Kompensation von Drehstrommotoren

Verfasser: Jens Schlender
Andreas Renner

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Inhaltsverzeichnis

1 Wesen der Kompensation . . . 12
1.1 Übertragung und rationelle Anwendung elektrischer Energie
1.2 Definition von Kompensation
1.3 Grundlagenbetrachtung zur Kompensation
1.3.1 Wirkwiderstand, induktiver Blindwiderstand, kapazitiver Blindwiderstand und Scheinwiderstand
1.3.2 Wirkstrom, induktiver Blindstrom und kapazitiver Blindstrom
1.3.2.1 Äquivalente Schaltungen
1.3.3 Wirk-, Blind, Scheinleistung- und Leistungsfaktor cos .
1.3.3.1 Wirkleistung
1.3.3.2 Blindleistung
1.3.3.3 Wirk- und induktive Blindleistung
1.3.3.4 Scheinleistung
1.3.3.5 Leistungsfaktor cos .
1.3.4 Drehstrom (dreiphasen Wechselstrom)
1.3.4.1 Entstehung des Drehstromes
1.3.4.2 Phasenverkettung
1.3.4.3 Verkettung
1.3.5 Wirkungsgrad

2 Gründe, Arten, Auswirkungen, Möglichkeiten und Richtlinien der Kompensation (laut TAB und EVU) . . . 28
2.1 Gründe der Kompensation
2.2 Kompensationsarten
2.3 Auswirkungen und Möglichkeiten der Kompensation
2.4 Richtlinien der Kompensation laut TAB und EVU

3 Berechnungen zum Anschluss eines Asynchronmotors ohne Kompensation und äquivalente Schaltungsbetrachtung . . . 33
3.1 Asynchronmotor in Dreieckbeschaltung
3.2 Asynchronmotor in Sternbeschaltung
3.3 Berechnung der induktiven- und wirksamen Stromanteile im Motorstrang, mit Hilfe der äquivalenten Schaltung
3.3.1 Motor in Dreieckschaltung
3.3.2 Motor in Sternschaltung

4 Berechnungen zur Kompensation eines Asynchronmotors (Vergleich Kompensation auf: cos . =0,9 ; auf cos = 1 ; auf cos . = -0,9 (überkompensiert)) . . . 40
4.1 Rechnerische Bestimmung der Kondensatoren und der Ströme bei Kompensation von cos . = 0,7 auf cos . = 0,9 (Berechnungsgrundlage: Asynchronmotor in Dreieckbeschaltung (Praxis))
4.1.1 Berechnung der Ströme0
4.1.1.1 Kapazitiver Strangstrom, kapazitiver Leiterstrom, Leiterstrom des Motors und Gesamtleiterstrom (Motor .-Kondensator .)
4.1.1.2 Vergleichsrechnung, kapazitiver Strangstrom, kapazitiver Leiterstrom, Leiterstrom des Motors und Gesamtleiterstrom (Motor .-Kondensator Y) -Kompensationsanpassung durch neuerrechnete Kondensatoren-
4.1.2 Berechnung der sich neu eingestellten Scheinleistung, Wirkleistung und induktiven Blindleistung aufgrund der Leistungsfaktorverbesserung von cos . = 0,7 auf cos . = 0,9 (Motor-.)
4.2 Rechnerische Bestimmung der Kondensatoren und der Ströme bei Kompensation von cos . = 0,7 auf cos . = 0,9 (Berechnungsgrundlage: Asynchronmotor in Sternbeschaltung) -Kompensationsanpassung durch neuerrechnete Kondensatoren-
4.2.1 Berechnung der Ströme
4.2.1.1 Kapazitiver Strangstrom, kapazitiver Leiterstrom, Leiterstrom des Motors und Gesamtleiterstrom (Motor Y-Kondensator .) -Kompensationsanpassung durch neuerrechnete Kondensatoren
4.2.1.2 Berechnung der sich neu eingestellten Scheinleistung, Wirkleistung und induktiven Blindleistung aufgrund der Leistungsfaktorverbesserung von cos . = 0,7 auf cos . = 0,9 (Motor Y)
4.3 Rechnerische Bestimmung der Kondensatoren und der Ströme bei Kompensation von cos . = 0,7 auf cos . = 1 (Berechnungsgrundlage: Asynchronmotor in Dreieckbeschaltung)
4.3.1 Berechnung der Ströme
4.3.1.1 Kapazitiver Strangstrom, kapazitiver Leiterstrom, Leiterstrom des Motors und Gesamtleiterstrom (Motor .-Kondensator .)
4.3.1.2 Vergleichsrechnung, kapazitiver Strangstrom, kapazitiver Leiterstrom, Leiterstrom des Motors und Gesamtleiterstrom (Motor .-Kondensator Y) -Kompensationsanpassung durch neu errechnete Kondensatoren- 
4.3.2 Berechnung der sich neu eingestellten Scheinleistung, Wirkleistung und induktiven Blindleistung aufgrund der Leistungsfaktorverbesserung von cos . = 0,7 auf cos . = 1 (Motor .)
4.4 Rechnerische Bestimmung der Kondensatoren und der kapazitiven Ströme bei Kompensation von cos . = 0,7 auf cos . = 1 (Berechungsgrundlage: Asynchronmotor in Sternbeschaltung) -Kompensationsanpassung durch neu errechnete Kondensatoren-
4.4.1 Berechnung der Ströme
4.4.1.1 Kapazitiver Strangstrom, kapazitiver Leiterstrom, Leiterstrom des Motors und Gesamtleiterstrom (Motor Y-Kondensator .) -Kompensationsanpassung durch neu errechnete Kondensatoren-
4.4.2 Berechnung der sich neu eingestellten Scheinleistung, Wirkleistung und induktiven Blindleistung aufgrund der Leistungsfaktorverbesserung von cos . = 0,7 auf cos . = 1 (Motor Y)
4.5 Rechnerische Bestimmung der Kondensatoren von cos . = 0,7 auf cos . = -0,9 kapazitiv (Überkompensation) (Berechungsgrundlage: Asynchronmotor in Dreieckbeschaltung)
4.5.1 Berechnung der Ströme
4.5.1.1 Kapazitiver Strangstrom, kapazitiver Leiterstrom, Leiterstrom des Motors und Gesamtleiterstrom (Motor .-Kondensator .)
4.5.1.2 Vergleichsrechnung, kapazitiver Strangstrom, kapazitiver Leiterstrom, Leiterstrom des Motors und Gesamtleiterstrom (Motor .-Kondensator Y) -Kompensationsanpassung durch neu errechnete Kondensatoren- 
4.5.2 Berechnung der sich neu eingestellten Scheinleistung, Wirkleistung und induktiven Blindleistung aufgrund der Überkompensierung von cos . = 0,7 auf cos . = -0,9 (Motor .)
4.6 Rechnerische Bestimmung der Kondensatoren und der kapazitiven Ströme bei Kompensation von cos . = 0,7 auf cos . = -0,9 (Berechungsgrundlage: Asynchronmotor in Sternbeschaltung) -Kompensationsanpassung durch neu errechnete Kondensatoren-
4.6.1 Berechnung der Ströme
4.6.1.1 Kapazitiver Strangstrom, kapazitiver Leiterstrom, Leiterstrom des Motors und Gesamtleiterstrom (Motor Y-Kondensator .) -Kompensationsanpassung durch neu errechnete Kondensatoren-
4.6.2 Berechnung der sich neu eingestellten Scheinleistung, Wirkleistung und induktiven Blindleistung aufgrund der Leistungsfaktorverbesserung von cos . = 0,7 auf cos . = -0,9 (Motor Y)

5 Praktische Umsetzung der theoretischen Erkenntnisse im Laborversuch . . . 79
5.1 Schaltungs- und Versuchsaufbau
5.2 Vergleich und Auswertung der gemessenen und berechneten Messdaten (Kompensation von cos . = 0,7 auf cos . = 0,9)
5.2.1 Tabellarischer Vergleich
5.2.2 Auswertung der Vergleichswerte
5.2.3 Messwertabweichungen zu berechneten Werten

6 Betrachtungen des Asynchronmotors zur Anlagenbestimmung . . . 83
6.1 Berechnung der statischen Motordaten (Netzart: 380V/660V)
6.2 Stromaufnahme im 230V/400V Netz
6.3 Sternschaltung im 230V/400V Netz
6.3.1 Blind-, Schein- und Wirkleistungsberechnung
6.3.2 Drehmomentberechnung
6.4 Dreieckschaltung im 230V/400V Netz
6.4.1 Blind-, Schein- und Wirkleistungsberechnung
6.4.2 Drehmomentberechnung

7 Anlagenbestimmung . . . 91
7.1 Anlagendarstellung und Festlegungen
7.2 Referenzstromberechnung
7.3 Kabel- und Leitungsberechnung
7.3.1 Mechanische Belastbarkeit
7.3.2 Strombelastbarkeit
7.3.3 Schutz durch Abschaltung
7.3.4 zulässiger Spannungsfall (Drehstrom)
7.3.5 Kurzschlussschutz

8 Kosten und Nutzen . . . 100

9 Arten von Starkstromkondensatoren für Kompensationszwecke . . . 104
9.1 PCB-haltige Starkstromkondensatoren
9.1.1 Einsatz und Gefahren von PCB-haltigen Starkstromkondensatoren
9.1.2 Eigenschaften von PCB
9.2 Brandschutz, Umweltschutz und Entsorgung von PCB-haltigen Kondensatoren
9.2.1 Brandschutz
9.2.2 Umweltschutz
9.2.3 Entsorgung von PCB-haltigen Kondensatoren
9.2.4 Kennzeichnung von PCB-haltigen und PCB-freien Kondensatoren

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Widerstandszeiger-Dreieck mit induktiven Blindwiderstand . . . 3
Abb. 2: Widerstandszeiger-Dreieck mit kapazitiven Blindwiderstandsanteil . . . 3
Abb. 3: Widerstandszeiger-Dreieck mit induktiven- und kapazitiven Blindwiderstandsanteil . . . 4
Abb. 4: Widerstandszeiger-Dreieck mit kapazitiven- und induktiven Blindwiderstandsanteil . . . 4
Abb. 5: Widerstandszeiger-Dreieck mit induktiven Blindwiderstandsanteil . . . 6
Abb. 6: Widerstandszeiger-Dreieck mit kapazitiven- und induktiven Blindwiderstandsanteil . . . 6
Abb. 7: Umwandlung einer Parallelschaltung aus R und L in eine äquivalente Reihenschaltung . . . 8
Abb. 8: Geometrische Addition der Teilspannungen . . . 8
Abb. 9: Umwandlung einer Reihenschaltung aus R und L in eine äquivalente Parallelschaltung . . . 8
Abb. 10: Geometrische Addition der Teilströme . . . 8
Abb. 11: Strom, Spannung und Leistung bei ohmscher Belastung 
Quelle: FRAKO (Handbuch), S.4 . . . 9
Abb. 12: Strom, Spannung und Leistung bei reiner Blindlast
Quelle: FRAKO (Handbuch), S.4 . . . 10
Abb. 13: Strom, Spannung und Leistung bei ohmscher und induktiver Last
Quelle: FRAKO (Handbuch), S.4 . . . 12
Abb. 14: Leistungsdreieck ohne kapazitiven Blindleistungsanteil . . . 12
Abb. 15: Leistungsdreieck mit kapazitiven Blindleistungsanteil . . . 12
Abb. 16: Erzeugung von drei phasenverschobenen Wechselströmen (Drehstrom)
Quelle: Von-Grambusch (Der Drehstrom) . . . 14
Abb. 17: graphische Augenblickswertbetrachtung der Ströme im Drehstromsystem
Quelle: Von-Grambusch (Der Drehstrom) . . . 15
Abb. 18: Schaltungsmöglichkeiten im Drehstromsystem
Quelle: Von-Grambusch (Der Drehstrom) . . . 16
Abb. 19: Darstellung der Drehstromverkettung in Stern (Spannungsverkettung)
Quelle: Von-Grambusch (Der Drehstrom) . . . 16
Abb. 20: Darstellung der Drehstromverkettung in Dreieck (Stromverkettung) . . . 17
Abb. 21: unkompensierte Leitungsbelastung
Quelle: JUST (Blindstrom-Kompensation), S.95 . . . 18
Abb. 22: kompensierte Leitungsbelastung
Quelle: JUST (Blindstrom-Kompensation), S.95 . . . 18
Abb. 23: Beispiel für Einzelkompensation
Quelle: FRAKO (Handbuch) S.7 . . . 19
Abb. 24: Beispiel für Gruppenkompensation
Quelle: FRAKO (Handbuch) S.7 . . . 20
Abb. 25: Beispiel für Zentralkompensation
Quelle: FRAKO (Handbuch) S.8 . . . 20
Abb. 26: Beispiel für gemischte Kompensation
Quelle: FRAKO (Handbuch) S.8 . . . 26
Abb. 27: Diagramm der Blindleistung mit Kompensation . . . 30
Abb. 28: Diagramm der Blindleistung mit Kompensation . . . 39
Abb. 29: Schaltungs- und Versuchsaufbau . . . 69
Abb. 30: Übersicht der Messergebnisse . . . 72
Abb. 31: Übersicht über Mess- und Berechnungsergebnisse . . . 73
Abb. 32: Motorklemmbrett . . . 91
Abb. 33: Zeigerbild (Widerstandsdreieck) . . . 91
Abb. 34: Sternschaltung . . . 95
Abb. 35: Dreieckschaltung . . . 97
Abb. 36: Anlagenplan . . . 99
Abb. 37: Verlegearten (Kabel/Leitungen) . . . 99
Abb. 38: Kenn- und Bezugsgrößenbestimmung . . . 103
Abb. 39: Schleifenimpedanz . . . 104
Abb. 40: Hinweisschild gemäß DIN VDE 0532 Teil1 . . . 114

Quellenverzeichnis

Bücher:

Handwerk und Technik: Fachkenntnisse Elektrotechnik (Energieelektronik-Energietechnik), 2.Auflage, Hamburg 1990

Holland + Josenhans: Elektro T (Grundlagen der Elektrotechnik), 3.Auflage, Stuttgart 2001 

Just, Wolfgang: Blindstrom-Kompensation in der Betriebspraxis, 3.Auflage, Berlin und Offenbach 1991

Internetseiten:

http://www.elektrotechnik-fachwissen.de
http://www.eskap.de
http://www.frako.de (Handbuch)
http://www.von-grambusch.de

Einleitung
1 Aktualität des Themas

Aufgrund des stetig wachsenden Einsatzes elektrotechnischer Maschinen und Geräte, speziell im Produktions- und Fertigungsbereich, erscheint es notwendig, Maßnahmen zu ergreifen, um energieeffizienter und preiswerter zu produzieren. Eine Möglichkeit, Energie ökonomisch sinnvoller zu nutzen, ist die Kompensation von Blindströmen beim Einsatz von Drehstrommotoren. Durch Kompensation dieser Blindströme können Energiekosten eingespart und öffentliche Energieversorgungsnetze entlastet werden.

2 Ziele der Arbeit

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Kompensation von Blindstrom bei Drehstrommotoren. Anhand eines Asynchrondrehstrommotors sollen über praktische Versuchsdurchführungen und theoretische Berechnungen die Effizienz einer Kompensation nachgewiesen und veranschaulicht werden.

3 Kapitelübersicht

Die Arbeit zum Thema „Kompensation von Drehstrommotoren“ umfasst 8 Kapitel. Im ersten Kapitel wird eine Übersicht über das Wesen der Kompensation gegeben. Neben einer allgemeinen Definition der Kompensation wird darüber hinaus eine Grundlagenbetrachtung vorgenommen, um Grundlagenwissen speziell zur Kompensationsbetrachtung aufzufrischen. Das zweite Kapitel beschäftigt sich mit den Gründen, Arten, Auswirkungen, Möglichkeiten und Richtlinien der Kompensation. Im dritten Kapitel werden erste Berechnungen zum Asynchronmotor ohne Kompensation vorgenommen.

Theoretische Berechnungen zur Kompensation folgen im anschließenden vierten Kapitel, welche im fünften Kapitel mittels eines Versuchsaufbaus praktisch umgesetzt werden. Im sechsten Kapitel werden ausführliche Betrachtungen zum Asynchronmotor vorgenommen. Dabei werden unter anderem statische Motordaten erfasst.

Das folgende siebente Kapitel beschäftigt sich mit der Anlagenbestimmung, in der der Versuchsmotor anhand eines Beispiels in eine bestehende Anlage eingebunden wird.

Im Kapitel acht werden Kosten- und Nutzenfaktoren einer Blindstromkompensation verglichen. Niedergeschriebene Zusammenhänge und Formelbeziehungen dienen der Vereinfachung, diese Faktoren entsprechend auszuloten und ökonomisch sinnvolle Entscheidungen in Bezug auf den Einsatz einer eventuellen Blindstromkompensationsanlage zu treffen.

Das neunte und gleichzeitig letzte Kapitel beschäftigt sich mit den Arten von Kompensationskondensatoren, wobei verstärkt auf PCB-haltige Kondensatoren eingegangen wird.

1 Wesen der Kompensation
1.1 Übertragung und rationelle Anwendung elektrischer Energie

Elektrische Energie wird überwiegend in Form von Wechselstrom bzw. Drehstrom (dreiphasen Wechselstrom) transportiert. Da es in der elektrischen Energietechnik besonders darauf ankommt elektrische Energie kostengünstig und wirtschaftlich, also mit geringen Verlusten, zu übertragen, spielt der Blindstrom bei der Übertragung eine hoch gewichtete Rolle.

Aufgrund der immer stärker ansteigenden Nutzung von elektrischer Energie, erfordert es immer höherer Kraftwerksleistungen und einer stärkeren Belastung der elektrischen Leitungsnetze. Laut Energiewirtschaftsgesetz haben Elektrizitätsversorgungs-unternehmen die Aufgabe, die elektrische Energie ausreichend, sicher und preiswert zu übertragen sowie zu verteilen.

In der Regel ist die elektrische Energie ein bedeutsamer Produktionsfaktor für viele Unternehmungen. Deshalb ist rationelle und sparsame Energieanwendung ein zentrales Ziel von EVU, Wirtschaft und Staat. Die Entscheidung liegt allerdings bei den Unternehmen, welche Art von Maßnahmen in den Betrieben zur rationellen Energieanwendung angewandt werden. Reduzierung von Blindstrom durch Kompensation ist eine mögliche Maßnahme zur rationellen Anwendung von elektrischer Energie.¹

1.2 Definition von Kompensation

Allgemein wird Kompensation als Aufrechnung, Ausgleich und Entschädigung definiert. Physikalisch definiert wird Kompensation als Ausgleich zweier gegeneinander wirkender Vorgänge. Elektrotechnisch gesehen bedeutet Kompensation Reduzierung des induktiven Blindstromes durch Einsatz von Komponenten mit kapazitiven (entgegengerichteten) Blindstrom (Parallelzuschaltung von Kapazitäten an Induktivitäten).

[...]

1 vgl. JUST (Blindstrom-Kompensation), S.19