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Bestimmung der Leistung in PS, Verkabelung und Trennschaltergrößen für sichere und effiziente Anlagen

21. Mai 2021 | Netzqualität

„Wir können den Motor ja einfach überdimensionieren und dann unter weniger Last fahren lassen – das spart und Geld und ist besser für den Motor.“

von Randy Barnett

Verwenden Sie eine flexible Fluke iFlex™ Stromzange an einem Einfachleiter. Oder zentrieren Sie die Backen einer Strommesszange um einen Einfachleiter.

Dies ist ein Irrglaube unter manchen, die Motoren auswählen oder installieren. Die ordnungsgemäße Kalibrierung von Motoren für bestimmte Lastergebnisse durch einen effizienteren, energiesparenderen und kostensparenderen Lastbetrieb. Motoren sind typischerweise am effizientesten, wenn sie zu 90 bis 95 % unter Last fahren. Nur weil auf dem Typenschild eines Motors „25 PS“ steht, heißt das noch lange nicht, dass der Motor im Betrieb auch 25 PS produziert. Tatsächlich kann der Motor je nach Lastanforderungen deutlich weniger produzieren. Wenn der Motor konstant mit diesen reduzierten PS-Anforderungen läuft, verschwenden Sie Geld und sollten sich überlegen, den Motor durch einen ordnungsgemäß kalibrierten Motor zu ersetzen.

Zudem basiert die Kalibrierung der Leiter und Sicherungen oder des Leistungsschalters, der den Motor versorgt, auf der vollen Laststromauslegung des Motors und darauf, wie oft er erwartungsgemäß in Betrieb genommen wird sowie noch weiteren Faktoren. Der Einbau von größeren Leitern und Trennschaltern, die dann erforderlich sind, ist eine unnötige Ausgabe. Zudem ist es wichtig, zu erkennen, dass ein Motor auch bei geringen PS-Anforderungen noch immer große Mengen Strom zieht. So zieht ein Motor ohne Last beispielsweise noch immer 50 % seines Nennstroms.

Passen Sie neue Motoren ihrer Aufgabe an

Beim Austausch von Motoren ist es wichtig, den neuen Motor seiner Aufgabe anzupassen. Neben der richtigen Spannung, Phase (drei Phasen oder eine Phase), Auslegung und Codierung sollten Sie zudem sicherstellen, dass der Motor die passende Nennleistung in PS liefert. Wenn der Motor früher bereits ausgetauscht wurde oder eine Pumpe, einen Lüfter oder andere Komponenten antreibt, die vom Originalhersteller nicht als Teil des Gesamtsystems berücksichtigt wurden, entscheiden Sie sich möglicherweise für einen Motor mit ungeeigneter Kalibrierung. Erfassen Sie ein paar grundlegende Spannungs- und Stromanzeigen, um Ihre PS-Anforderungen genauer zu bestimmen und ein effizienteres System zu erhalten.

Solche Informationen sind bei der Durchführung einer Energieuntersuchung sehr wertvoll. Variiert die Motorlast längere Zeit um einen Wert von 90 % oder weniger der vollen Last, ist die Anwendung möglicherweise für einen Antrieb mit regelbarer Drehzahl geeignet und kann dadurch deutlich Kosten einsparen. Wenn beispielsweise die PS-Anforderungen eines Motors mit einem Antrieb mit regelbarer Drehzahl reduziert werden können, um die Motordrehzahl auf 90 % der vollen Nenndrehzahl des Motors zu senken, wird der Energieverbrauch auf 73 % dessen gesenkt, was für einen Betrieb mit voller Drehzahl erforderlich ist. Ein weiterer guter Grund, um die Lastanforderungen Ihrer Ausrüstung zu kennen!

In manchen Fällen werden Motoren überlastet und ziehen mehr Strom als ihren Nennstrom. Ob das nun an schlechten Lagern, fehlausgerichteten Wellen, Wartungsproblemen oder einer übermäßigen Last am Motor liegt, ein zerstörender Effekt tritt auf jeden Fall auf: In den Windungen wird übermäßig viel Wärme produziert. Wärme aber zerstört die Isolierung und führt zu Motorausfällen. Während ordnungsgemäß kalibrierte und installierte Überlasten den Motor auf 115 % bis 125 % des Volllaststromwerts auf dem Typenschild bringen, wird die dabei erzeugte Wärme die Nutzungsdauer des Motors jedoch verkürzen.

Als Teil einer vorbeugenden Instandhaltung sollten die Strom- und Spannungswerte bei laufendem Motor regelmäßig gemessen und aufgezeichnet werden. Verwenden Sie die folgende Formel, um die Leistung in PS Ihres Motors zu schätzen: Leistung (in PS) = Spannung x Strom x Wirkungsgrad x Leistungsfaktor x 1,73/746. (Sie Diagramm unten für weitere Einzelheiten.)


Ermitteln der tatsächlichen Motorleistung in PS

Schätzen Sie anhand dieser Formel die Leistung in PS Ihres Motors

Leistung (in PS) = Spannung x Strom x Wirkungsgrad x Leistungsfaktor x 1,73/746.

Wobei:

Spannung die Durchschnittsspannung der drei gemessenen Spannungen ist: (A-B + A-C + B-C)/3,

Stromstärke die durchschnittliche Stromstärke der gemessenen drei Phasen ist: (A+B+C)/3,

Wirkungsgrad der Motorwirkungsgrad gemäß des Typenschilds des Motors ist,

Leistungsfaktor das Verhältnis von Wirkleistung (kW) zur Scheinleistung (kVA) ist. Falls der Leistungsfaktor nicht durch Leistungsfaktor-Messgeräte bestimmt werden kann, wird als Faustregel ein Leistungsfaktor von 0,85 verwendet.

1,73 ist eine Konstante für die Berechnung von Leistung bei Versorgung durch Drehstrom.

746 ist die Konstante für die Umrechnung von Watt in PS (746 W = 1 PS).

Beispiel: Wie viel PS erzeugt ein 25-PS-Motor bei 472 Volt, einer mittleren Stromstärke von 20 Ampere pro Phase und einem Wirkungsgrad von 90 % laut Typenschild?

Leistung (in PS) = Spannung x Strom x Wirkungsgrad x Leistungsfaktor x 1,73/746.

472 V x 20 A x 0,90 x 0,85 x 1,73/746 = 17 PS.


Die schnellste Methode, die Leistung eines mit Drehstrom versorgten Motors so gut wie möglich abzuschätzen, ist es, den Strom und die Spannung mit einer digitalen Strommesszange zu messen und dann eine einfache Berechnung durchzuführen: Schätzen Sie anhand dieser Formel die Leistung in PS Ihres Motors. Leistung (in PS) = Spannung x Strom x Wirkungsgrad x Leistungsfaktor x 1,73/746. Befolgen Sie die für Ihre Anwendung geltenden sicheren Arbeitspraktiken. Mit den Digitalmultimetern mit abnehmbarem Display-Modul, wie der Fluke Echteffektiv-Strommesszange 381 mit abnehmbarem Display-Modul, können Techniker die Zeit, die sie tödlichen Spannungen ausgesetzt sind und sich in der Lichtbogen-Gefahrenzone befinden, deutlich verkürzen.

Wichtig ist, eine Echteffektiv-Strommesszange zu verwenden, um genaue Messwerte zu erhalten. Während Motorströme in der Regel direkt am Anschlussfeld eines Frequenzumrichters, der den entsprechenden Motor mit Strom versorgt, abgelesen werden können, müssen bei anderen Geräten Messgeräte verwendet werden, die genaue Messwerte liefern auch wenn Oberschwingungen und verzerrte Sinussignale vorhanden sind.

Messen anderer Lasten

Wahrscheinlich müssen Sie noch andere Betriebswerte für Lasten aufzeichnen. Da die Leistung in PS nicht für solche anderen Lasten bestimmt ist, verwenden Sie einfach das unter „Schätzen Sie anhand dieser Formel die Leistung in PS Ihres Motors“ hervorgehobene Verfahren, um den Stromwert einer Last zu messen und aufzuzeichnen. Beispiele für solche Lasten sind hermetische Kältemittel-Motorkompressoren, wie sie in Klimaanlagen, Beleuchtungslasten und Heizelementen verwendet werden. Der Nennlaststrom bei hermetischen Kältemittelkompressoren und die Stromspezifikationen anderer Anlagenkomponenten müssen mit den Messwerten verglichen werden, wenn Sie es mit Leistungsschalterauslösungen oder überhitzten Komponenten zu tun haben. Weitere Informationen zur Ermittlung der Auslösung von Trennschalter und Leitern, die Ihre Last bereitstellen, finden Sie im National Electrical Code® (NEC®) sowie Herstelleranweisungen, Zeichnungen und lokalen Codeanforderungen. Obgleich der NEC verschiedene Regeln für unterschiedliche Anlagentypen vorsieht, beispielsweise für Motoren und Klimaanlagen, sind Leiter und Leistungsschalter in der Regel auf 125 % der kontinuierlichen Last plus 100 % der nicht kontinuierlichen Last kalibriert.

Der iFlex™-Messfühler umfasst einen Einfachleiter in diesem Antriebsschrank für eine Luftaufbereitungseinheit (AHU). Die Fluke 381 Strommesszange wird verwendet, um die Stromstärkeanzeige aufzuzeichnen und ein vermeintliches Antriebsproblem zu beheben. Diese Strommesszange wird auch verwendet, um die Leistung in PS abzuschätzen, die ein Motor erzeugt.

Eine Last ist „kontinuierlich“, wenn der Maximalstrom mindestens drei Stunden anhält. Wichtiger Hinweis: Verwenden Sie bei der Kalibrierung von Leitern und Trennschaltern für Motoren die richtige Tabelle im NEC für Volllaststromstärken von Motoren und nicht den zuvor gemessenen Wert oder den auf dem Typenschild des Motors angegebenen Wert. Der zuvor gemessene Wert dient der Ermittlung der Lastkalibrierung. Die Kalibrierung von Kabeln und Trennschaltern von Motoren basiert auf Codetabellen, welche die Volllaststromwerte für bestimmte Phasen, Spannungen und Motoren (mit Leistung in PS) beinhalten. Die Herstellerspezifikationen und Messwerte werden für andere Lasten als Motorlasten verwendet.

Beispielsweise wird davon ausgegangen, dass ein gekühlter Dreiphasen-Wasserpumpenmotor mit einer Leistung von 25 PS mindestens drei Stunden unter voller Last fahren kann. Die NEC-Tabellen geben an, dass ein Volllaststrom aus einem Dreiphasen-Motor von 460 Volt und 25 PS eine Stromstärke von 34 A ergibt. Daher müssen die Leiter, die den Motor versorgen, mit 34 x 1,25 = 43 A (125 % von 34 A) kalibriert sein. Die Kapazitätstabellen im NEC dienen der Ermittlung der tatsächlichen Leiterkalibrierung anhand des Isolierungstyps, der Umgebungstemperaturen und anderer Bedingungen. Die maximale Größe eines Leistungsschalters oder einer Sicherung für einen Motor basiert auf einer weiteren NEC-Tabelle, nämlich Tabelle 430.52. Der Maximalwert dieser Überstromschutzvorrichtungen kann zwischen 175 % und 250 % des Volllaststroms variieren. Beachten Sie stets den National Electrical Code oder konsultieren Sie einen qualifizierten Elektriker für die genaue Kalibrierung von Motorverkabelung, Sicherungen und Leistungsschaltern sowie Überlastungsschutz-Anforderungen für Motoren. Dasselbe gilt für hermetische Kältemittel-Motorkompressoren und andere Arten von elektrischen Anlagen.

Das Ziel: Eine ordnungsgemäß kalibrierte und sichere Anlage, die mit maximalem Wirkungsgrad läuft

Sie müssen die Leistung in PS des Motors im Einsatz bestimmen, um zu ermitteln, ob ein Motor mit geeigneter Kalibrierung installiert wurde. Wenn der Motor überdimensioniert ist, ziehen Sie den Austausch des Motors durch einen geeigneteren oder den Einbau eines Antriebs mit regelbarer Drehzahl in Betracht. Die regelmäßige Messung und Aufzeichnung von Strom- und Spannungswerten ist auch ein wichtiger Teil einer vorbeugenden Instandhaltung als Teil von Programmen zur Qualitätswahrung. Kalibrieren Sie die Verkabelung und Trennschalter für jede Art von Last mithilfe des National Electrical Code. Denken Sie daran: Ziel ist eine ordnungsgemäß kalibrierte und sichere Anlage, die mit maximalem Wirkungsgrad läuft.