Blindleistungskompensation von Asynchronmotoren

Anschluss einer Kompensationsanlage und Schutzeinstellungen

Einzelkompensation von Motoren wird empfohlen, wenn die Motorleistung (kVA) im Vergleich zur Anlagenleistung groß ist.

Allgemeines

Aufgrund der niedrigen Wirkleistungsaufnahme ist der Leistungsfaktor eines Motors ohne oder bei geringer Last sehr niedrig. Die Blindleistung des Motors bleibt praktisch unter allen Lastbedingungen konstant, so dass mehrere nichtbelastete Motoren einen Blindleistungsverbrauch darstellen, der aus den in den vorherigen Abschnitten beschriebenen Gründen für eine Anlage im Allgemeinen nachteilig ist.

Zwei nützliche allgemeine Regeln sind daher, dass Motoren ohne Last ausgeschaltet werden sollten und Motoren nicht überdimensioniert werden dürfen (da sie dann nicht voll belastet werden).

Anschluss

Die Kompensationsanlage ist direkt an die Anschlussklemmen des Motors anzuschließen.

Sonderbetriebsarten von Motoren

Eine Kompensation von Sondermotoren (Anlassen, Gegenstrombremsen, Tippen, Reversieren usw.) wird nicht empfohlen.

Auswirkungen auf die Schutzeinstellungen

Nach der Kompensation eines Motors ist der Strom zur Motor-Kondensator-Kombination kleiner als vorher, solange die gleichen Motorlastbedingungen vorliegen. Der Grund dafür ist, dass ein großer Teil der Blindleistungskomponente des Motorstroms von der Kompensation geliefert wird (siehe Abb. L23).

Abb. L23 – Vor der Kompensation liefert der Transformator die gesamte Blindleistung. Nach der Kompensation liefert der Kondensator einen großen Teil der Blindleistung.

Sind die Überstromschutzgeräte des Motors dem Anschluss der Motor-Kompensation vorgeschaltet (bei an die Motoranschlussklemmen angeschlossenen Kompensationen ist das immer der Fall), müssen die Überstromschutzeinstellungen im folgenden Verhältnis reduziert werden:

cos φ vor der Kompensation / cos φ nach der Kompensation

Für entsprechend der kvar-Werte in Abb. L24 kompensierte Motoren (empfohlene Maximalwerte zur Vermeidung einer Selbsterregung von Standard-Asynchronmotoren, siehe auch Abschnitt Vermeiden der Selbsterregung eines Asynchronmotors), hat das oben erwähnte Verhältnis einen Wert, der dem in Abb. L25 für die entsprechende Motordrehzahl angegebenen Wert ähnelt.

Dreiphasige Motoren 230/400 V
Nennleistung		zu installierender kvar-Wert
Nennleistung		Drehzahl (min^-1)
kW	hp	3000	1500	1000	750
22	30	6	8	9	10
30	40	7,5	10	11	12,5
37	50	9	11	12,5	16
45	60	11	13	14	17
55	75	13	17	18	21
75	100	17	22	25	28
90	125	20	25	27	30
110	150	24	29	33	37
132	180	31	36	38	43
160	218	35	41	44	52
200	274	43	47	53	61
250	340	52	57	63	71
280	380	57	63	70	79
355	482	67	76	86	98
400	544	78	82	97	106
450	610	87	93	107	117

Abb. L24 – Maximaler an die Motoranschlussklemmen anzuschließender Blindleistungskompensations-kvar-Wert ohne Selbsterregungsrisiko

Drehzahl in min^-1	Reduktionsfaktor
750	0,88
1000	0,90
1500	0,91
3000	0,93

Abb. L25 – Reduktionsfaktor für den Überstromschutz nach der Kompensation

Vermeiden der Selbsterregung eines Asynchronmotors

Ist eine Kompensationsanlage an die Anschlussklemmen eines Asynchronmotors angeschlossen, ist es wichtig zu prüfen, dass es durch die Bemessung der Kompensationsanlage nicht zu einer Selbsterregung des Motors kommen kann.

Betreibt ein Motor eine Last mit großer Trägheit, dreht sich der Motor weiter (wird er nicht zusätzlich gebremst), nachdem die Motorversorgung ausgeschaltet wurde.

Durch die „magnetische Trägheit” des Läuferstromkreises wird nach dem Ausschalten für eine kurze Zeit ein elektromagnetisches Feld in den Ständerwicklungen erzeugt, welches sich im Fall eines unkompensierten Motors normalerweise nach 1 oder 2 Zyklen auf Null verringern würde.

Kompensationskondensatoren stellen dennoch für dieses vorübergehende elektromagnetische Feld einen dreiphasigen „Blindleistungs”-Verbraucher dar, der kapazitive Ströme durch die Ständerwicklungen fließen lässt. Diese Ständerströme erzeugen ein drehendes magnetisches Feld im Läufer, das genau entlang derselben Achse und in dieselbe Richtung wirkt, wie das des vorübergehenden magnetischen Feldes.

Folglich erhöht sich der Läuferfluss, die Ständerströme erhöhen sich und die Spannung an den Anschlussklemmen des Motors erhöht sich (manchmal bis auf gefährlich hohe Werte). Dieser Sachverhalt ist als Selbsterregung bekannt und ist ein Grund dafür, warum AC-Generatoren normalerweise nicht mit voreilendem Leistungsfaktoren betrieben werden, da die Möglichkeit einer spontanen (und unkontrollierbaren) Selbsterregung besteht.

Hinweise

1 = Die Kenndaten eines durch die Trägheit der Last angetriebenen Motors sind nicht genau identisch mit den Kenndaten unter Leerlaufbedingungen. Diese Annahme ist jedoch für praktische Zwecke hinreichend.
2 = Wirkt der Motor wie ein Generator, fließen größtenteils Blindströme durch den Stromkreis, so dass die Bremswirkung auf den Motor hauptsächlich durch die Last des Lüfters im Motor entsteht.
3 = Der (fast um 90° nacheilende) Strom, den der unbelastete Motor dem Versorgungsstromkreis bei Normalbetrieb entnimmt und der (fast um 90° nacheilende) Strom, den der wie ein Generator wirkende Motor an die Kondensatoren liefert, haben die gleiche Phasenbeziehung zur Klemmenspannung. Aus diesem Grund können die beiden Kennlinien im Diagramm übereinandergelegt werden.

Um die oben beschriebene Selbsterregung zu vermeiden, muss die Bemessungsleistung (kvar) der Kompensationsanlage auf folgende Maximalwerte begrenzt werden:

Q_c ≤ 0,9 x I₀ x U_n x [math]\displaystyle{ \sqrt{3} }[/math] wobei I₀ = Leerlaufstrom des Motors und U_n = Nennspannung des Motors in kV. Abbildung L24 enthält Q_c-Werte entsprechend dieser Bedingung.

Beispiel

Die Kompensationsanlage eines Drehstrommotors mit 75 kW mit 3000 min^-1 und 400 V darf entsprechend Abbildung L24 nicht größer sein als 17 kvar. Die Werte in der Tabelle sind im Allgemeinen zu klein, um den Motor auf den normalerweise erforderlichen cos φ-Wert angemessen zu kompensieren (siehe Abb. L27).

Allerdings kann eine zusätzliche Kompensation des Systems eingesetzt werden, z.B. eine Zentralkompensationsanlage, die zur Kompensation mehrerer kleinerer Geräte installiert wird.

Motoren und/oder Verbraucher mit großer Trägheit

In einer Anlage, in der Motoren Verbraucher mit hoher Trägheit antreiben, sollten die Leistungsschalter oder Schütze zur Steuerung solcher Motoren bei einem Ausfall der Stromversorgung schnell auslösen.

Bei Nichtbeachtung dieser Vorsichtmaßnahme treten durch die Selbsterregung wahrscheinlich sehr hohe Spannungen auf, da alle anderen Kompensationsanlagen in der Anlage, mit den Motoren die Lasten mit großer Trägheit antreiben, parallelgeschaltet sind.

Der Schutzgeräteplan für diese Motoren sollte daher ein Überspannungsschutzsystem enthalten, das eine Rückleistungserkennung hat (der Motor speist Leistung in die vorhandene Anlage ein, bis die gespeicherte Trägheitsenergie abgeleitet ist).

Ist die mit einem Motor, der Verbraucher mit großer Trägheit antreibt, kombinierte Kompensationsanlage größer als in Abbildung L24 empfohlen wird, sollte sie separat durch einen Leistungsschalter oder Schütz gesteuert werden, der gleichzeitig mit dem Hauptleistungsschalter oder -schütz zur Motorsteuerung auslöst (s. Abb. L26).

Abb. L26 – Anschluss der Kompensationsanlage an den Motor

Dem Schließen des Hauptschützes geht im Allgemeinen das vorherige Schließen des Kondensatorschützes voraus.