Elektrische Unsymmetrie verstehen

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Definition: Was ist elektrische Unsymmetrie?

Elektrische Unsymmetrie (auch Phasenunsymmetrie, Spannungsunsymmetrie oder Stromunsymmetrie genannt) ist ein Zustand in dreiphasigen elektrischen Systemen, bei dem die Spannungen oder Ströme in den drei Phasen nicht gleich groß sind oder nicht genau um 120 elektrische Grad voneinander getrennt sind. Diese Asymmetrie in der Stromversorgung oder den Motorwicklungen führt zu unausgeglichenen elektromagnetischen Kräften, übermäßiger Erwärmung der Motorwicklungen, Gegensystemströmen, Drehmomentpulsationen und charakteristischen Vibration bei der doppelten Netzfrequenz.

Selbst kleine Spannungsungleichgewichte (2-3%) können erhebliche Stromungleichgewichte (6-10×) verursachen und die Effizienz und Lebensdauer des Motors verringern. Elektrische Ungleichgewichte sind ein häufiges Problem in Industrieanlagen und können durch Probleme mit der Stromversorgung, eine schlechte Stromverteilung oder Defekte in der Motorwicklung verursacht werden.

Arten elektrischer Unwucht

1. Spannungsungleichgewicht

Ungleiche Außenleiter- oder Außenleiter-Neutralleiterspannungen:

• Messung: Messen Sie die Spannung zwischen jedem Phasenpaar (AB, BC, CA).
• Berechnung: % Spannungsunsymmetrie = (Maximale Abweichung vom Durchschnitt / Durchschnitt) × 100
• Beispiel: Phasenmessung 477 V, 480 V, 483 V → Durchschnitt 480 V, maximale Abweichung 3 V → 0,625% Unsymmetrie
• Akzeptabel: < 1% gemäß NEMA, < 2% gemäß IEC

2. Stromungleichgewicht

Ungleicher Strom in den drei Phasen:

• Messung: Messen Sie den Strom in jeder Phase (IA, IB, IC)
• Berechnung: % Stromunsymmetrie = (Maximale Abweichung vom Durchschnitt / Durchschnitt) × 100
• Ursachen: Spannungsunsymmetrie, Wicklungsfehler, schlechte Verbindungen
• Verstärkung: Kleine Spannungsunsymmetrie erzeugt größere Stromunsymmetrie (6-10-facher Multiplikator)

3. Phasenwinkelunsymmetrie

• Phasen nicht genau um 120° getrennt
• Erzeugt pulsierendes Drehmoment und Erwärmung
• Seltener als Größenungleichgewicht
• Erfordert einen Netzqualitätsanalysator zur Erkennung

Ursachen für elektrische Unwucht

Probleme mit der Energieversorgung

• Transformatorprobleme: Unsymmetrische Verteilungstransformatoren
• Einphasige Lasten: Große einphasige Lasten an derselben Stromversorgung führen zu Asymmetrie
• Probleme mit der Übertragungsleitung: Ungleiche Impedanz in drei Phasen
• Fehlerbedingungen im Versorgungsnetz: Systemstörungen

Anlagenverteilung

• Schlechte Verbindungen: Hochohmige Verbindungen in einer Phase
• Durchgebrannte Sicherungen: Teilweiser Verlust einer Phase (starke Unsymmetrie)
• Ungleiche Kabellängen: Unterschiedliche Impedanzen in Phasenleitern
• Einphasig: Vollständiger Verlust einer Phase (extreme Unsymmetrie)

Motorinterne Ursachen

• Wicklungsfehler: Kurzschlüsse zwischen den Kurven reduzieren die effektiven Kurven in einer Phase
• Wicklungsasymmetrie: Fertigungsbedingte Schwankungen der Wicklungswiderstände
• Verbindungsprobleme: Schlechte Terminalverbindungen
• Beschädigte Wicklungen: Teilkurzschlüsse oder Unterbrechungen

Auswirkungen auf die Motorleistung

Überhitzung

Die schwerwiegendste Konsequenz:

• Gegensystemströme erzeugen zusätzliche Erwärmung
• Eine Phase führt mehr Strom als vorgesehen
• Temperaturanstieg viel größer als Spannungsungleichgewicht vermuten lässt
• Faustregel: 3% Spannungsungleichgewicht kann 18-25% Temperaturanstieg verursachen
• Beschleunigte Alterung und Ausfall der Isolierung

Effizienz und Leistungsfaktor

• Geringerer Wirkungsgrad durch Kreisströme
• Reduzierter Leistungsfaktor
• Erhöhter Energieverbrauch
• Typischer Wirkungsgradverlust: 1-2% bei mäßiger Unwucht

Drehmomentpulsationen

• Pulsierendes Drehmoment bei 2× Netzfrequenz
• Erzeugt Torsionsschwingungen im Antriebsstrang
• Kann Torsionsresonanzen anregen
• Reduziert den reibungslosen Betrieb

Vibration

• 2× Netzfrequenz: 120 Hz (60 Hz) oder 100 Hz (50 Hz) Schwingungsanteil
• Elektromagnetischer Ursprung: Pulsierende magnetische Kräfte
• Amplitude: Proportional zum Grad der Unwucht
• Verwirrung: Kann verwechselt werden mit Statorfehler oder magnetische Anziehungskraft

Reduzierte Lebensdauer

• Erhöhte thermische Belastung verkürzt die Lebensdauer der Isolierung
• Motorreduzierung erforderlich (reduzierte Kapazität)
• 3% Spannungsungleichgewicht kann die Lebensdauer des Motors um 50% verkürzen

Erkennung und Messung

Spannungsmessung

• Messen Sie die Außenleiterspannungen (VAB, VBC, VCA) bei laufendem Motor unter Last
• Durchschnitt und prozentuale Abweichung berechnen
• An den Motorklemmen (nicht an der Versorgungstafel) durchführen, um den Spannungsabfall einzubeziehen
• Dokumentieren und im Zeitverlauf entwickeln

Strommessung

• Messen Sie den Strom in jeder Phase mit einem Zangenmessgerät
• Berechnen Sie den Prozentsatz des Ungleichgewichts
• Stromunsymmetrie oft 6-10× Spannungsunsymmetrie
• Zunehmendes Stromungleichgewicht weist auf ein sich entwickelndes Motorproblem hin

Schwingungsanalyse

• Erhöhter 2× Netzfrequenzanteil
• Vergleichen Sie die Amplitude mit der Basislinie
• Unterscheiden Sie von mechanischer 2× (Fehlausrichtung) durch die Frequenz (120/100 Hz vs. 2× Laufgeschwindigkeit)

Thermische Überwachung

• Messen Sie die Wicklungstemperaturen oder die Motorgehäusetemperatur
• Temperaturungleichgewicht zwischen den Phasen
• Gesamttemperatur höher als bei Belastung erwartet

Korrekturmethoden

Für angebotsseitige Ungleichgewichte

• Bei Ungleichgewicht am Versorgungseingang wenden Sie sich an den Energieversorger
• Alle Verbindungen im Verteilungssystem prüfen und festziehen
• Überprüfen Sie, ob Sicherungen und Leistungsschalter intakt sind
• Gleichen Sie einphasige Lasten über drei Phasen aus
• Überprüfen Sie die Einstellungen der Transformatoranzapfungen

Bei Problemen auf der Motorseite

• Motorklemmenanschlüsse prüfen und reinigen
• Überprüfen Sie, ob die Kabelverbindungen fest und sauber sind
• Prüfung auf Wicklungsfehler (Isolationswiderstand, Stromsignaturanalyse)
• Bei Bestätigung des internen Fehlers den Motor neu spulen oder austauschen

Leistungsreduzierung

• Wenn die Unwucht nicht korrigiert werden kann, reduzieren Sie die Motorbelastung
• NEMA empfiehlt 1% Derating pro 1% Spannungsunsymmetrie über 1%
• Überwachen Sie die Temperatur genau

Prävention und Überwachung

Einrichtung

• Überprüfen Sie vor dem Einschalten den Spannungsausgleich an den Motorklemmen
• Verwenden Sie Leiter mit der richtigen Größe (minimieren Sie den Spannungsabfall).
• Stellen Sie sicher, dass alle Verbindungen sauber und fest sind
• Überprüfen Sie den korrekten Motoranschluss (Stern oder Dreieck).

Betrieb

• Periodische Spannungs- und Strommessung
• Trendanalyse zur Erkennung sich entwickelnder Probleme
• Überwachen Sie durchgebrannte Sicherungen oder ausgelöste Leistungsschalter
• Untersuchungen zur Stromqualität in Anlagen mit wiederkehrenden Motorproblemen

Elektrische Unsymmetrie ist ein häufiges, aber oft übersehenes Motorproblem, das die Funktionsfähigkeit, Effizienz und Lebensdauer des Motors erheblich beeinträchtigt. Für optimale Motorleistung und Zuverlässigkeit ist es unerlässlich, den Zusammenhang zwischen Spannungs- und Stromunsymmetrie zu verstehen, die Schwingungssignatur der 2-fachen Netzfrequenz zu erkennen und durch ordnungsgemäße Installation und Überwachung eine ausgeglichene Stromversorgung aufrechtzuerhalten.

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