Что нужно знать об электроснабжении насосного оборудования
Опубликовано: 15 сентября 2010 г.
2705
Правильная организация электроснабжения – чрезвычайно важное условие обеспечения экономичной и надежной работы насосных установок, продолжительного срока службы электродвигателей. Предлагаемая вниманию читателей публикация подготовлена по техническому пособию компании Grundfos для проектирования скважинных водозаборов промышленного и коммунального назначения. Впрочем, информация будет полезной и специалистам, работающим с насосной техникой поверхностного размещения.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Методы снижения пусковых токов
Поскольку пусковой ток электродвигателя в 4–7 раз выше тока полной нагрузки, в момент включения насоса питающая сеть и обмотки двигателя на короткое время подвергаются существенной перегрузке.
Во многих странах для защиты электрической сети существуют предписания по снижению пусковых токов. Ниже рассмотрены способы достижения этого. Перед выбором конкретного метода необходимо тщательно проверить области применения оборудования, ознакомиться с техническими требованиями, местными нормативами.
Метод прямого включения (DOL). При пуске по этому методу (рис. 1) контактор или аналогичные устройства насосной установки подключаются к сети напрямую. При прочих постоянных параметрах DOL является тем способом пуска, при котором обмотками двигателя выделяется минимальное количество тепла, что обеспечивает максимальный срок службы электродвигателей мощностью до 30 кВт. Однако для электродвигателей большей мощности механическая нагрузка слишком велика, поэтому рекомендуется принимать меры к снижению токов.
Наиболее часто применяемый метод снижения пусковых токов – включение обмоток электродвигателя способом «звезда–треугольник» (SD): во время пуска они соединены в «звезду», а после окончания пуска – в «треугольник». Переключение производится автоматически через заданный временной интервал. При пуске в положении «звезда» ток на треть ниже, чем при пуске путем прямого включения. Такой метод относительно дешев, прост и надежен, поэтому применяется довольно часто. Однако для насосов с малой инерцией он не очень эффективен и даже неэкономичен. Поскольку диаметры погружных насосов невелики, масса рабочего колеса насоса и ротора электродвигателя мала, мал и момент инерции. В результате для разгона от 0 до 2900 об./мин. насосу требуется всего лишь 0,1 с, а при исчезновении тока он сразу же останавливается. Поэтому в момент переключения со «звезды» на «треугольник» малоинерционный насос быстро останавливается и во второй раз должен запускаться напрямую (рис. 2), практически без снижения пускового тока.
Иначе происходит пуск центробежных насосов, диаметр, масса и, соответственно, момент инерции которых велики. У электродвигателей мощностью свыше 30 кВт при пуске методом «звезда–треугольник» можно достичь существенного снижения второго пика тока.
Следует отметить, что слишком долгая эксплуатация при включенных в «звезду» обмотках приводит к значительному перегреву электродвигателя и, следовательно, сокращает срок его службы.
Системы, включающие скважинные насосы с электродвигателями, пускаемыми по методу SD, зачастую дороже, чем другие аналогичные установки, – из-за расходов на дополнительный кабель для подключения электродвигателя (в данном случае их требуется два).
При использовании метода включения электродвигателя через пусковой трансформатор (AF) напряжение снижается с помощью трансформаторов (обычно двух), включаемых в каждую фазу. При пуске электродвигатель получает сначала пониженное напряжение, а затем полное (этот способ называют также методом Корндорфа). Трансформаторы часто имеют два сетевых выхода – на 75 и 60 % напряжения. При использовании 60-процентного выхода происходит такое же снижение пускового тока, как при пуске по методу SD. При переключении обмотки трансформатора оказываются подключенными как дроссельные катушки. Это означает, что электродвигатель всё время остается связанным с сетью, и частота вращения ротора не снижается. Потребление двигателем электроэнергии при пуске показано на рис. 3. Пусковые трансформаторы относительно дороги, но надежны. Отметим: пусковой ток определяется характеристиками электродвигателя, насоса и, в зависимости от их типоразмеров, может значительно колебаться.
Для плавного пуска электродвигателя (SS) применяют электронные устройства, снижающие напряжение и, соответственно, пусковой ток путем фазового управления. Электронный прибор содержит регулировочный блок, где настраиваются рабочие и защитные параметры, и силовой блок с симметричным триодным тиристором (триак) Пусковой ток ограничен, как правило, величиной, в 2–3 раза превышающей рабочий ток.
При сохранении прочих параметров выключение электродвигателя по этому методу также дает снижение начального пускового момента. Наличие инерции в процессе пуска может привести к значительному теплообразованию в электродвигателе и тем самым к снижению его срока службы. Однако эта проблема при коротком (например, в течение 3 с) времени ускорения и торможения не имеет практического значения. Это утверждение относится также к пуску электродвигателей по методам SD и AF.
Инженеры Grundfos рекомендуют соблюдать для плавного пуска временн`ые параметры ускорения/торможения, приведенные в графике на рис. 4. Если требуется особенно высокий пусковой момент, пусковое напряжение можно повысить на 55 %. Однако в нормальных условиях эксплуатации электродвигателей этого не требуется.
Устройство плавного пуска обеспечивает подачу тока несинусоидальной формы и в определенной мере создает высшие гармоники. В связи с очень короткими периодами ускорения/торможения двигателя это не оказывает значительного влияния на процессы.
В схему пуска по методу SS рекомендуется включать обходной контактор с тем, чтобы электродвигатель в процессе эксплуатации работал в режиме DOL, что уменьшает его износ и потери мощности при эксплуатации. На случай пуска через обходной контактор в схеме может быть предусмотрена тепловая защита.
Пуск электродвигателя с помощью преобразователя частоты (FC) представляет собой идеальный с точки зрения уменьшения пускового тока вариант. Кроме того, в этом случае не создается скачок давления в системе. Преимущество этого метода состоит в том, что пусковой ток всё время удерживают на уровне номинального тока электродвигателя (рис. 5). Это означает, что число требуемых в течение часа включений и отключений может быть любым. Из всех вышеописанных способов пуска электродвигателей пуск с помощью преобразователя частоты является наиболее дорогим, поэтому его используют лишь при необходимости в плавном регулировании мощности электродвигателя.
О перепадах напряжения
Хотя обычно предприятия электроснабжения обеспечивают напряжение с точными параметрами, вблизи трансформаторов низкого (380 В) напряжения его значение на 3–5 % выше стандартного. А в часы пиковой нагрузки на магистральные провода из-за омического сопротивления у потребителя имеет место падение напряжения. Большинство сетей электроснабжения спроектированы таким образом, что в наиболее слабой точке, по крайней мере раз в год, возникает падение напряжения более чем на 10 %. У многих потребителей возникают значительные проблемы и со скачками напряжения.
Для любого электродвигателя вредно, если на него подается напряжение, параметры которого выходят за пределы расчетных значений. При скачках напряжения крутящий момент и частота вращения вала электродвигателя значительно снижаются. В результате происходит падение КПД и индуктивного сопротивления электродвигателя. Это увеличивает потребляемую мощность, а следовательно, теплообразование в электродвигателе.
Если на электродвигатель при полной нагрузке поступает напряжение на 10 % ниже номинального, то потребляемый ток увеличивается примерно на 5 %, а температура электродвигателя – на 20 %.
Когда такое превышение превосходит максимально допустимую температуру изоляции обмоток, возможны короткое замыкание и разрушение статора. Однако это произойдет лишь в том случае, если электродвигатель работает при высокой температуре окружающей среды и имеет плохое охлаждение либо при одновременном возникновении сдвига фаз и скачков напряжения. Обусловленное пониженным напряжением длительное повышение температуры обмоток двигателя приводит к быстрому старению изоляции и, следовательно, уменьшению срока службы. При перенапряжении сети потребляемая мощность и теплообразование в обмотках электродвигателя также возрастают.
При организации электроснабжения насосной установки и ее эксплуатации следует учитывать следующие моменты:
1. При измеренных на клеммах электродвигателя колебаниях напряжения в пределах от +6 до –10 % указанного в фирменной табличке номинального значения можно ожидать расчетного срока службы электродвигателя. Условия: потребляемый ток не превышает указанное значение при полной нагрузке, электродвигатель в достаточной мере охлаждается и не возникает никаких скачков напряжения или асимметрии.
2. При кратковременных периодических перепадах напряжения свыше указанных в предыдущем пункте пределов не следует ожидать значительного сокращения срока службы электродвигателя, если только перепады напряжения не будут настолько значительны, что вызовут короткое замыкание в обмотках статора.
3. При постоянных или длительных колебаниях напряжения свыше приведенных значений мощность электродвигателя следует снизить или выбрать электродвигатель промышленного назначения, позволяющий добиться приемлемых срока службы и КПД. Кроме того, необходимо обеспечить контроль режимов работы электродвигателя с помощью соответствующих приборов. В случае подачи пониженного напряжения на однофазные электродвигатели нередко требуется установка конденсатора.
Асимметрия напряжения и тока
По электрическим сетям номинальное напряжение должно подаваться на все три фазы. Как правило, вблизи низковольтных трансформаторов так и происходит. При полной нагрузке сети для предотвращения напряжения на отдельных фазах все однофазные агрегаты должны быть распределены по трем фазам. Но поскольку однофазные потребители часто работают в режиме «включено-выключено», неравномерная загрузка фаз возможна. Это вызывает асимметрию тока, причиной которой могут стать также изношенность либо окисление контактов выключателей. На случай асимметрии в питающей сети нужно до включения электродвигателя в сеть проконсультироваться с представителями предприятия электроснабжения.
Максимальный КПД электродвигателя и наиболее длительный срок его службы достигаются при минимальной асимметрии тока. При подключении двигателя к трехфазной сети следует выбрать такую последовательность фаз (соблюдая правильное направление вращения насоса), чтобы обеспечить наименьшее значение асимметрии. Для этого производят замеры тока во всех фазах цепи при различных способах подключения (рис. 6). Значение асимметрии рассчитывается по следующей формуле:
I = 100 • (Iфазы макс – Iсредн)/Iсредн, %,
где Iсредн – среднее, а Iфазы макс – максимальное значение фазного тока.
Асимметрия тока при выбранном чередовании фаз не должна превышать 5 %.
Компания Grundfos предлагает в числе принадлежностей для насосных систем модуль CU 3, использование которого позволяет осуществлять электроснабжение насоса от сети, асимметрия тока в которой достигает 10 %. Модуль также обеспечивает (при использовании пульта дистанционного управления R 100) индикацию текущих параметров электроснабжения. Это облегчает выбор оптимального способа подключения.
Отметим: небольшая асимметрия напряжения приводит к большой асимметрии тока, что в свою очередь вызывает неравномерный нагрев обмоток статора и возникновение горячих зон и точечного нагрева. Эта связь графически показана на рис. 7.
Частота и гармоники напряжения
Частота напряжения питания должна соответствовать номинальному значению, указываемому на фирменной табличке, прикрепленной к двигателю. Превышение частоты влечет перегрузку электродвигателя, занижение – падение производительности насоса. Косвенный признак нестабильности частоты – асимметрия тока. Таким образом, контролировать данный параметр можно с помощью устройства, аналогичного упомянутому в предыдущей главе модулю CU 3 (вместе с пультом R 100 он может показывать и текущее значение частоты сети).
В нормальном случае сеть питания обеспечивает потребителей синусоидальным напряжением по всем трем фазам. Однако в распределительной сети оно искажается за счет наложения дополнительных гармоник, что создает помехи для работы электронного оборудования и – главное – способно вызвать пики напряжения в сети. Ниже рассмотрены возможные источники дополнительных гармоник и способы защиты от их влияния двигателей насосной техники.
Преобразователи частоты. Современные преобразователи частоты, дополненные индуктивно-емкостными (LC) или резистивно-емкостными (RC) фильтрами, при соединении с электродвигателем кабелем длиной до 100 м не генерируют кратковременных перенапряжений свыше 850 В и не оказывают влияния на срок службы качественных электродвигателей.
Напряжение на выходе преобразователей частоты типа PWM (широтно-импульсная модуляция), не оснащенных LC- или RC-фильтрами, значительно отличается по форме от синусоидального. При длине соединительного кабеля 100 м его пики достигают 850–1200 В, в зависимости от исполнения преобразователей. С удлинением кабеля, соединяющего преобразователь частоты с электродвигателем, эти пики увеличиваются (при длине кабеля 200 м – 1700–2400 В). Результатом их воздействия становится снижение срока службы электродвигателя. Поэтому преобразователь частоты следует снабжать, по меньшей мере, RC-фильтром.
Устройства плавного пуска двигателя также являются источником несинусоидального тока, создающего в сети помехи. Если время ускорения и торможения электродвигателя мало, эти помехи незаметны. Но когда фаза пуска длится более 3 с, температура обмоток электродвигателя возрастает и, следовательно, снижается срок его службы.
Контакторы крупных электрических машин. Пуск крупных двигателей, осуществляемых методом прямого включения или способом «звезда–треугольник», может сопровождаться искровым разрядом на контактах контактора. Это вызывает значительные пики напряжения в сети. Для погружных электродвигателей они опасны только при очень слабой сети.
Конденсаторы. В промышленных установках применяются сложные приборы регулирования с многочисленными конденсаторами большой емкости, возвращающими пики напряжения в сеть. Как и в предыдущем случае, для погружных электродвигателей они представляют опасность лишь в случае слишком слабой сети.
Еще один источник перенапряжений – удары молний. Пики напряжения, возникающие при попадании молнии в электрическую сеть, достигают 20–100 кВ.
При ударе в высоковольтную сеть скачки напряжения частично поглощаются через молниеотвод на трансформаторной подстанции и отводятся на шину заземления.
Если удар молнии пришелся в низковольтную сеть, опасность возникновения скачков напряжения от 10 до 20 кВ существует только для распределительного шкафа установки. Если шкаф управления и сам электродвигатель погружного насоса не защищены, соответственно, молниеотводом и заземлением, то насосная установка может быть повреждена, так как находится в грунтовых водах и способна сыграть роль молниеотвода. Способы заземления скважины показаны на рис. 8.
Импульсы от удара молнии могут попасть в обмотки электродвигателя как через силовой, так и через заземляющий кабель.
Там, где удары молнии часты, наилучший способ защиты погружных электродвигателей и их выключателей состоит в установке на приводной стороне главного выключателя молниеотвода, соединенного со стержневым заземлителем или, по возможности, водоподъемной трубой скважины, если она стальная.
Если система подверглась ударам молнии, все детали распределительного шкафа следует тщательно проверить. Заземляющие контакты могут перегореть в одной фазе, что может привести к повышению напряжения и асимметрии тока распределительного шкафа. Заземляющие контакты или тепловое реле могут перегореть в различных фазах, в результате чего может возникнуть как падение напряжения, так и асимметрия. Если перегорело тепловое реле, оно не сможет расцепиться и тем самым обеспечить защиту обмоток электродвигателя.
Отметим: только в редких случаях при ударах молнии разрушаются электродвигатели. Так, погружные электродвигатели Grundfos MS 402 имеют класс защиты изоляции до 15 кВ. Это максимальное значение напряжения, которое может пройти через электродвигатель, например, при ударах молнии вблизи него (речь, конечно, не идет о прямых ударах).
Статья напечатана в журнале «Аква-Терм» #2(42) 2008