. Ефект шкіри призводить до концентрації струму біля поверхні провідника, зменшення ефективної площі перерізу та збільшення опору, що, в свою чергу, збільшує втрати на мідь.
Результат: Збільшення втрат на мідь безпосередньо призводить до підвищення температури обмоток двигуна, прискорює старіння ізоляційних матеріалів та скорочує тривалість життя двигуна.
2. Збільшення втрат на залізо
Принцип: У залізний сердечнику двигуна втрати на гістерезис та завихрення, які разом називаються втратами на залізо, відбуваються на основній частоті. Коли гармонічні струми проходять через двигун, частота зміни магнітного поля збільшується, що призводить до більших втрат на гістерезис та завихрення. Особливо, високочастотні гармоніки значно збільшують втрати на завихрення, оскільки ці втрати пропорційні квадрату частоти.
Результат: Збільшення втрат на залізо призводить до підвищення температури залізного сердечника, що в свою чергу погіршує загальне нагрівання двигуна, зменшує ефективність та надійність.
3. Збільшення додаткових втрат
Принцип: Окрім втрат на мідь та залізо, гармоніки можуть призводити до інших форм додаткових втрат. Наприклад, гармонічні струми можуть генерувати додаткові електромагнітні сили між статором та ротором, що призводить до механічних вібрацій та втрат на тертя. Крім того, гармоніки можуть призводити до додаткових механічних втрат у компонентах, таких як підшипники та вентилятори.
Результат: Ці додаткові втрати ще більше збільшують тепловиділення двигуна, що може призвести до перегріву підшипників, втрати змазки та навіть механічних зламів.
4. Нерівномірне підвищення температури
Принцип: Наявність гармонічних струмів може призводити до нерівномірного розподілу магнітного поля всередині двигуна, що призводить до локального перегріву. Наприклад, певні області обмоток можуть нести більші щільності гармонічних струмів, що призводить до досягнення більш високих температур в цих регіонах, ніж в інших. Це нерівномірне підвищення температури прискорює старіння локальних ізоляційних матеріалів та збільшує ризик зламу двигуна.
Результат: Локальний перегрів не тільки впливає на тривалість життя двигуна, але також може призвести до розриву ізоляції, що спричиняє серйозні електричні аварії.
5. Зниження ефективності системи охолодження
Принцип: Система охолодження двигуна (наприклад, вентилятори та теплообмінники) зазвичай проектується для обробки теплового навантаження на основній частоті. Коли гармонічні струми збільшують тепловиділення двигуна, здатність системи охолодження відведення цього додаткового тепла може бути недостатньою, що призводить до постійного зростання температури двигуна.
Результат: Зниження ефективності системи охолодження ще більше погіршує проблему нагрівання двигуна, створюючи підліхий круг, який може в кінцевому підсумку запустити механізми захисту від перегріву або навіть спалити двигун.
6. Зниження коефіцієнта потужності
Принцип: Наявність гармонічних струмів знижує коефіцієнт потужності двигуна, оскільки гармоніки не допомагають корисній роботі, а замість цього збільшують реактивну потужність та гармонічну потужність. Нижчий коефіцієнт потужності означає, що двигун повинен отримати більший струм з мережі, щоб зберегти ту саму вихідну потужність, що збільшує втрати на лініях та трансформаторах, що, в свою чергу, підвищує тепловиділення двигуна.
Результат: Зниження коефіцієнта потужності не тільки збільшує тепловиділення двигуна, але також зменшує загальну ефективність системи живлення, що призводить до вищих витрат на електроенергію.
Міри для зменшення впливу гармонік на нагрівання двигуна
Для зменшення впливу гармонік на нагрівання двигуна можна впровадити наступні міри:
Встановити фільтри гармонік: Використовуйте пасивні або активні фільтри гармонік для поглинання або пригнічення гармонічних струмів в системі, відновлення синусоїдальної форми напруги мережі та зменшення впливу гармонік на двигун.
Обрати двигуни, стійкі до гармонік: Деякі двигуни спеціально розроблені для кращого протистояння гармонікам, наприклад, з особливими конструкціями обмоток або матеріалами сердечника, які мінімізують додаткові втрати та нагрівання, спричинені гармоніками.
Оптимізувати управління навантаженням: Розпоряджайте графіком виробництва, щоб уникнути одночасної роботи занадто багатьох нелінійних навантажень, що зменшує генерацію гармонік.
Використовувати режим з низькими гармоніками в пристроях змінного частотного регулювання (VFDs): Якщо двигун приводиться в рух VFD, обирайте VFD з функціями низьких гармонік або налаштовуйте параметри VFD для зменшення гармонічного виводу.
Покращити системи охолодження: Для двигунів, які вже вражені гармоніками, покращіть систему охолодження (наприклад, збільшуючи потужність вентилятора або покращуючи конструкцію теплообмінника) для поліпшення тепловідведення та запобігання перегріву.
Регулярне технічне обслуговування та моніторинг: Регулярно перевіряйте стан роботи двигуна, контролюйте параметри, такі як температура, струм та коефіцієнт потужності, та оперативно вирішуйте потенційні проблеми, щоб забезпечити оптимальну продуктивність двигуна.
Висновок
Гармонічні деформації мають значний вплив на нагрівання двигуна, головним чином проявляючись у збільшенні втрат на мідь, залізо, додаткових втрат, нерівномірному підвищенні температури, зниження ефективності системи охолодження та зниження коефіцієнта потужності. Ці фактори разом призводять до підвищення температури двигуна, прискорюють старіння ізоляційних матеріалів, скорочують тривалість життя двигуна та можуть призводити до серйозних електричних та механічних зламів. Для зменшення впливу гармонік на нагрівання двигуна важливо впровадити ефективні заходи зі зниження гармонік, оптимізувати вибір та обслуговування двигунів, а також забезпечити стабільну роботу системи живлення.
