Silniki indukcyjne jako źródło prądu zwarciowego — zasilanie zwrotne według IEC 60909

Przewodnik o obliczaniu prądu zwarciowego metodą impedancyjną IEC 60909 omawia ogólną metodę obliczania początkowego symetrycznego prądu zwarciowego. Ten artykuł omawia wkład, który łatwo przeoczyć: pracujące silniki indukcyjne, które w chwili wystąpienia zwarcia przez krótki czas same stają się źródłem prądu.

Dlaczego silnik krótkotrwale oddaje prąd z powrotem

Pracujący silnik indukcyjny zawiera pole magnetyczne podtrzymywane przez prąd wirnika, wytwarzany przez różnicę poślizgu między polem wirującym stojana a mechaniczną prędkością wirnika. Gdy w pobliżu silnika wystąpi zwarcie i napięcie sieci nagle zapada lub gwałtownie spada, wirnik — dzięki swojej bezwładności mechanicznej — przez chwilę nadal obraca się z niemal tą samą prędkością, podczas gdy pole magnetyczne w wirniku wciąż jest obecne. Silnik zachowuje się w tej chwili krótkotrwale jak generator: oddaje zanikający prąd do miejsca zwarcia, zasilany energią magnetyczną zgromadzoną w wirniku.

Dlaczego ten wkład szybko zanika

W przeciwieństwie do wkładu generatora synchronicznego (patrz przewodnik o reaktancji podprzejściowej i przejściowej generatorów), który jest podtrzymywany przez aktywny układ wzbudzenia i dlatego utrzymuje się znacznie dłużej, silnik indukcyjny nie ma zewnętrznego źródła wzbudzenia — pole wirnika po prostu zanika, gdy tylko wyczerpie się zgromadzona energia magnetyczna. Wkład silnika indukcyjnego jest więc charakterystycznie krótkotrwały: zazwyczaj już silnie tłumiony w ciągu kilku cykli sieciowych po wystąpieniu zwarcia, ze stałą czasową znacznie krótszą niż w przypadku generatora synchronicznego.

Kiedy IEC 60909-0 wymaga uwzględnienia tego wkładu

IEC 60909-0 określa, że łączny wkład silników indukcyjnych musi zostać uwzględniony w obliczeniach prądu zwarciowego, gdy ich łączny wkład do początkowego symetrycznego prądu zwarciowego przekracza określony w normie próg istotności w stosunku do prądu zwarciowego bez silników. W instalacji przemysłowej z dużą mocą podłączonych silników — na przykład w sprężarkowni, pompowni lub dużej instalacji klimatyzacyjnej w ogrodnictwie szklarniowym — łączny wkład wszystkich pracujących silników może łatwo przekroczyć ten próg, nawet jeśli żaden pojedynczy silnik sam w sobie nie wydaje się istotny.

Jak modelowany jest wkład silnika

Do obliczeń silnik indukcyjny (lub równoważna grupa silników) jest modelowany za pomocą reaktancji podprzejściowej, wyprowadzonej ze stosunku prądu rozruchowego (prądu zwarcia zablokowanego wirnika, patrz również przewodnik o pomiarze prądu rozruchowego) do prądu znamionowego silnika. Im wyższy ten stosunek, tym niższa efektywna reaktancja i tym większy wkład silnika do wartości szczytowej prądu zwarciowego bezpośrednio po wystąpieniu zwarcia.

Znaczenie praktyczne dla wyłączników mocy

Wkład silnika ma szczególne znaczenie dla zdolności załączania (Icm) wyłącznika mocy w pobliżu grupy dużych silników: pierwsza wartość szczytowa prądu po wystąpieniu zwarcia jest wyższa dzięki połączonemu wkładowi sieci i silników razem. Dla zdolności wyłączania w nieco późniejszym momencie (na przykład po wewnętrznym opóźnieniu czasowym przekaźnika) wkład silnika jest zwykle już w dużej mierze wytłumiony i dlatego mniej decydujący — w przeciwieństwie do wkładu samej sieci, który pozostaje niezmieniony przez cały czas trwania zwarcia. To rozróżnienie między wpływem na wartość szczytową (Ip) a wpływem na późniejszy prąd wyłączania jest podobne, ale nie identyczne, do rozróżnienia stosowanego przy źródłach zasilanych przez przekształtnik, gdzie wkład jest ograniczany raczej przez układ sterowania przekształtnika niż przez fizyczny proces tłumienia.

Znaczenie praktyczne

Podczas wykonywania analizy prądu zwarciowego dla instalacji o znacznej mocy silnikowej (na przykład hali produkcyjnej z kilkoma dużymi napędami lub gospodarstwa rolnego z rozbudowaną instalacją klimatyzacyjną) należy sprawdzić, czy łączny wkład silników przekracza próg istotności IEC 60909-0, a jeśli tak, uwzględnić go zarówno przy określaniu wymaganej zdolności załączania wyłączników mocy w pobliżu silników, jak i przy ocenie selektywności powiązanych zabezpieczeń.

Typowe błędy

1. Traktowanie silników wyłącznie jako obciążeń w analizie prądu zwarciowego, bez uwzględnienia, że podczas zwarcia krótkotrwale same dostarczają prąd.
2. Pomijanie wkładu silnika, ponieważ żaden pojedynczy silnik nie wydaje się duży, podczas gdy łączny wkład wielu mniejszych silników może mimo to przekroczyć próg istotności IEC 60909-0.
3. Traktowanie wkładu silnika z tą samą stałą czasową co wkład generatora synchronicznego — wkład silnika zanika znacznie szybciej i dlatego ma znaczenie głównie dla wartości szczytowej, nie dla późniejszego prądu wyłączania.
4. Dobór zdolności załączania wyłącznika mocy w pobliżu dużej grupy silników bez uwzględnienia wkładu silników — może to prowadzić do wyłącznika, który podczas rzeczywistego zwarcia napotka wyższy prąd szczytowy, niż na który został dobrany.

Powiązane

• Obliczanie prądu zwarciowego — metoda impedancyjna IEC 60909
• Reaktancja generatora — podprzejściowa, przejściowa i synchroniczna (Xd)
• Źródła zasilane przez przekształtnik — wkład w prąd zwarciowy według IEC 60909
• Pomiar prądu rozruchowego silnika (locked rotor current)