Beseitigung von Spannungsungleichgewichten

Spannungsunsymmetrie verschlechtert die Leistung und verkürzt die Lebensdauer eines Drehstrommotors. Eine Spannungsunsymmetrie an den Motorklemmen kann eine Stromunsymmetrie verursachen, die in keinem Verhältnis zur Spannungsunsymmetrie steht. Unsymmetrische Ströme führen zu Drehmomentpulsationen, erhöhten Vibrationen und mechanischen Belastungen, erhöhten Verlusten, die zu einem geringeren Wirkungsgrad führen, und zur Überhitzung des Motors, was die Lebensdauer der Wicklungsisolierung verringert.

Die prozentuale Spannungsasymmetrie wird von der National Electrical Manufacturers Association (NEMA) definiert als das 100-fache des absoluten Werts der maximalen Abweichung der Netzspannung von der durchschnittlichen Spannung in einem Dreiphasensystem, dividiert durch die durchschnittliche Spannung. Wenn beispielsweise die gemessenen Netzspannungen 462, 463 und 455 Volt betragen, ergibt sich ein Durchschnittswert von 460 Volt. Die Spannungsunsymmetrie ist:

(460 – 455) /460 x 100 = 1.1%

Es wird empfohlen, dass die Spannungsunsymmetrien an den Motorklemmen 1 % nicht überschreiten. Unwuchten, die 1 % überschreiten, erfordern eine Leistungsreduzierung des Motors gemäß Abbildung 20-2 von NEMA MG-1-2011 und führen bei den meisten Herstellern zum Erlöschen der Garantie. Häufige Ursachen für Spannungsasymmetrien sind:

– Fehlerhafter Betrieb von Blindleistungskompensationsanlagen

– Unausgewogene oder instabile Versorgungslage

– Unsymmetrische Transformatorbank, die eine dreiphasige Last versorgt, die für die Bank zu groß ist

– Ungleichmäßig verteilte einphasige Lasten im gleichen Stromnetz

– Nicht identifizierte einphasige Erdschlussfehler

– Ein offener Stromkreis im primären Verteilernetz

Der Wirkungsgrad eines Motors mit 1.800 Umdrehungen pro Minute (U/min) und 100 Pferdestärken (PS) ist in Tabelle 1 als Funktion der Spannungsunsymmetrie und der Motorlast angegeben. Der allgemeine Trend zur Verringerung des Wirkungsgrads mit zunehmender Spannungsunsymmetrie ist bei Motoren unter allen Lastbedingungen zu beobachten.

Spannungsungleichheit ist wahrscheinlich das Hauptproblem der Netzqualität, das zur Überhitzung und zum vorzeitigen Ausfall von Motoren führt. Wenn unsymmetrische Spannungen festgestellt werden, sollte eine gründliche Untersuchung durchgeführt werden, um die Ursache zu ermitteln. Energie- und Kosteneinsparungen entstehen, wenn Abhilfemaßnahmen ergriffen werden.

Vorgeschlagene Maßnahmen

• Überprüfen Sie regelmäßig die Spannungen an den Motorklemmen, um sicherzustellen, dass die Spannungsunsymmetrie unter 1 % bleibt. Erwägen Sie die Installation von Sensoren, die bei inakzeptablen Werten oder Änderungsraten von Werten Alarm schlagen. ISA100 drahtlose Sensornetzwerke könnten von Interesse sein.
• Überprüfen Sie die Einleitungsdiagramme Ihrer elektrischen Anlage, um sicherzustellen, dass die einphasigen Lasten gleichmäßig verteilt sind.
• Installieren Sie nach Bedarf Erdschlussanzeiger und führen Sie jährliche thermografische Inspektionen durch. Ein weiteres Anzeichen für eine Spannungsunsymmetrie sind 120-Hertz-Vibrationen (Hz). Wenn eine 120-Hz-Vibration festgestellt wird, sollte sofort die Spannungsbalance überprüft werden.

Beispiel für Energieeinsparungen durch Spannungsabweichungen

Nehmen wir an, der in Tabelle 1 geprüfte 100-PS-Motor wurde voll belastet und 8.000 Stunden pro Jahr (Std./Jahr) mit einer unsymmetrischen Spannung von 2,5 % betrieben. Bei einem Energiepreis von 0,08 $/Kilowattstunde (kWh) betragen die jährlichen Energie- und Kosteneinsparungen nach Durchführung der Korrekturmaßnahmen:

Jährliche Energieeinsparung = 100 PS x 0,746 kW/PS x 8.000 Stunden/Jahr x (100/93 – 100/94,4) = 9.517 kWh

Jährliche Kosteneinsparung = 9.517 kWh x $0,08/kWh = $760

Die Gesamteinsparungen können viel größer sein, da eine unsymmetrische Versorgungsspannung zahlreiche Motoren und andere elektrische Geräte versorgen kann.

Weitere Überlegungen

Spannungsunsymmetrie verursacht extrem hohe Stromunsymmetrie. Die Stromunsymmetrie kann 6- bis 10-mal so groß sein wie die Spannungsunsymmetrie. Bei dem 100-PS-Motor aus dem vorangegangenen Beispiel waren die Netzströme (bei Volllast und 2,5 % Spannungsasymmetrie) um 27,7 % unsymmetrisch.

Ein Motor läuft heißer, wenn er an einer Stromversorgung mit unsymmetrischer Spannung betrieben wird. Der zusätzliche Temperaturanstieg wird mit der folgenden Gleichung1 geschätzt:

Gesamttemperaturanstieg = ausgeglichener Temperaturanstieg x (1 + 2 x (% Spannungsasymmetrie)2 /100)

Ein Motor mit einem durch den Widerstand verursachten Temperaturanstieg von 80°C würde beispielsweise einen Temperaturanstieg von 6,4°C erfahren, wenn er unter den Bedingungen einer Spannungsunsymmetrie von 2% betrieben wird. Die Lebensdauer der Wicklungsisolierung verringert sich um die Hälfte pro 10°C Anstieg der Betriebstemperatur.2

Ressourcen

National Electrical Manufacturers Association (NEMA) – Weitere Informationen zu Spannungsungleichgewichten finden Sie unter www.nema.org.

U.S. Department of Energy (DOE)- Weitere Informationen über die Effizienz von Motoren und motorgetriebenen Systemen sowie das Software-Tool MotorMaster+ finden Sie auf der Website des Advanced Manufacturing Office (AMO) unter manufacturing.energy.gov.

Referenzen

Reliance Electric, “Stromversorgung”, September 1998.

2 “Ein kostspieliges Leck stoppen: Die Auswirkungen einer unsymmetrischen Spannung auf die Lebensdauer und den Wirkungsgrad von dreiphasigen Elektromotoren”. Energieangelegenheiten. U.S. Energieministerium. Winter 2005.

Zusätzliche Referenzen

Die Informationen in diesem Merkblatt stammen aus der NEMA-Normenveröffentlichung MG-1-2011, Motoren und Generatoren, die Sie unter www.nema.org erwerben können.