Die Auswirkungen von Spannungsungleichgewichten

Wenn Sie Dreiphasensysteme verwenden, sollten Sie sich über unsymmetrische Spannungen im Klaren sein, eines der häufigsten Probleme bei der Stromversorgung in Industrieanlagen. Die Wahrscheinlichkeit, dass Ihre Anlage ein Ungleichgewicht aufweist, ist hoch, wenn Sie keine Maßnahmen zur Vorbeugung getroffen haben. Ideal ist es, Ungleichgewichte zu erkennen, bevor sie schwere Schäden an Ihren Geräten verursachen.

Im Folgenden erfahren Sie, was Spannungsungleichgewichte sind, welche Ursachen sie haben und wie Sie sie verhindern und prüfen können, um Ihre elektrischen Anlagen zu schützen.

Was ist eine 3-Phasen-Spannungsunsymmetrie?

Ein dreiphasiges Stromnetz ist symmetrisch, wenn die dreiphasigen Spannungen und Ströme die gleiche Amplitude haben. Ein unsymmetrisches System bedeutet, dass die Phasenspannungen ungleich sind.

Diese Unsymmetrie misst die Differenz zwischen den Spannungsphasen in einem Dreiphasensystem. Dieses Stromproblem tritt häufig in Industriekraftwerken oder in Anlagen auf, in denen große Maschinen mit leistungsstarken Motoren betrieben werden.

Spannungsungleichgewichte können sich auf zahlreiche Aspekte Ihres Betriebs auswirken, darunter Motoreffizienz, Kosten und Schäden.

Was sind die Ursachen für unsymmetrische Spannungen?

ANSI C84.1 besagt: Elektrische Versorgungssysteme sollten so ausgelegt und betrieben werden, dass die maximale Spannungsunsymmetrie auf 3 % begrenzt wird, wenn sie am Stromzähler unter Leerlaufbedingungen gemessen wird. Das bedeutet, dass es in der Verantwortung des Benutzers liegt, den Gleichgewichtszustand der Spannung seiner Anlage zu überprüfen.

Wenn eine Spannung unsymmetrisch ist, liegt das oft an der Lastverteilung im System. Diese Ungleichgewichte können an jedem Punkt eines Systems auftreten, und unausgewogene Stromsysteme können aus vielen Gründen entstehen.

Hier sind einige der häufigsten Ursachen für unsymmetrische Spannungen:

• Mangelnde Symmetrie der Übertragungsleitungen
• Große einphasige Lasten, wie Lichtbogenöfen oder Schweißgeräte
• Defekte Kondensatorbatterien zur Blindleistungskompensation
• Offene Dreieck- oder Sterntransformatoren
• Geringes Ausgangsdrehmoment verursacht mechanische Belastungen
• Hochstrom in Drehstromgleichrichtern und Motoren
• Unsymmetrie des Stroms in den Neutralleitern
• Fehlerhafter Betrieb von Blindleistungskompensationsanlagen
• Unausgewogene oder instabile Energieversorgung
• Unsymmetrische Trafobank, die eine dreiphasige Last versorgt, die für die Bank zu groß ist
• Ungleichmäßig verteilte einphasige Lasten im gleichen Stromnetz
• Nicht identifizierte einphasige Erdschluss-Fehler
• Lose, korrodierte, angefressene Stecker oder Schütze

Auch der Zustand der Anlage kann eine Spannungsasymmetrie verursachen oder zu ihr beitragen. So können beispielsweise überlastete Transformatoren, schlecht funktionierende Blindleistungskompensatoren, zyklische Steuerungen und verstimmte Drosseln zu Ungleichgewichten führen. Auch was im Kraftwerk nebenan oder weiter oben in der Stromleitung passiert, kann sich auf die Spannungsungleichheit in Ihrer Anlage auswirken.

Auswirkungen von Spannungsasymmetrien

Unsymmetrische Spannungen können für Motoren schädlich sein. Ein Unterschied in den Phasenspannungen verursacht in Drehstrommotoren Umlaufströme, die zu einer Stromunwucht führen, die sechs bis 15 Mal höher ist als die Spannungsunwucht. Der zusätzliche Strom trägt zu einer erhöhten Motorerwärmung bei, die bei einer ausreichend großen Unwucht sehr stark sein kann. Diese höhere Motortemperatur beeinträchtigt die umgebende Isolierung, verkürzt die Lebensdauer des Motors und führt zum Durchbrennen des Motors.

Weitere Auswirkungen von unausgeglichenen Strömen und Spannungen sind erhöhte Pulsationen, mechanische Belastungen, Vibrationen und Verluste. Darüber hinaus sind Wartungsprobleme wie abgenutzte Kontakte und lose Verbindungen keine Seltenheit. Diese Probleme können dazu führen, dass ein Motor zu laut arbeitet, bei hohen Temperaturen läuft und vorzeitig ausfällt.

Darüber hinaus wird durch die Spannungsunsymmetrie der Anteil des Stroms der blockierten Rotorwicklung, der bereits relativ hoch ist, verändert, die Volllastdrehzahl wird leicht verringert und das Drehmoment wird reduziert. Wenn die Spannungsunsymmetrie groß genug ist, reicht das reduzierte Drehmoment für die Anwendung möglicherweise nicht aus und der Motor erreicht nicht seine Nenndrehzahl.

Die NEMA-Norm MG-1 besagt, dass mehrphasige Motoren unter Betriebsbedingungen bei Nennlast erfolgreich arbeiten müssen, wenn die Spannungsunsymmetrie an den Motorklemmen 1 % nicht überschreitet. Der Betrieb eines Motors mit einer Unwucht von mehr als 5 % wird nicht empfohlen und führt wahrscheinlich zu einer Beschädigung des Motors.

Obwohl dies im Allgemeinen nicht wünschenswert ist, kann eine weitere Korrekturmaßnahme darin bestehen, einen Motor zu drosseln. Wenn die Spannungsunsymmetrie 1 % übersteigt, muss ein Motor gedrosselt werden, damit er erfolgreich arbeiten kann. Die unten gezeigte Derating-Kurve zeigt, dass ein Motor bei dem von der NEMA festgelegten Grenzwert von 5 % für Unwucht auf nur etwa 75 % seiner Nennleistung gedrosselt werden würde.

Unsymmetrische Spannungen können die in Frequenzumrichtern (VFDs) verwendeten 3-Phasen-Gleichstromwandler beschädigen. Problematische Frequenzumrichter (VFD), bei denen es zu unerwünschten Auslösungen kommt, die alle Anzeichen einer Überlastung des Stromkreises aufweisen, obwohl die Messungen etwas anderes zeigen, können unsymmetrische Phasenströme aufweisen. Die Netzströme von VFDs können aufgrund eines zu hohen Stroms in einer oder zwei Phasen sehr unausgeglichen werden. Dies geschieht, obwohl der durchschnittliche Strom der drei Phasen weit unter dem Nennstrom des VFD liegt.

Das vordere Ende der VFDs verwendet eine Anordnung von Hochleistungsdioden, um die dreiphasige AC-Eingangsleistung umzuwandeln und den DC-Bus als Reservoir für den Wechselrichterteil zu erzeugen. Der Strom durch den Eingangsgleichrichterteil wird in Impulsen entnommen. Im Idealfall ist der Stromfluss durch jede Diode gleichmäßig aufgeteilt. Eine unsymmetrische Spannung am Eingang des Frequenzumrichters führt jedoch zu einem ungleichen Stromfluss durch die einzelnen Dioden, was zu einem vorzeitigen und häufigen Ausfall der Leistungsdioden führt. Der unsymmetrische Ausgang der Stromdioden führt zu einem erhöhten Oberwellengehalt. Wenn die Ausgangsimpulse unsymmetrischer werden, nehmen auch die dreifachen Stromoberschwingungen zu.

Warum ist das wichtig?

Die offensichtlichsten Gründe, sich um Spannungsasymmetrien zu kümmern, sind eine geringere Motoreffizienz und Leistung – beides wirkt sich auf die Rentabilität Ihres Unternehmens aus. Der Wirkungsgrad eines jeden Motors hängt von Faktoren wie der Art der Anwendung, der Last und der Versorgungsspannung ab.

Der Betrieb an einer Stromversorgung mit einer größeren Spannungsunsymmetrie erhöht die ^I2R-Verluste– d. h. Strom im Quadrat mal Widerstand – in Rotor und Stator, was bedeutet, dass ein größerer Teil der zugeführten Leistung in Wärme und weniger in Arbeit umgewandelt wird. Der Motor läuft dann heißer und folglich weniger effizient. Beachten Sie, dass erhöhte Rotorverluste den “Schlupf” erhöhen, so dass sich der Motor etwas langsamer dreht und weniger Arbeit in einer bestimmten Zeit leistet.

Die grundlegende Arrhenius-Gleichung besagt, dass sich die chemische Geschwindigkeit für jedes Grad Celsius Temperaturerhöhung verdoppelt. Wendet man diese Gleichung auf die Isolierung des Motors an, so wird deutlich, dass jeder Temperaturanstieg die Lebensdauer des Motors drastisch verkürzt. Die folgende Tabelle zeigt die Auswirkungen der Wicklungstemperatur infolge einer Spannungsunsymmetrie.

Wenn Unwuchten Ihre Ausrüstung beschädigen, kommt es in Ihrer Anlage zu Ausfallzeiten, da die Motoren nicht so effizient laufen, wie sie sollten. Zusätzlich zu den finanziellen Einbußen während der Ausfallzeit müssen Ihre beschädigten Motoren kostspielig ersetzt oder repariert werden.

Wie man ein unausgewogenes Stromsystem verhindert

Um Spannungsasymmetrien zu vermeiden, müssen die Lasten gleichmäßig auf die Phasen einer Schalttafel verteilt sein. Wenn eine Phase stärker belastet wird als die anderen, ist die Spannung an dieser Phase niedrig, was zu einer Unsymmetrie führt. Eine gleichmäßige Verteilung der Lasten verhindert, dass eine Phase überlastet wird.

Das Wissen um die Ursachen eines Ungleichgewichts hilft Ihnen und Ihren Technikern, auf die Anzeichen zu achten und sie zu vermeiden. Der beste Weg, um Ungleichgewichte zu vermeiden, ist die Prüfung auf Spannungsungleichgewichte und die Ermittlung der möglichen Ursache. Selbst wenn irgendwo im System ein geringfügiges Ungleichgewicht besteht, könnte ein Test jetzt helfen, es zu erkennen, bevor die Auswirkungen schädlich sind. Das ATPOL III™ Energized Electrical Signature Analysis (ESA) Prüfgerät mit der dazugehörigen ATPOL 8.0 Software kann schnell und genau die Spannungsunsymmetrie messen und berechnen, die diesen industriellen Arbeitspferden als Teil der routinemäßigen Motorprüfungen unter Spannung zugeführt wird, die weniger als 1 Minute dauern. Die Software ATPOL 8.0 berechnet die prozentuale Spannungsunsymmetrie und liefert den entsprechenden Spannungsreduzierungsfaktor.

Das tragbare ATPOL III™ kann mit Hilfe eines speziellen Steckers schnell an die vorinstallierten ALL-SAFE©-Anschlüsse oder über abnehmbare Stromwandler und Spannungssonden an jede leicht zugängliche Motorsteuerung oder Trennvorrichtung angeschlossen werden. Um die immer beliebter werdenden VFDs zusätzlich zu schützen, können sie sogar die Eingangsleistung dieser teuren Steuerungen testen, um sicherzustellen, dass keine unsymmetrischen Spannungen vorliegen, die zu unsymmetrischem Strom durch die Gleichrichterabschnitte führen können.

Berechnung des unsymmetrischen Stroms

Um den prozentualen Anteil einer unsymmetrischen Spannung manuell zu berechnen, müssen Sie zunächst den durchschnittlichen Strom oder die durchschnittliche Spannung sowie die größte Abweichung ermitteln. Dann teilen Sie die Abweichung durch die durchschnittliche Spannung und multiplizieren diese Zahl mit 100, um Ihren Prozentsatz zu erhalten.

Der Prozentsatz der Spannungsunsymmetrie:

Zum Beispiel: V1 = 469

V2 = 478

V3 = 461

Durchschnittliche Spannung = 469,33 V2 hat eine maximale Abweichung von 8,66667

% VUB = 100(8.66667/469.33) = 1.84%

Das ATPOL ist das ideale Werkzeug für Ihre vorausschauende Instandhaltung zur Prüfung stromführender Motoren. Die routinemäßige Durchführung einer ESA-Motorprüfung mit ALL-SAFE PRO©ermöglicht den Betrieben eine schnelle und vollständige Inspektion des gesamten Motorsystems.

Das ATPOL III™nutzt die Spannung und den Strom des Motors für den Zugriff:

• Die Bedingung von eingehendem Strom
• Der elektrische und mechanische Zustand des Motors und die Unwucht
• Fehlausrichtung
• Lagerungsbedingungen
• Lockerheit
• Reiben der Ladung
• Anomalien im Prozess, wie Kavitation

Tragbare Messungen können mit tragbaren, anklemmbaren oder flexiblen Stromwandlern leicht an allen Motoren durchgeführt werden, die nicht über alle Tresore verfügen.

Das ATPOL III™ führt eine gleichzeitige Datenerfassung aller drei Phasen von Spannung und Strom durch, um die Grafiken, Tabellen und Anzeigen zu erstellen, die für die Nutzung der Stromqualität als Instrument für die vorausschauende Wartung erforderlich sind, damit Ihre Anlagen zu den besten der Welt gehören. Verwenden Sie die V-Unsymmetrie zur Vorhersage eines vorzeitigen Ausfalls der Wicklungsisolierung, um die durch die Spannungsunsymmetrie verursachte verkürzte Lebensdauer des Motors zu ermitteln.

Genaue Prüfung Ihrer Motoren mit ALL-TEST PRO

Motorentests sind wichtig, um sicherzustellen, dass Ihre Geräte ordnungsgemäß funktionieren, und um Fehler oder potenzielle Probleme zu finden, damit sie behoben werden können. Um die Genauigkeit bei der Prüfung Ihrer Motoren zu gewährleisten, verwenden Sie ALL-TEST-Produkte. Ganz gleich, ob Sie auf Spannungsasymmetrien prüfen oder eine stromlose Prüfung durchführen, unsere Produkte können Ihnen helfen, den Status Ihres Motors zu bestimmen.

ATP kennt Motoren. ATP ist spezialisiert auf stromführende und stromlose Lösungen für Feldtests. ATP-Produkte sind tragbar, leicht, einfach zu bedienen, genau und ermöglichen eine frühzeitige Erkennung möglicher Probleme, damit Ihre Anlage effizient und sicher läuft.