10 характеристик работы двигателя, которые должна понимать каждая команда промышленного технического обслуживания
Оригинальное название: 10 motor performance characteristics every industrial maintenance team should understand
Том Бишоп приводит десять практических правил для быстрой оценки пуска и установившегося режима трёхфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Материал охватывает допустимые отклонения и несимметрию напряжения и тока, ток полной нагрузки и заторможенного ротора, мгновенный пусковой ток, допустимое время заторможенного состояния, число пусков и скольжение. Авторы указывают, что такие ориентиры не заменяют детальный анализ, но помогают выявлять установки, которым необходимы дополнительная проверка, дерейтинг либо замена оборудования.
Статья адресована специалистам, которым нужны быстрые практические способы оценить параметры трёхфазного двигателя с короткозамкнутым ротором непосредственно на предприятии или в полевых условиях. Приведённые правила относятся к пуску и работе в установившемся режиме и, где применимо, опираются на стандарты NEMA или IEC. По мнению автора, при осмысленном применении они позволяют быстро обнаруживать случаи, требующие более пристального изучения, дерейтинга или изменения оборудования.
Первое правило касается изменения напряжения: при номинальной частоте для асинхронного двигателя допустимо отклонение ±10% от номинального напряжения. Для двигателя 60 Hz с номиналом 230 V допустимый диапазон составляет от 207 V (230 × 0,90) до 253 V (230 × 1,10). Если двигатель работает в сети 208 V, а непосредственно на его выводах измерено 203 V, это значение оказывается ниже допустимого предела. В статье говорится, что в такой ситуации двигатель может потребовать дерейтинга или замены на двигатель с номиналом 200 V для питания от сети 208 V. При этом отмечено, что на системе 208 V напряжение на двигателе нередко бывает и ниже — до 190 V.
Для несимметрии напряжения на клеммах двигателя без дерейтинга установлен максимум 1%. В примере для двигателя 50 hp (37 kW), подключённого к системе 480 V, междуфазные напряжения равны 451, 458 и 474 V. Их среднее составляет 461 V, а наибольшее абсолютное отклонение от среднего — 13 V. Следовательно, несимметрия равна (13/461) × 100, или 2,8%. Она превышает предел NEMA в 1,0%; согласно приведённой в материале Figure 1, коэффициент дерейтинга при 2,8% несимметрии составляет примерно 0,9. То есть двигатель следует ограничить мощностью на уровне 0,9 от паспортной.
Отклонение тока при номинальных напряжении, частоте и выходной мощности не должно превышать ±10% от номинального тока. Для двигателя 100 hp (75 kW) с паспортными 115 A при 460 V допустимый диапазон составляет 103,5–126,5 A. Материал подчёркивает, что этот результат совпадает с диапазоном изменения тока при полной нагрузке. В нормальном режиме процент несимметрии тока приблизительно в 6–10 раз больше процента несимметрии напряжения: при ранее рассчитанных 2,8% по напряжению ожидаемая несимметрия тока будет примерно 16,8–28,0%.
Ток полной нагрузки также может отличаться от номинального на ±10%. Если двигатель 100 hp (75 kW), 460 V, номинально рассчитанный на 115 A, при полной нагрузке потребляет 121 A, этот ток находится в пределах 103,5–126,5 A и поэтому допустим. Однако автор отдельно оговаривает, что значение выше паспортного тока всё же может быть признаком перегрузки.
Ток заторможенного ротора следует сопоставлять с диапазоном, который задаёт kVA code. У рассмотренного двигателя 100 hp (75 kW) код G означает 5,6–6,3 kVA на horsepower. По формуле для трёхфазной машины LRA = (пусковые kVA/hp × hp × 1000)/(V × 1,732) расчётный диапазон при 460 V равен 703–791 A. Измеренный ток заторможенного ротора 777 A лежит внутри этого диапазона и признан допустимым.
Мгновенный ток при пуске может составлять 1,8–2,8 тока заторможенного ротора. Для того же двигателя с кодом G, у которого при старте срабатывает защита цепи, диапазон на основе LRA 703–791 A составляет 1 265–2 215 A. Измеренный амперметром, способным фиксировать мгновенный ток, пусковой ток 1 311 A находится в этих границах. Следовательно, в статье он рассматривается как допустимый.
Минимально допустимая способность выдерживать ток заторможенного ротора для двигателей мощностью не более 500 hp (375 kW) составляет не менее 12 s. Исключение сделано для двухполюсных двигателей Design BE: для них предел равен восьми секундам. Так, двигатель 400 hp (300 kW), 4 pole, Design A должен выдерживать этот ток не менее 12 s, а двигатель 200 hp (150 kW), 2 pole, Design BE — не менее восьми секунд. В обоих случаях инерция нагрузки не должна превышать значений из MG 00001, Table 12-7.
Правило по числу пусков допускает два последовательных пуска, если двигатель первоначально имеет температуру окружающей среды и между пусками успевает остановиться на выбеге, либо один пуск, если температура двигателя не превышает температуры при работе с номинальной нагрузкой. Ограничения по мощности для этого требования нет: оно применимо как к двигателю 1 hp (0,75 kW), так и к машине 1000 hp (750 kW). Вместе с тем у двигателя 1000 hp (750 kW), как отмечают авторы, значительно вероятнее наличие датчиков температуры обмоток; по ним можно определить температуру при номинальной нагрузке и температуру обмотки перед повторным пуском.
Последняя характеристика — скольжение, определяемое как разность между синхронной частотой вращения и номинальной частотой вращения. Оно может отклоняться на 20% от паспортного скольжения по скорости. У двигателя 50 Hz, 4 pole синхронная скорость равна 1500 rpm, а паспортная скорость при полной нагрузке — 1475 rpm, поэтому скольжение составляет 25 rpm. Допустимое скольжение равно 20–30 rpm, а приемлемый диапазон скорости при полной нагрузке — 1470–1480 rpm. Скорость ниже 1470 rpm при полной нагрузке может свидетельствовать о перегрузке.
В заключение материал подчёркивает: эти правила не являются заменой подробному анализу. Однако они дают практический способ выделить в поле применения трёхфазных двигателей, которым нужны дальнейшая проверка, дерейтинг или изменения оборудования. Заявленная цель такого подхода — повысить надёжность, сократить ложные срабатывания защит и предотвратить преждевременные отказы двигателей.