Kompensation von Drehstrommotoren

Transkript

1 Technik Jens Schlender / Andreas Renner Kompensation von Drehstrommotoren Studienarbeit

2

3 GBS Leipzig Kompensation von Drehstrommotoren Verfasser: Klasse: Jens Schlender Andreas Renner 01E2B Projektarbeit 2003 Fachschule für Technik und Wirtschaft 1

4 Inhaltsverzeichnis 1 Wesen der Kompensation Übertragung und rationelle Anwendung elektrischer Energie 1.2 Definition von Kompensation 1.3 Grundlagenbetrachtung zur Kompensation Wirkwiderstand, induktiver Blindwiderstand, kapazitiver Blindwiderstand und Scheinwiderstand Wirkstrom, induktiver Blindstrom und kapazitiver Blindstrom Äquivalente Schaltungen Wirk-, Blind, Scheinleistung- und Leistungsfaktor cos ϕ Wirkleistung Blindleistung Wirk- und induktive Blindleistung Scheinleistung Leistungsfaktor cos ϕ Drehstrom (dreiphasen Wechselstrom) Entstehung des Drehstromes Phasenverkettung Verkettung 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 2

5 3.3 Berechnung der induktiven- und wirksamen Stromanteile im Motorstrang, mit Hilfe der äquivalenten Schaltung Motor in Dreieckschaltung 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)) Berechnung der Ströme Kapazitiver Strangstrom, kapazitiver Leiterstrom, Leiterstrom des Motors und Gesamtleiterstrom (Motor -Kondensator ) Vergleichsrechnung, kapazitiver Strangstrom, kapazitiver Leiterstrom, Leiterstrom des Motors und Gesamtleiterstrom (Motor -Kondensator Y) -Kompensationsanpassung durch neuerrechnete 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) -Kompensationsanpassung durch neuerrechnete Berechnung der Ströme Kapazitiver Strangstrom, kapazitiver Leiterstrom, Leiterstrom des Motors und Gesamtleiterstrom (Motor Y-Kondensator ) -Kompensationsanpassung durch neuerrechnete 3

6 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) Berechnung der Ströme Kapazitiver Strangstrom, kapazitiver Leiterstrom, Leiterstrom des Motors und Gesamtleiterstrom (Motor -Kondensator ) Vergleichsrechnung, kapazitiver Strangstrom, kapazitiver Leiterstrom, Leiterstrom des Motors und Gesamtleiterstrom (Motor -Kondensator Y) -Kompensationsanpassung durch neu errechnete 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 Berechnung der Ströme Kapazitiver Strangstrom, kapazitiver Leiterstrom, Leiterstrom des Motors und Gesamtleiterstrom (Motor Y-Kondensator ) -Kompensationsanpassung durch neu errechnete 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

7 4.5 Rechnerische Bestimmung der Kondensatoren von cos ϕ = 0,7 auf cos ϕ = -0,9 kapazitiv (Überkompensation) (Berechungsgrundlage: Asynchronmotor in Dreieckbeschaltung) Berechnung der Ströme Kapazitiver Strangstrom, kapazitiver Leiterstrom, Leiterstrom des Motors und Gesamtleiterstrom (Motor -Kondensator ) Vergleichsrechnung, kapazitiver Strangstrom, kapazitiver Leiterstrom, Leiterstrom des Motors und Gesamtleiterstrom (Motor -Kondensator Y) -Kompensationsanpassung durch neu errechnete 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 Berechnung der Ströme Kapazitiver Strangstrom, kapazitiver Leiterstrom, Leiterstrom des Motors und Gesamtleiterstrom (Motor Y-Kondensator ) -Kompensationsanpassung durch neu errechnete 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 Schaltungs- und Versuchsaufbau 5.2 Vergleich und Auswertung der gemessenen und berechneten Messdaten (Kompensation von cos ϕ = 0,7 auf cos ϕ = 0,9) Tabellarischer Vergleich 5

8 5.2.2 Auswertung der Vergleichswerte Messwertabweichungen zu berechneten Werten 6 Betrachtungen des Asynchronmotors zur Anlagenbestimmung Berechnung der statischen Motordaten (Netzart: 380V/660V) 6.2 Stromaufnahme im 230V/400V Netz 6.3 Sternschaltung im 230V/400V Netz Blind-, Schein- und Wirkleistungsberechnung Drehmomentberechnung 6.4 Dreieckschaltung im 230V/400V Netz Blind-, Schein- und Wirkleistungsberechnung Drehmomentberechnung 7 Anlagenbestimmung Anlagendarstellung und Festlegungen 7.2 Referenzstromberechnung 7.3 Kabel- und Leitungsberechnung Mechanische Belastbarkeit Strombelastbarkeit Schutz durch Abschaltung zulässiger Spannungsfall (Drehstrom) Kurzschlussschutz 8 Kosten und Nutzen Arten von Starkstromkondensatoren für Kompensationszwecke PCB-haltige Starkstromkondensatoren Einsatz und Gefahren von PCB-haltigen Starkstromkondensatoren Eigenschaften von PCB 9.2 Brandschutz, Umweltschutz und Entsorgung von PCB-haltigen Kondensatoren Brandschutz Umweltschutz Entsorgung von PCB-haltigen Kondensatoren Kennzeichnung von PCB-haltigen und PCB-freien Kondensatoren 6

9 Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Widerstandszeiger-Dreieck mit induktiven Blindwiderstand... 3 Abb. 2: Widerstandszeiger-Dreieck mit kapazitiven Blindwiderstandsanteil... 3 Abb. 3: Widerstandszeiger-Dreieck mit induktiven- und kapazitiven Blindwiderstandsanteil... 4 Abb. 4: Widerstandszeiger-Dreieck mit kapazitiven- und induktiven Blindwiderstandsanteil... 4 Abb. 5: Widerstandszeiger-Dreieck mit induktiven Blindwiderstandsanteil... 6 Abb. 6: Widerstandszeiger-Dreieck mit kapazitiven- und induktiven Blindwiderstandsanteil... 6 Abb. 7: Umwandlung einer Parallelschaltung aus R und L in eine äquivalente Reihenschaltung... 8 Abb. 8: Geometrische Addition der Teilspannungen... 8 Abb. 9: Umwandlung einer Reihenschaltung aus R und L in eine äquivalente Parallelschaltung... 8 Abb. 10: Geometrische Addition der Teilströme... 8 Abb. 11: Strom, Spannung und Leistung bei ohmscher Belastung Quelle: FRAKO (Handbuch), S Abb. 12: Strom, Spannung und Leistung bei reiner Blindlast Quelle: FRAKO (Handbuch), S Abb. 13: Strom, Spannung und Leistung bei ohmscher und induktiver Last Quelle: FRAKO (Handbuch), S Abb. 14: Leistungsdreieck ohne kapazitiven Blindleistungsanteil Abb. 15: Leistungsdreieck mit kapazitiven Blindleistungsanteil Abb. 16: Erzeugung von drei phasenverschobenen Wechselströmen (Drehstrom) Quelle: Von-Grambusch (Der Drehstrom) Abb. 17: graphische Augenblickswertbetrachtung der Ströme im Drehstromsystem Quelle: Von-Grambusch (Der Drehstrom) Abb. 18: Schaltungsmöglichkeiten im Drehstromsystem Quelle: Von-Grambusch (Der Drehstrom) Abb. 19: Darstellung der Drehstromverkettung in Stern (Spannungsverkettung) Quelle: Von-Grambusch (Der Drehstrom) Abb. 20: Darstellung der Drehstromverkettung in Dreieck (Stromverkettung)

10 Abb. 21: unkompensierte Leitungsbelastung Quelle: JUST (Blindstrom-Kompensation), S Abb. 22: kompensierte Leitungsbelastung Quelle: JUST (Blindstrom-Kompensation), S Abb. 23: Beispiel für Einzelkompensation Quelle: FRAKO (Handbuch) S Abb. 24: Beispiel für Gruppenkompensation Quelle: FRAKO (Handbuch) S Abb. 25: Beispiel für Zentralkompensation Quelle: FRAKO (Handbuch) S Abb. 26: Beispiel für gemischte Kompensation Quelle: FRAKO (Handbuch) S Abb. 27: Diagramm der Blindleistung mit Kompensation Abb. 28: Diagramm der Blindleistung mit Kompensation Abb. 29: Schaltungs- und Versuchsaufbau Abb. 30: Übersicht der Messergebnisse Abb. 31: Übersicht über Mess- und Berechnungsergebnisse Abb. 32: Motorklemmbrett Abb. 33: Zeigerbild (Widerstandsdreieck) Abb. 34: Sternschaltung Abb. 35: Dreieckschaltung Abb. 36: Anlagenplan Abb. 37: Verlegearten (Kabel/Leitungen) Abb. 38: Kenn- und Bezugsgrößenbestimmung Abb. 39: Schleifenimpedanz Abb. 40: Hinweisschild gemäß DIN VDE 0532 Teil

11 Legende ω Kreisfrequenz ϕ Phasenwinkel ϕ 1 vorhandener Phasenwinkel ϕ 2 gewünschter Phasenwinkel C Kondensator C... Sicherheitsfaktor (0,95 oder 1) C Kapazität C Y Kondensator Y f Frequenz F Korrekturfaktor I N... Nennstrom der Sicherung I Strom I 1, I 2, I 3 Leiterstrom (L1, L2, L3) I 12, I 23, I 31 Strangströme Motor I 1N, I 2N, I 3N Strangströme Motor Y I a... Abschaltstrom der Sicherung I A Amortisationsjahre I B Betriebsstrom I C kapazitiver Blindstrom I L induktiver Blindstrom I L Leiterstrom I LL1, I LL2, I LL3 induktiver Blindstrom - Äquivalent - I N Nennstrom der Sicherung I R Referenzstrom I R Überlastschutz (Motorschutzschalter) I R Wirkstrom I R1, I R2, I R3 Strangstrom Äquivalent - I Str Strangstrom (allg.) I W Wirkstrom I Z zulässiger Strom k... Abschaltfaktor (Vielfaches vom Nennstrom) P Leistung P mittlere Bezugsleistung P AB abgegebene Leistung P L1, P L2, P L3 Leiterwirkleistung P W Wirkleistung P ZU zugeführte Leistung Q Blindleistung Q C benötigte Kondensatorleistung Q C kapazitive Blindleistung Q L induktive Blindleistung Q LL1, Q LL2, Q LL3 induktive Leiterblindleistung R P Wirkwiderstand (Parallel) R r Wirkwiderstand (Reihe) R W Wirkwiderstand S Scheinleistung kompensiert S Scheinleistung unkompensiert S L1, S L2, S L3 Außenleiter-Scheinleistung t A Abschaltzeit t WA max. Abschaltdauer bei I A t WK max. Kurzschlussdauer bei I K U Spannung U 0 Außenleiter-Erde Spannung U 12, U 23, U 31 Strangspannung Motor U 1N, U 2N, U 3N Strangspannung Motor Y U L induktive Blindspannung U L Leiterspannung U R Wirkspannung U str Strangspannung (allg.) X C kapazitiver Blindwiderstand X C kapazitiver Blindwiderstand X CY kapazitiver Blindwiderstand Y X L induktiver Blindwiderstand 9