Optimierung des Motorwirkungsgrads von Elektromotoren, Teil II

In Teil I dieser kurzen Reihe von Anwendungsinformationen haben wir uns mit Prüfpunkten an Motoren beschäftigt, die bei einem Energie-Audit oder einem anderen Effizienzprogramm relevant sind. In Teil I werden grundlegende Strategien für den Motorwirkungsgrad erläutert und es werden Kostenersparnisse für Spannungs- und Strom-Unsymmetrien und Leistungsfaktoren aufgeführt.

In Teil II werden Prüfpunkte untersucht, die am besten in eine reguläre Langzeitstrategie für vorbeugende Instandhaltung eingebaut werden können:

Unplanmäßige Spannung
Schlechte Erdung und Anschlüsse
Isolationswiderstand

Dieser Anwendungsbericht erklärt außerdem, wie die Prüfung des Einschaltstroms während des Einbaus von Motoren mit hohem Wirkungsgrad oder bei der Fehlersuche bei neuen Installationen durchgeführt wird.

Unplanmäßige Spannung

Ein Drehstrom-Asynchronmotor ist für den Betrieb im Bereich von ± 10 % der auf dem Typenschild angegebenen Nennspannung ausgelegt. Der Betrieb von Motoren deutlich über oder unter der Nennspannung („unplanmäßige Spannung“¹) beeinträchtigt den Wirkungsgrad und andere Betriebsparameter.

Unterspannung kann in Extremfällen zu Motorschäden führen. Eine festgelegte mechanische Last an einem Motor benötigt eine gewisse Kraft, um wie gewünscht zu funktionieren. Da die Kraft, die ein Motor benötigt, grob gesagt dem Zusammenspiel von Spannung und Strom entspricht, bedeutet dies, dass, wenn die Spannung nachlässt, der Strom (Ampere) ansteigen muss, damit der Motor seine Leistung beibehält. Wenn die Stromaufnahme den auf dem Typenschild des Motors angegebenen Volllast-Wert überschreitet, dann ist es wahrscheinlich, dass mit der Zeit Schäden auftreten.

Unterspannung könnte zu Produktionsausfällen führen, da sich die Auswirkungen von niedriger Spannung während des Starts und der Beschleunigung gegenseitig verstärken. Unterspannung kann sich also auf die Fähigkeit eines Motors auswirken, die Trägheit der Last beim Anlaufen zu überwinden und die Beschleunigung bis zur vollen Betriebsgeschwindigkeit drosseln. In der Regel stabilisiert sich die Betriebsgeschwindigkeit geringfügig unter dem Normalwert aber innerhalb von ±10 % des auf dem Typenschild angegebenen Werts. Jedoch wird das sogenannte Kippmoment verringert und der Motor kommt weniger gut durch eine kurzfristige Drehmomentüberlastung, ohne abzuwürgen.

Überspannung im Volllastbetrieb und innerhalb der ±10 % des auf dem Typenschild angegebenen Werts erhöht sogar die Effektivität eines Motors. Allerdings wird auch die Effektivität bei verminderter Last und geringeren Spannungen erhöht, solange sie sich innerhalb von -10 % des auf dem Typenschild angegebenen Werts befinden. Da Unterspannung den Strom erhöht, könnte es so aussehen, dass Überspannung den Strom verringert. Dies ist nicht der Fall. Tatsache ist, dass ein Motor bei erheblicher Überspannung mehr Strom zieht als Kompensation für den Effekt, den die Überspannung auf die Wicklungen hat. Das Ergebnis ist Überhitzung.

Eine Messung von unplanmäßiger Spannung von der Versorgung zu den Motorklemmen kann durch eine Kombination von Digitalmultimeter (DMM), Strommesszange und einem Netz- und Stromversorgungsanalysator durchgeführt werden. Sind die Spannungsanomalien sporadisch – Spitzen und/oder Abfälle – ist die beste Methode zur Fehlersuche u. U. der Anschluss eines elektronischen Messgeräts mit der Möglichkeit zur Signalformerfassung. Auf diese Weise kann man Ereignisse mit unplanmäßiger Spannung anderen Ereignissen im Werk zuordnen. Die ersten Hinweise auf eine übermäßige Unter- bzw. Überspannung ergeben sich jedoch oftmals bei einer Motorinspektion mithilfe eines Infrarot-Thermometers oder einer Wärmebildkamera.

Bei der Korrektur von unplanmäßiger Spannung kommen die folgenden Abhilfemaßnahmen zum Zug:

Handelt es sich bei der Spannung konstant und durchweg um Über- oder Unterspannung mit der gleichen gleichbleibenden Größe, muss die Einstellung der Abgriffstelle am Haupt-Betriebstransformator geändert und die Abzweigleitungen oder Einstellungen des Sekundär-Transformators neu eingestellt werden.
Zur Korrektur von täglichen Spannungsvariationen an der Zuführung der Versorgungskabel sollte ein Transformator mit einem automatischen Stufenschalter eingebaut werden.
Bei Spannungsvariationen in der gesamten Anlage aber nicht bei der Zuführung der Versorgungskabel können die vorhandenen Leiter ausgetauscht oder verstärkt und Transformatoren ggf. ausgetauscht werden.
Kondensatoren verwenden, um den Leistungsfaktor an den Verwendungsstellen zu korrigieren.

Mögliche Einsparungen und Rentabilität
Zur Kalkulation von möglichen Einsparungen und der Rentabilität aufgrund der Korrektur von unplanmäßigen Spannungen muss folgendes bekannt sein (Beispielwerte in Klammern):

Anzahl der Stunden/Jahr, bei denen ein blockierter Motor den Prozess gestoppt hat (30 Std.),
Jährliches Einkommen durch den Prozess (2.500.000 €),
Anzahl der Tage/Jahr, an denen der Prozess läuft (365 Tage/Jahr),
Anzahl der Stunden/Tag, an denen der Prozess läuft (24 Std./Tag),
Kosten von Korrekturgerät oder -Komponente (7.000 €),
Arbeitskosten für die Korrekturmaßnahme oder -Installation (50 €/Std.),
Anzahl der Elektriker usw., die benötigt werden (2) und
die veranschlagten Arbeitsstunden für den Job (10 Std.).

Mithilfe der Beispielzahlen beträgt der jährliche Einkommensverlust (L_€) durch Ausfallzeiten:

L_€ = 30 Std. x [2.500.000 € ¸ (365 Tage/Jahr x 24 Std/Tag)] = 8,562 €

und die Kosten der Korrekturmaßnahme (C_€) wären dann:

C_€ = 7.000 € + [2 x (50 €/Std. x 10 Std.)] = 8,000 €.

Danach ist die Amortisationszeit für die Investition weniger als ein Jahr.

Schlechte Anschlüsse und Erdungsprobleme

Die reguläre Überprüfung Ihres elektrischen Verteilungssystems auf fehlerhafte Anschlüsse, schlechte Erdung und Masseschlüsse hilft, die Leistung Ihrer Geräte zu verbessern, Systemausfälle zu vermeiden und verhindert vorzeitigen Geräteausfall.

Das Aufspüren von fehlerhaften Anschlüssen, schlechter Erdung und Masseschlüssen muss von einem erfahrenen Elektriker oder einem Stromfachmann durchgeführt werden. Diese Probleme können oft durch eine Sichtprüfung auf lockere Verbindungen, Korrosion oder Leiterbahnen zur Erde festgestellt werden. Eine andere eingängige Methode zum Aufspüren von problematischen Verbindungen ist die Prüfung auf Überhitzung an den Anschlüssen mit einem Infrarot-Thermometer oder einer Wärmebildkamera. Achten Sie außerdem auch auf Spannungsabfälle über den Anschlüssen. Vergleichen sie alle drei Phasen. Eine Spannungsschwankung von zwei oder drei Prozent zwischen den Anschlüssen können auf mögliche Korrekturmaßnahmen hindeuten.

Korrekturen können auch oft durch regelmäßige Reinigung und der Prüfung auf festen Sitz der Anschlüsse erreicht werden. Sie können auch ein Isolations-Multimeter zur Prüfung der Starter- und Steuerkontakte verwenden und um den Isolationswiderstand der Leitung sowie der Lastkreise zur Erde zu messen. Die letzteren Tests sind wichtig, weil Sie möglicherweise einen Motor durch einen einfachen Kabelwechsel wieder in Betrieb nehmen können.

Mögliche Einsparungen und Rentabilität

Produktionseinsparungen aufgrund der Korrektur von fehlerhaften Anschlüssen, schlechter Erdung und Masseschlüssen können berechnet werden, wenn die Kosten für die Ausfallzeit des betroffenen Prozesses bekannt sind. Bei fehlender Intervention können lockere oder korrodierte Anschlüsse, schlechte Erdung oder ein Masseschluss dazu führen, dass eine Sicherung auslöst und den gesamten Produktionsprozess lahm legt.

Isolationswiderstand

Wird versäumt, eine fehlerhafte Isolierung in elektromechanischen Anlagen ausfindig zu machen, kann dies zum Ausfall eines Motors und Produktionsverlust führen. Die beste Methode hier ist die Einbindung von regelmäßigen Prüfungen der Isolierung in den Wartungsplan für die vorbeugende Instandhaltung.

Die direkte Messung des Isolationswiderstands sowie die Verteilung eines Hochspannungssignals mit niedrigem Gleichstrom an spannungsfreie Systeme muss von einem erfahrenen Elektriker oder einem Stromfachmann durchgeführt werden. Sowohl Isolationsmessgeräte als auch Isolations-Multimeter können diesen Prüfstrom zur Verfügung stellen und die Durchschlagfestigkeit einer elektrischen Isolierung. Vor der Isolationswiderstandsmessung müssen sie jedoch alle elektronischen Steuerungen und andere Geräte von dem zu prüfenden Stromkreis isolieren. Achten Sie darauf, dass der Trennschalter zum Motorstarter gesichert und gekennzeichnet ist.

Verwenden Sie bei Motorproblemen, bei denen Sie sicher sind, dass nominale Versorgungsspannung vorliegt, ein Isolationsmessgerät oder ein Isolations-Multimeter, um zu prüfen, ob die Isolierung beschädigt ist.

Das DOE empfiehlt, Wicklungswiderstände in Motoren von Phase an Phase und Phase an Erde zweimal jährlich zu prüfen.² Da der Isolationswiderstand sich durch Temperaturunterschiede und Feuchtigkeit ändert und um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen, müssen möglicherweise mehrere Wicklungs-Widerstandsmessungen über einen bestimmten Zeitraum durchgeführt werden. Am besten vergleichen Sie die Messungen des Isolationswiderstands regelmäßig, damit Sie keine Überraschungen erleben. Die Wertung über „gute“ oder „schlechte“ Messwerte richtet sich nach den jeweiligen Gegebenheiten aber Fluke stellt eine Isolationswiderstands-Tabelle zur Verfügung.³

Allgemeine Richtlinien

Bei einer Differenz von weniger als 25 % arbeitet die Ausrüstung wahrscheinlich immer noch im akzeptablen Bereich (Leckstromzange OK)
Bei Werten von 25 % bis 50 % empfehlen die meisten Profis zusätzliche und häufigere Prüfungen (mit einem Isolationswiderstandsmessgerät)
Bei Werten oberhalb von 50 % sehen die meisten Profis potentielle Probleme, obwohl es sein kann, dass die Geräte möglicherweise noch einige Zeit funktionieren, bevor sie versagen.

Bei Erdungsprüfungen von Leitungs- und Laststromkreisen am Starter werden Widerstände gegen Erde des Starters, der Leitungskreise zum Trennschalter und der Lastleitungen zum Motor und zu den Statorwicklungen gemessen. Allgemeine Grenzwerte: Wechselstromgeräte können bei einem Widerstand gegen Erde von mindestens 2 MΩ und Gleichstromgeräte bei einem Widerstand gegen Erde von mindestens 1 MΩ sicher betrieben werden. Wenn Sie den Widerstand eines Dreiphasen-Motors zwischen den Lastzweigen des Starters messen, sollten Sie einen hohen Widerstand und vergleichbare Messungen zwischen den Phasen beobachten können.

Die Messung des Isolationswiderstands kann auch bei laufendem Betrieb erfolgen, wenn eine Leckstrommesszange zur Messung des Leckstroms vom Gerät verwendet wird. Leckstrommesszangen, wie z. B. die Fluke 360, verfügen über eine spezielle Backenbauform. Sie schützt vor dem Einfluss benachbarter Stromleiter und minimiert die Wirkung externer Magnetfelder sogar bei niedrigen Strömen. Leckströme ermöglichen Rückschlüsse auf die Wirksamkeit der Isolation eines Leiters. Hohe Leckströme können in Stromkreisen auftreten, die einen geringen Isolationswiderstand aufweisen oder in denen Elektrogeräte mit Filtern eingesetzt werden. Leckströme können Störungen im normalen Betrieb von Geräten und Anlagen verursachen. Der große Vorteil einer Leckstromprüfung gegenüber einer Isolationsprüfung besteht darin, dass sie während des normalen Betriebs durchgeführt werden kann.

Eine Korrektur des Isolationswiderstands kann durch eine Leistungsreduzierung des Motors gemäß der NEMA-Spezifikation erreicht werden, wenn dies keine zu großen Auswirkungen auf die Produktion hat. In jedem Fall sollte ein Arbeitsplan zum frühestmöglichen Austausch des Motors gegen einen Motor mit einem hohen Wirkungsgrad erstellt werden, wenn die Betriebsbedingungen die Aufrüstung rechtfertigen.

Mögliche Einsparungen und Rentabilität

Als Entscheidungshilfe beim Abwägen, ob die Verschlechterung der Isolierung einen Austausch des Motors rechtfertigt, können die folgenden Hilfen verwendet werden:

Verwendung der Software MotorMaster+.
Berechnen der möglichen Einsparungen hinsichtlich der Motorleistung (PS), Belastungsfaktor, jährliche Betriebsstunden, durchschnittliche Energiekosten, Effizienz des Motors, der ausgetauscht wird, im Vergleich zum Effizienzgrad des neuen Motors. (Siehe die Beispielkalkulation im Abschnitt über Strom-Unsymmetrien in Teil I dieses Anwendungsberichts.⁴)

Erinnern Sie sich daran, dass Energiesparmotoren etwa ein Prozent effizienter arbeiten als Standardmotoren und die Energieeinsparungen sich in der Regel innerhalb von 18 Monaten amortisieren.

Einschaltstrom

Wurden ältere Motoren gegen Energiesparmotoren ausgetauscht, kann es zu Einschaltstrom-Problemen kommen. Eines ist klar, die älteren Modelle, die ausgetauscht wurden, entsprachen wahrscheinlich nicht mehr den Spezifikationen, waren verschlissen und waren nicht mit kompensierender Elektronik ausgestattet. Auf der anderen Seite können Energiesparmotoren unter Umständen wesentlich mehr Anfangsstrom – Einschaltstrom – generieren als ihren Betriebs- oder Ruhestrom.

Alle Motoren ziehen Einschaltstrom, dieser ist jedoch bei Energiesparmotoren höher. Bei einem Dreiphasen-Motor zum Beispiel dauert der Einschaltstrom in der Regel etwa 100 Millisekunden bei einer Stromspitze zwischen 500 und 1.200 Prozent. Diese besteht zwar nur für kurze Zeit, sie kann aber zu Problemen führen, wobei das wohl ärgerlichste darin besteht, dass das Überstromschutzgerät (OPCD) ausgelöst wird.

Der Einschaltstrom kann motorabhängig fünf- bis zwölfmal größer als der normale Betriebsstrom sein. Beispiel: wenn der Betriebsstrom eines Motors 8 A beträgt und der Einschaltstrom-Multiplikator das Fünffache des Betriebsstroms beträgt, sollte der Wert des Einschaltstroms etwa 40 A betragen, auch wenn der Leistungsschalter auf 20 A ausgelegt ist.

Der Grund dafür, warum der Leistungsschalter oder die Überlastschaltung nicht auslöst, ist, dass beide Geräte eine Zeit/Strom-Kurve verwenden, die festlegt, wie viel Strom über welchen Zeitraum fließt, ohne dass der Kreis geöffnet wird. Eine Auslösung kann außerdem temperaturbedingt sein. Die Temperatur kann langsam während des Dauerbetriebs oder schneller während des Starts ansteigen, aber wenn der maximale Temperaturschwellenwert erreicht ist, wird der Kreis unterbrochen.

Messungen

Beginnen Sie mit der Messung des Einschaltstroms beim Start. Verwenden Sie ein Messgerät, mit dem der Einschaltstrom gemessen werden kann, wie z. B. die Strommesszange Fluke 337, mit der automatisch der Beginn der Messung mit dem Beginn des Motor-Starts synchronisiert wird. Die Funktion für den Einschaltstrom Ihres Messgeräts nimmt eine große Anzahl von Messungen während der Startphase vor, filtert diese und berechnet den eigentlichen Anlaufstrom.

Hinweis: Versuchen Sie nicht, Min./Max. zur Messung des Einschaltstroms zu verwenden. Der Max-Strom kann eine kurzzeitige Stromspitze messen, aber eine Einschaltstrom-Funktion misst die gleiche Energie, die an den Motor gelangt, die die APCD misst und auslöst. Max-Strommessungen funktionierten bei älteren Modellen, aber durch eine immer kompliziertere Elektronik entstehen Signalstörungen, die zu groß für eine genaue Messung des Einschaltstroms sind.

Korrektur des Einschaltstroms

Wenn sich Betriebsstrom oder -Temperatur zu nahe an den Werten für die Dauerbelastung der Leistungsschalter befinden, wird der Leistungsschalter durch den Motor beim Start fast jedes Mal ausgelöst. Da vor der Installation der Einschaltstrom zur Leistungsschalter-Bemessung einkalkuliert wird, kann es bei einem Wechsel zu einem neuen Energiesparmotor nötig werden, dass die Schutzeinrichtung des Motors durch einen entsprechenden Leistungsschalter mit einstellbaren Momentauslösern modernisiert werden muss.

Anmerkungen

¹ Die in diesem Abschnitt enthaltenen Informationen sind auch in dem Originaldokument, Motor Tip Sheet #9 (Juni 2008), "Improve Motor Operation at Off-Design Voltages" zu finden, ein für das Industrietechnologieprogramm des U.S. Department of Energy (DOE) verfasstes Dokument über Energietipps für den Motor.
² Informationsblatt des DOE: "Optimizing Your Motor-Driven System."
³ Insulation Test Guide (.pdf)
4 Electric Motors (.pdf)