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.
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.
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.
Inhaltsverzeichnis
1 Wesen der Kompensation
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 ϕ
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 ϕ
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)
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
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 ϕ =0,9 ; auf cos = 1 ; auf cos ϕ = -0,9 (überkompensiert))
4.1 Rechnerische Bestimmung der Kondensatoren und der Ströme bei Kompensation von cos ϕ = 0,7 auf cos ϕ = 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 ϕ = 0,7 auf cos ϕ = 0,9 (Motor-∆)
4.2 Rechnerische Bestimmung der Kondensatoren und der Ströme bei Kompensation von cos ϕ = 0,7 auf cos ϕ = 0,9 (Berechnungsgrundlage: Asynchronmotor in Sternbeschaltung)
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 ϕ = 0,7 auf cos ϕ = 0,9 (Motor Y)
4.3 Rechnerische Bestimmung der Kondensatoren und der Ströme bei Kompensation von cos ϕ = 0,7 auf cos ϕ = 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 ϕ = 0,7 auf cos ϕ = 1 (Motor ∆)
4.4 Rechnerische Bestimmung der Kondensatoren und der kapazitiven Ströme bei Kompensation von cos ϕ = 0,7 auf cos ϕ = 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 ϕ = 0,7 auf cos ϕ = 1 (Motor Y)
4.5 Rechnerische Bestimmung der Kondensatoren von cos ϕ = 0,7 auf cos ϕ = -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 ϕ = 0,7 auf cos ϕ = -0,9 (Motor ∆)
4.6 Rechnerische Bestimmung der Kondensatoren und der kapazitiven Ströme bei Kompensation von cos ϕ = 0,7 auf cos ϕ = -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 ϕ = 0,7 auf cos ϕ = -0,9 (Motor Y)
5 Praktische Umsetzung der theoretischen Erkenntnisse im Laborversuch
5.1 Schaltungs- und Versuchsaufbau
5.2 Vergleich und Auswertung der gemessenen und berechneten Messdaten (Kompensation von cos ϕ = 0,7 auf cos ϕ = 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
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
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
9 Arten von Starkstromkondensatoren für Kompensationszwecke
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
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung und Demonstration der Effizienz der Blindstromkompensation bei Drehstrommotoren durch theoretische Berechnungen sowie praktische Laborversuche an einem Asynchronmotor. Die Arbeit analysiert dabei, wie durch eine gezielte Kompensation die Energieeffizienz gesteigert und das Stromnetz entlastet werden kann.
- Grundlagen der Elektrotechnik und des Blindstroms
- Methodische Vorgehensweise zur Leistungsfaktorverbesserung
- Berechnungsmodelle für verschiedene Kompensationsszenarien
- Anlagenplanung unter Berücksichtigung einschlägiger Normen
- Kosten-Nutzen-Analyse und Umweltaspekte von Kondensatoren
Auszug aus dem Buch
1.3.2 Wirkstrom, induktiver Blindstrom und kapazitiver Blindstrom
Wirkstrom (Iw) ist der Strom, welcher die Wirkleistung bei angelegter Spannung (U) überträgt. „Induktiver Blindstrom (IL) ist der Strom, der bei induktiven Verbrauchern (z.B. Elektromotoren, Transformatoren und Vorschaltgeräten), also Spulen jeder Ausführung, zur Erzeugung eines Magnetfeldes benötigt wird.“12 In Wechsel- oder Drehstromnetzen wird mit der Netzfrequenz dieses Magnetfeld auf- und abgebaut. Dieser Energieanteil pendelt als Blindleistung zwischen Erzeuger und Verbraucher hin und her und wird somit nicht in Wirkleistung umgesetzt.13
Kapazitiver Blindstrom (IC) wird in Wechsel- und Drehstromnetzen zum Aufbau des elektrischen Feldes in Kondensatoren (ruhende elektrische Betriebsmittel) benötigt. Beim Einsatz von Kondensatoren zur induktiven Blindstromkompensierung pendelt der kapazitive Blindstrom im gleichen Takt wie der induktive Blindstrom, jedoch zeitlich phasenverschoben. Bei richtiger Bemessung der Kompensationskondensatoren kann somit der gewünschte Kompensationsgrad erreicht werden. Der kapazitive Blindstrom pendelt nicht wie der induktive zwischen Erzeuger und Verbraucher, sondern zwischen Verbraucher und Kondensator.14
Zusammenfassung der Kapitel
Wesen der Kompensation: Dieses Kapitel erläutert die Grundlagen der elektrischen Energieübertragung und definiert den Begriff der Kompensation im elektrotechnischen Kontext.
Gründe, Arten, Auswirkungen, Möglichkeiten und Richtlinien der Kompensation (laut TAB und EVU): Hier werden die ökonomischen Beweggründe für die Blindstromkompensation dargelegt und die verschiedenen technischen Kompensationsarten vorgestellt.
Berechnungen zum Anschluss eines Asynchronmotors ohne Kompensation und äquivalente Schaltungsbetrachtung: Dieses Kapitel führt die notwendigen Berechnungen für einen Asynchronmotor im unkompensierten Zustand durch.
Berechnungen zur Kompensation eines Asynchronmotors (Vergleich Kompensation auf: cos ϕ =0,9 ; auf cos = 1 ; auf cos ϕ = -0,9 (überkompensiert)): Der Hauptteil umfasst die detaillierte rechnerische Bestimmung der Kondensatorwerte für verschiedene Ziel-Leistungsfaktoren.
Praktische Umsetzung der theoretischen Erkenntnisse im Laborversuch: Dieser Abschnitt vergleicht die zuvor aufgestellten theoretischen Berechnungen mit den realen Messergebnissen aus dem Labor.
Betrachtungen des Asynchronmotors zur Anlagenbestimmung: Hier werden spezifische statische Motordaten erfasst und analysiert, um eine fundierte Basis für die Anlagenbestimmung zu schaffen.
Anlagenbestimmung: Das Kapitel behandelt die praktische Einbindung des Versuchsmotors in eine beispielhafte industrielle Anlage unter Einhaltung technischer Vorschriften.
Kosten und Nutzen: Hier erfolgt eine betriebswirtschaftliche Analyse, die die Investitionskosten gegen die langfristigen Ersparnisse durch Blindstromkompensation abwägt.
Arten von Starkstromkondensatoren für Kompensationszwecke: Abschließend werden die verschiedenen Bauarten von Kondensatoren sowie die spezifische Problematik bezüglich PCB-haltiger Betriebsmittel erörtert.
Schlüsselwörter
Blindstromkompensation, Asynchronmotor, Leistungsfaktor, cos ϕ, Blindleistung, Wirkleistung, Scheinleistung, Kondensator, Sternschaltung, Dreieckschaltung, elektrische Anlage, PCB, Wirtschaftlichkeit, Spannungsabfall, Strombelastbarkeit
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Projektarbeit thematisiert die Kompensation von induktivem Blindstrom bei Drehstrommotoren, um die Energieeffizienz elektrischer Anlagen zu verbessern und Betriebskosten zu senken.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen umfassen die elektrotechnischen Grundlagen der Blindleistung, die rechnerische Bestimmung von Kondensatoren zur Leistungsfaktorverbesserung und die wirtschaftliche Bewertung solcher Maßnahmen.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist es, die Effizienz der Blindstromkompensation bei einem Asynchronmotor durch eine Gegenüberstellung von theoretischen Berechnungen und praktischen Laborergebnissen nachzuweisen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit kombiniert theoretische Berechnungsmodelle (z.B. äquivalente Schaltungsbetrachtungen) mit praktischen Messreihen im Labor, deren Ergebnisse im Anschluss ausgewertet werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil befasst sich detailliert mit der mathematischen Bestimmung der notwendigen Kondensatorkapazitäten für verschiedene Kompensationsstufen sowie der Durchführung und Analyse von Laborversuchen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind Blindstromkompensation, Leistungsfaktor, Asynchronmotor, cos ϕ, Blindleistung sowie technische Normen und Aspekte der Wirtschaftlichkeit.
Welche Bedeutung hat der Asynchronmotor für die Berechnungen?
Der Asynchronmotor dient als Referenzobjekt, anhand dessen sämtliche Berechnungen (z.B. für den Anlauf in Sternschaltung oder den Dauerbetrieb in Dreieckschaltung) exemplarisch durchgeführt werden.
Warum wird im Rahmen der Anlagenbestimmung auch PCB thematisiert?
Da viele ältere Kompensationskondensatoren PCB enthalten können, ist die Auseinandersetzung mit Entsorgung, Brandschutz und Umweltschutz bei diesen Bauteilen essenziell für einen verantwortungsvollen Umgang mit der Anlagentechnik.
- Quote paper
- Jens Schlender (Author), Andreas Renner (Author), 2003, Kompensation von Drehstrommotoren, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/27823
