Электродвигатели для трансформатора 90 кВт
Электродвигатели для трансформатора 90 кВт: технические аспекты выбора и эксплуатации
Вопрос о подборе электродвигателя для трансформатора мощностью 90 кВт является некорректным с технической точки зрения, так как электродвигатели не используются для трансформаторов. Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство для преобразования напряжения и тока, не требующее привода. Правильная формулировка задачи звучит так: выбор и эксплуатация электродвигателей, питающихся от электрической сети через силовой трансформатор номинальной мощностью 90 кВА/кВт. Данная статья детально рассматривает все аспекты этой задачи: от расчета параметров сети до выбора и защиты двигателей.
1. Роль трансформатора 90 кВА в системе электроснабжения двигателей
Трансформатор мощностью 90 кВА (киловольт-ампер) является источником питания для группы электроприемников, среди которых могут быть асинхронные электродвигатели. Его полная мощность (S) в кВА связана с активной мощностью (P) в кВт через коэффициент мощности (cos φ) нагрузки: P = S × cos φ. Для двигательной нагрузки с cos φ ≈ 0.85-0.9, трансформатор 90 кВА может обеспечивать активную мощность примерно 76-81 кВт. Это ключевое ограничение для суммарной мощности одновременно работающих двигателей.
Основные функции трансформатора в данном контексте:
- Гальваническая развязка первичной (высоковольтной 6/10 кВ) и вторичной (низковольтной 0.4 кВ) сетей.
- Снижение напряжения до стандартного уровня 400/230 В для питания низковольтных двигателей.
- Обеспечение требуемой полной мощности для группы потребителей, включая пусковые токи двигателей.
- Ограничение токов короткого замыкания в сети 0.4 кВ за счет собственного сопротивления.
- Коэффициент использования (Ки) и коэффициент загрузки каждого двигателя.
- Коэффициент одновременности (Ко) работы двигателей.
- Пусковые токи двигателей, которые в 5-8 раз превышают номинальные.
- Допустимая длительная активная мощность нагрузки: P = 90 кВА × 0.8 = 72 кВт.
- При установке, например, трех двигателей по 22 кВт (установленная мощность 66 кВт) с Ко = 0.9 и средним Ки = 0.85, их средняя потребляемая мощность составит: 66 кВт × 0.9 × 0.85 ≈ 50.5 кВт. Это укладывается в лимит.
- Основная проблема — пуск. Пуск самого мощного двигателя (22 кВт, Iпуск/Iном=7) при работающих других нагрузках может вызвать просадку напряжения, превышающую допустимые 10-15%.
- Максимально-токовая защита (МТЗ) от токов короткого замыкания и перегрузки. Настраивается с учетом пусковых токов.
- Тепловая защита (встроенная в двигатель или реле перегрузки в пускателе) от длительной перегрузки.
- Защита от обрыва фазы и асимметрии напряжения. Критично, так как трансформаторная подстанция может быть нерезервированной.
- Нулевая защита (защита от понижения напряжения).
- Нагрузочная способность: Цикличность работы двигателей может вызывать колебания нагрузки. Длительная нагрузка трансформатора не должна превышать 85-90% от номинала.
- Реактивная мощность: АД потребляют реактивную мощность для создания магнитного поля, снижая cos φ системы. При низком cos φ увеличиваются потери в трансформаторе и кабелях, снижается его полезная отдаваемая активная мощность. При наличии нескольких двигателей мощностью от 15-18 кВт рекомендуется установка автоматической конденсаторной установки (АКУ) на шинах 0.4 кВ для компенсации реактивной мощности.
- Токи короткого замыкания: Сопротивление трансформатора 90 кВА (около 4-6%) ограничивает ток КЗ на стороне 0.4 кВ, что упрощает выбор коммутационной аппаратуры, но требует проверки чувствительности защит.
- Организовать поочередный пуск двигателей с временными задержками.
- Применять устройства плавного пуска.
- Использовать АВР или логику ПЛК, запрещающую одновременный пуск.
- Длительную нагрузку: Iн.ав ≥ Iн.тр = 130А. Выбираем стандартный номинал 160А.
- Селективность с защитами отходящих линий двигателей.
- Стойкость к броскам тока намагничивания трансформатора (до 10-12 Iн) при его включении. Для этого используют выключатели с характеристикой срабатывания D или K, либо специальные «трансформаторные» характеристики.
- Отстройку от допустимой перегрузки трансформатора. Тепловой расцепитель (Iр) настраивается на ток 130-140А, а электромагнитный расцепитель (отсечка) — на ток 5-10 Iн.ав для обеспечения селективности и исключения ложных срабатываний при пуске двигателей.
2. Расчет допустимой мощности и количества двигателей
Суммарная установленная мощность подключаемых электродвигателей может превышать номинал трансформатора, но их одновременная работа и, что критично, пуск должны быть спланированы. Необходимо учитывать:
Пример расчета для трансформатора 90 кВА (cos φ тр-ра примем 0.8):
Рекомендуемая максимальная мощность одного двигателя, подключаемого к трансформатору 90 кВА, не должна превышать 25-30% его мощности, т.е. примерно 22-30 кВт. Для более мощных двигателей требуется применение систем плавного пуска или частотных преобразователей.
3. Критерии выбора электродвигателей для работы от сети через трансформатор 90 кВА
Выбор конкретного двигателя определяется требованиями технологического процесса и параметрами сети.
| Параметр | Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АД) | Асинхронный двигатель с фазным ротором (АДФР) | Синхронный двигатель (СД) |
|---|---|---|---|
| Типовой диапазон мощностей | До 400+ кВт | От 55 до 2000 кВт | От 100 кВт и выше |
| Применимость для Тр-ра 90 кВА | Основной вариант для двигателей до 22-30 кВт. | Мало применим из-за сложности и стоимости. Может использоваться для тяжелого пуска, но мощность все равно ограничена трансформатором. | Нецелесообразен из-за малой мощности системы и высокой стоимости. |
| Коэффициент мощности (cos φ) | 0.85-0.9 (зависит от нагрузки), может быть низким при недогрузке. | Аналогично АД. | Регулируемый, может работать с cos φ=1 или в режиме компенсации реактивной мощности. |
| Пусковой ток | Высокий (5-8 Iном). Требует проверки по условиям пуска. | Снижается за счет пускового реостата в цепи ротора (до 1.5-2.5 Iном). | Сложный пуск, обычно применяется частотный пуск. |
| Рекомендация | Оптимальный выбор для насосов, вентиляторов, станков. Для тяжелого пуска требуется УПП или ЧП. | Для специфичных задач с тяжелыми условиями пуска на фоне ограниченной мощности сети. | Не рекомендуется для системы с трансформатором 90 кВА. |
4. Способы пуска электродвигателей в ограниченной по мощности сети
Пуск — наиболее ответственный режим. Падение напряжения на шинах 0.4 кВ при пуске двигателя рассчитывается по формуле: ΔU ≈ (Iпуск × Zтр) / Uном, где Zтр — полное сопротивление трансформатора.
| Метод пуска | Принцип действия | Ожидаемый пусковой ток (от Iном) | Влияние на сеть |
|---|---|---|---|
| Прямой пуск (DOL) | Прямое подключение на полное напряжение сети. | 5-8 × Iном (≈ 210-330А для 22 кВт) | Критическое. Падение напряжения может превысить 15%. Риск отказа пуска и воздействия на другую нагрузку. |
| Пуск переключением «звезда-треугольник» | Начальный пуск в «звезде», затем переключение на «треугольник». | 1.7-2.5 × Iном (≈ 70-105А) | Существенно снижает пусковой ток и момент (в 3 раза). Эффективен для легких и средних нагрузок (насосы, вентиляторы). |
| Устройство плавного пуска (УПП) | Плавное нарастание напряжения на статоре с помощью симисторов. | До 2.5-4 × Iном (настраивается) | Оптимально. Минимальное падение напряжения, плавный разгон. Защита механизмов. |
| Частотный преобразователь (ЧП) | Пуск с плавным увеличением частоты и напряжения. | 1-1.5 × Iном | Наилучший способ. Пусковой ток минимален. Добавляет функции регулирования скорости и энергосбережения. |
5. Комплекс защиты и управления
Каждый двигатель, питающийся от трансформатора 90 кВА, должен быть оснащен комплексом защит, селективно согласованных с защитой трансформатора.
Автоматический выключатель двигателя должен иметь характеристику срабатывания, стойкую к пусковому току (например, D для двигателей).
6. Влияние группы двигателей на режим работы трансформатора
Работа двигательной нагрузки определяет следующие аспекты эксплуатации трансформатора:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Можно ли подключить двигатель 55 кВт к трансформатору 90 кВА?
Непосредственный прямой пуск двигателя 55 кВт от трансформатора 90 кВА невозможен. Установленная мощность двигателя составляет более 60% от мощности трансформатора. Пусковой ток двигателя (≈ 350-500А) вызовет недопустимую просадку напряжения (более 25-30%), что приведет к неуспешному пуску, срабатыванию защит и нарушению работы другого оборудования. Теоретически, возможно применение частотного преобразователя с правильным подбором входного дросселя и настройкой длительного плавного пуска, но даже в рабочем режиме двигатель 55 кВт будет загружать трансформатор на 80-90%, не оставляя ресурса для других потребителей. Такое решение считается нерациональным и аварийно опасным.
Какой кабель выбрать для подключения двигателя 18.5 кВт к щиту, питающемуся от Тр-ра 90 кВА?
Номинальный ток двигателя 18.5 кВт при 400В, cos φ=0.85, η=0.93 составляет примерно 35А. Для питания двигателя с прямым пуском выбирается кабель с медными жилами, например, ВВГнг-LS. Сечение выбирается по току, условиям прокладки и с учетом падения напряжения. Для данного тока подходит сечение 6 мм² (допустимый ток 40А при прокладке в воздухе). Однако, учитывая пусковые токи и возможную длину линии, для надежности часто выбирают сечение 10 мм² (55А). Обязателен расчет потерь напряжения: ΔU = √3 × I × L × (R cos φ + X sin φ) / U. При длине линии 50 м, сечении 10 мм², падение составит около 2-3 В (0.6%), что допустимо. Кабель должен быть защищен автоматическим выключателем с характеристикой D и номиналом 40А, совместно с тепловым реле, настроенным на ток 35А.
Нужна ли компенсация реактивной мощности при работе нескольких двигателей от такого трансформатора?
Да, часто необходима. Рассмотрим пример: три двигателя по 15 кВт работают с загрузкой 0.8. Их суммарная активная мощность P = 36 кВт. При среднем cos φ = 0.85, их полная мощность S = P / cos φ = 42.4 кВА, а реактивная мощность Q = √(S² — P²) ≈ 22 квар. Если не компенсировать эту мощность, трансформатор будет загружен реактивным током, увеличивая потери. Установка АКУ мощностью 15-20 квар позволит повысить cos φ до 0.95-0.98. Это высвободит мощность трансформатора: при cos φ=0.98, для той же активной мощности 36 кВт требуется всего S = 36 / 0.98 ≈ 36.7 кВА. Экономический эффект — снижение потерь и возможное избежание штрафов от энергоснабжающей организации за низкий cos φ.
Что произойдет, если суммарный пусковой ток двигателей превысит номинальный ток трансформатора?
Трансформатор допускает кратковременные перегрузки. Однако, если суммарный пусковой ток (например, при одновременном пуске нескольких двигателей) превысит допустимую для трансформатора кратковременную перегрузку (регламентируется стандартами, например, 150% нагрузки на 30 сек.), сработает максимально-токовая защита на стороне 0.4 кВ или газовая/тепловая защита самого трансформатора. Это приведет к отключению всей секции 0.4 кВ. Для предотвращения этого необходимо:
Превышение пускового тока также вызывает резкое снижение напряжения, что может привести к отказу в пуске, перегреву обмоток двигателей и трансформатора из-за увеличения тока намагничивания.
Как правильно выбрать номинал автоматического выключателя на стороне 0.4 кВ трансформатора 90 кВА при двигательной нагрузке?
Номинальный ток трансформатора на стороне 0.4 кВ: Iн = S / (√3 × U) = 90000 / (1.732 × 400) ≈ 130А. Автоматический выключатель (АВ) вводного фидера должен обеспечивать:
Таким образом, типовой выбор — автоматический выключатель на 160А с характеристикой D или K.