Was ist ein Motor-Spannungsstabilisator?

Motor-Spannungsstabilisator – Eine Definition

Der Motor-Spannungsstabilisator ist ein geschlossener Regelkreis, der dazu dient, die symmetrische 3- oder einphasige Ausgangsspannung trotz Schwankungen am Eingang aufgrund unsymmetrischer Verhältnisse aufrechtzuerhalten. Die meisten industriellen Lasten sind 3-Phasen-Induktionsmotorlasten und in der realen Fabrikumgebung ist die Spannung in 3 Phasen selten symmetrisch. Sagen wir zum Beispiel, wenn die gemessenen Spannungen 420, 430 und 440V betragen, beträgt der Mittelwert 430V und die Abweichung 10V.

Der Prozentsatz der Unsymmetrie ist gegeben durch

(10V X 100) / 430V = 2,3%

Man sieht, dass eine 1%ige Spannungsunsymmetrie die Verluste des Motors um 5% erhöht.

Somit kann die Spannungsunsymmetrie die Motorverluste von 2% auf 90% erhöhen und damit auch die Temperatur um einen übermäßigen Betrag ansteigen lassen, was zu einer weiteren Erhöhung der Verluste und einem verringerten Wirkungsgrad führt. Daher wird vorgeschlagen, eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer ausgeglichenen Ausgangsspannung in allen 3 Phasen zu schaffen.

Einphasige Spannungsstabilisation

Das Prinzip basiert auf der vektoriellen Addition der Wechselspannung zum Eingang, um die gewünschte Ausgangsleistung zu erhalten. Dazu wird ein Transformator, Buck-Boost-Transformator(T) genannt, verwendet, dessen Sekundärseite in Reihe mit der Eingangsspannung geschaltet ist. Die Primärseite desselben wird von einem auf dem Motor montierten Stelltransformator(R) gespeist.

Je nach dem Verhältnis von Primär- zu Sekundärspannung ist die induzierte Spannung der Sekundärseite entweder gleichphasig oder aufgrund der Spannungsschwankung phasenverschoben. Der Stelltransformator wird in der Regel an beiden Enden aus dem Eingangsnetz gespeist, wobei die Anzapfung an ca. 20% der Wicklung als Festpunkt für die Primärseite des Buck-Boost-Transformators genommen wird. Der variable Punkt des Autotransformators ist daher in der Lage, 20% phasenverschobene Spannung zu liefern, die für den Buck-Boost-Betrieb verwendet wird, während 80% phasengleich mit der Eingangsspannung ist und für den Boost-Betrieb verwendet wird.

Der Stelltransformators wird durch die Erfassung der Ausgangsspannung für eine Steuerschaltung gesteuert, welcher die Drehrichtung des Synchronmotors bestimmt, der durch ein Paar Triacs zu seiner geteilten Phasenwicklung geführt wird.

3 Phasen symmetrische Eingangs-Korrektur

Für den Betrieb mit geringer Leistung, z.B. etwa 10KVA, wird derzeit ein doppelt gewickelter Variac verwendet, der den Buck-Boost-Transformator auf dem Stelltransformator selbst eliminiert. Dadurch wird die Verschiebung des Variacs auf 250 Grad begrenzt, da die Symmetrie für die Sekundärwicklung verwendet wird. Dies macht das System zwar wirtschaftlich, hat aber gravierende Nachteile in Bezug auf seine Zuverlässigkeit. Der Industriestandard akzeptiert niemals eine solche Kombination.

In Bereichen mit einer einigermaßen ausgeglichenen Eingangsspannung werden auch dreiphasige servogesteuerte Korrektoren für den Zweck der stabilisierten Ausgabe verwendet, wobei als einzelner dreiphasiger Variac verwendet wird, der von einem Synchronmotor und einer einzigen Steuerkarte montiert wird, die die zweiphasige Spannung aus drei erfasst. Dies ist viel wirtschaftlicher und nützlicher, wenn die Eingangsphasen einigermaßen ausgeglichen sind. Es hat den Nachteil, dass bei starker Ungleichheit der Ausgang proportional unsymmetrisch ist.

3 Phasen unsymmetrische Eingangs-Korrektur

Drei Serientrafos (T1,T2,T3), von denen jeder Sekundärteil verwendet wird, einer in jeder Phase, welcher die Spannung von der Eingangsspannung entweder addiert oder subtrahiert, um dort in jeder Phase eine konstante Spannung zu liefern, indem der symmetrische Ausgang vom unsymmetrischen Eingang gemacht wird. Der Eingang zur Primärseite des Serientrafos wird für jede Phase von je einem variablen Autotransformator (Variac) (R1, R2, R3) gespeist, der jeweils mit einem Synchronmotor (M1, M2, M3) mit geteilter Phase (2 Spulen) gekoppelt ist.

Der Motor wird für jede seiner Spulen durch Thyristorschaltung mit Wechselstrom versorgt, entweder für eine Drehung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn, um die gewünschte Ausgangsspannung von dem Variac zu der Primärseite des Serientrafos, entweder in Phase oder außer Phase, zu ermöglichen, um an der Sekundärseite des Serientrafos Additionen oder Subtraktionen nach Bedarf durchzuführen, um eine konstante und ausgeglichene Spannung am Ausgangsausgang aufrechtzuerhalten.

Die Rückkopplung vom Ausgang zum Steuerkreis (C1, C2, C3) wird mit einer festen Referenzspannung durch Pegelkomparatoren aus Operationsverstärkern verglichen, um den TRIAC schließlich entsprechend der Notwendigkeit der Ansteuerung des Motors auszulösen.

Dieses Schema besteht im wesentlichen aus einem Steuerkreis, einem einphasigen Servo-Induktionsmotor, der mit einer variablen Speisung der Primärseite eines Serientrafos für jede Phase gekoppelt ist.

• Die Steuerschaltung, welche aus einem um Transistoren geschalteten Fensterkomparator und einer RMS-Fehlersignalspannungsverstärkung durch den IC 741 besteht, ist in Multisim aufgebaut und wird für verschiedene Eingangsbetriebsbedingungen simuliert, um die Zündung der TRIACs zu gewährleisten, die den Kondensator-Induktionsmotor mit Phasenverschiebung in der erforderlichen Richtung betreiben würden, welcher den Variac steuert.
• Basierend auf den Maximal- und Minimalwerten der Spannungsschwankungen werden der Serientrafo und die Steuertransformatoren mit Hilfe von Standardformeln entworfen, die an die handelsüblichen Eisenkern- und Kupferlackdrahtgrößen angepasst sind, bevor sie für den Einsatz im Projekt gewickelt werden.

Technologie des Motor-Spannungsstabilisator

In einem symmetrischen 3-Phasen-Stromnetz haben alle Spannungen und Ströme die gleiche Amplitude und sind um 120 Grad gegeneinander phasenverschoben. Dies ist jedoch praktisch nicht möglich, da unsymmetrische Spannungen zu negativen Auswirkungen auf die Geräte und das elektrische Verteilungssystem führen können.

Unter unsymmetrischen Bedingungen wird das Verteilungssystem mehr Verluste und Erwärmungseffekte aufweisen und weniger stabil sein. Der Effekt der Spannungsunsymmetrie kann auch nachteilig für Geräte wie Induktionsmotoren, leistungselektronische Umrichter und drehzahlvariable Antriebe (ASDs) sein. Ein relativ kleiner Prozentsatz der Spannungsunsymmetrie bei einem Drehstrommotor führt zu einer signifikanten Erhöhung der Motorverluste, was auch eine Verringerung des Wirkungsgrades zur Folge hat. Die Energiekosten können in vielen Anwendungen durch die Reduzierung der Motorleistung, die aufgrund der Spannungsunsymmetrie verloren geht, minimiert werden indem ein Motor-Spannungsstabilisator verwendet wird.

Die prozentuale Spannungsasymmetrie ist von NEMA definiert als die 100-fache Abweichung der Netzspannung von der Durchschnittsspannung geteilt durch die Durchschnittsspannung. Wenn die gemessenen Spannungen 420, 430 und 440V betragen, beträgt der Mittelwert 430V und die Abweichung 10V.

Die prozentuale Unsymmetrie ist gegeben durch (10V * 100 / 430V) = 2,3%.
Somit erhöht eine 1%ige Spannungsunsymmetrie die Motorverluste um 5%.

Daher ist die Asymmetrie ein ernsthaftes Problem der Netzqualität, das hauptsächlich Niederspannungsverteilungssysteme betrifft, und daher wird im Projekt vorgeschlagen, eine ausgeglichene Spannung in jeder Phase in Bezug auf die Größenordnung beizubehalten und somit eine ausgeglichene Netzspannung zu erhalten.

Wechselspannungsstabilisatoren dienen dazu, eine stabilisierte Wechselstromversorgung aus dem schwankenden Eingangsnetz zu erhalten. Sie finden Anwendungen in allen Bereichen der Elektro-, Elektronik- und vielen anderen Industrien, Forschungseinrichtungen, Prüflabors, Bildungseinrichtungen, etc.

Was ist eine Unsymmetrie

Als Unsymmetrie bezeichnet man den Zustand, wenn die 3 Phasenspannungen und -ströme nicht die gleiche Amplitude und die gleiche Phasenverschiebung haben.

Wenn eine oder beide dieser Bedingungen nicht erfüllt sind, wird das System als unsymmetrisch oder asymmetrisch bezeichnet. (In diesem Text wird implizit angenommen, dass die Wellenformen sinusförmig sind und somit keine Oberwellen enthalten).

Ursachen der Unsymmetrie

Ein Netzbetreiber versucht, eine ausgeglichene Systemspannung zwischen dem Verteilungsnetz und dem internen Netz des Kunden bereitzustellen.

Die Ausgangsspannungen im Dreiphasensystem sind abhängig von den Ausgangsspannungen der Generatoren, der Impedanz des Systems und dem Laststrom.

Da jedoch meist Synchrongeneratoren verwendet werden, sind die erzeugten Spannungen hochsymmetrisch und können daher nicht die Ursache für eine Unsymmetrie sein. Verbindungen auf niedrigerem Spannungsniveau haben in der Regel eine hohe Impedanz, die zu einer potenziell größeren Spannungsasymmetrie führt. Die Impedanz der Systemkomponenten wird durch die Konfiguration von Freileitungen beeinflusst.

Folgen der Spannungsunsymmetrie

Die Empfindlichkeit von elektrischen Geräten gegenüber Spannungsunsymmetrie ist von Gerät zu Gerät unterschiedlich. Sie treten z.B. bei Wechselstrom-Synchronmaschinen mit intern induzierten rotierenden Magnetfeldern auf, deren Größe proportional zur Amplitude der direkten und/oder inversen Komponenten ist. Bei einer unsymmetrischen Versorgung wird das rotierende Magnetfeld daher nicht kreisförmig, sondern elliptisch. Daher haben Induktionsmaschinen hauptsächlich drei Arten von Problemen aufgrund von Spannungsunsymmetrie:

1. Zum einen kann die Maschine nicht ihr volles Drehmoment erzeugen, da das gegenläufige Magnetfeld des Gegentaktsystems ein negatives Bremsmoment erzeugt, das vom Grundmoment, das mit dem normalen rotierenden Magnetfeld verknüpft ist, abgezogen werden muss. Die folgende Abbildung zeigt die unterschiedlichen Drehmomentschlupf-Kennlinien einer Asynchronmaschine bei unsymmetrischer Einspeisung.
   
2. Zum anderen können die Lager durch induzierte Drehmomentkomponenten bei doppelter Systemfrequenz mechanisch beschädigt werden.
3. Schließlich werden der Stator und vor allem der Rotor übermäßig erwärmt, was zu einer schnelleren thermischen Alterung führen kann. Diese Erwärmung wird durch die Induktion signifikanter Ströme durch das schnell rotierende (im relativen Sinne) inverse Magnetfeld, wie es vom Rotor gesehen wird, verursacht. Um mit dieser zusätzlichen Erwärmung umgehen zu können, muss der Motor abgeschaltet werden, was die Installation einer Maschine mit größerer Leistung erfordern kann.

Wirtschaftlichkeit der Technik

Die Spannungsunsymmetrie kann zu einem vorzeitigen Motorausfall führen, der nicht nur zu einem ungeplanten Abschalten der Anlage führt, sondern auch große wirtschaftliche Verluste verursacht. So kann hier ein Motor-Spannungsstabilisator ökonomische Vorteile bringen.

Die Auswirkungen von Nieder- und Hochspannung auf die Motoren und die damit verbundenen Leistungsänderungen, die bei Verwendung anderer als der auf dem Typenschild angegebenen Spannungen zu erwarten sind, äußern sich wie folgt:

Auswirkungen von Niederspannung

Wenn ein Motor Spannungen unter der auf dem Typenschild angegebenen Nennspannung ausgesetzt wird, ändern sich einige der Eigenschaften des Motors leicht und andere drastisch.

Die Menge der aus der Leitung entnommenen Leistung muss für eine bestimmte Belastung festgelegt werden.

Die Höhe der Leistungsaufnahme des Motors hat eine grobe Korrelation mit der Spannung zum Strom (Ampere).

Um die gleiche Leistungsmenge bei niedriger Versorgungsspannung zu erhalten, wirkt eine Erhöhung des Stroms als Kompensation. Dies ist jedoch gefährlich, da ein höherer Strom zu einem stärkeren Wärmestau im Motor führt, der den Motor schließlich zerstört.

Die Nachteile des Anlegens einer niedrigen Spannung sind daher die Überhitzung des Motors und die Beschädigung des Motors.

Das Anzugsmoment, das Pull-up-Moment und das Auszugsmoment von großen Lasten (Induktionsmotoren), basierend auf dem Quadrat der angelegten Spannung.

Im Allgemeinen kann eine 10%ige Reduzierung der Nennspannung zu einem niedrigen Anlauf-, Hochzieh- und Auszugsmoment führen.

Auswirkungen von Hochspannung

Eine hohe Spannung kann die Magnete in Sättigung bringen, wodurch der Motor übermäßigen Strom zieht, um das Eisen zu magnetisieren. Daher kann Hochspannung auch zu Schäden führen. Hochspannung reduziert auch den Leistungsfaktor, was zu einer Erhöhung der Verluste führt.

Die Motoren tolerieren eine gewisse Änderung der Spannung über die Auslegungsspannung hinaus. Wenn die Extremwerte über der Auslegungsspannung liegen, steigt der Strom mit einer entsprechenden Veränderung der Erwärmung und einer Verkürzung der Lebensdauer des Motors.

Die Spannungsempfindlichkeit wirkt sich nicht nur auf Motoren, sondern auch auf andere Geräte aus. Die Magnete und Spulen in den Relais und Startern vertragen niedrige Spannungen besser als hohe Spannungen. Andere Beispiele sind Vorschaltgeräte in Leuchtstoff-, Quecksilber- und Natriumdampf-Hochdrucklampen, Transformatoren und Glühlampen.

Insgesamt ist es definitiv besser für die Geräte, wenn wir die Anzapfungen an den eingehenden Transformatoren ändern, um die Spannung in der Anlage auf etwas zu optimieren, das nahe an den Gerätenennwerten liegt, was das Hauptkonzept hinter dem vorgeschlagenen Konzept der Spannungsstabilisierung ist.

Regeln zur Festlegung der Versorgungsspannung

• Kleine Motoren neigen dazu, empfindlicher auf Überspannung und Sättigung zu reagieren als große Motoren.
• Einphasige Motoren neigen dazu, empfindlicher auf Überspannung zu reagieren als 3-Phasen-Motoren.
• U-Rahmen-Motoren sind weniger empfindlich gegen Überspannung als T-Rahmen-Motoren.
• Super-E-Motoren mit hohem Wirkungsgrad sind weniger empfindlich gegen Überspannung als Motoren mit Standardwirkungsgrad.
• 2- und 4-polige Motoren neigen weniger zu Hochspannung als 6- und 8-polige Ausführungen.
• Überspannung kann selbst bei leicht belasteten Motoren die Stromstärke und Temperatur erhöhen.
• Der Wirkungsgrad wird ebenfalls beeinträchtigt, da er bei Nieder- oder Hochspannung reduziert wird.
• Der Leistungsfaktor reduziert sich bei hoher Spannung.
• Einschaltstrom steigt mit höherer Spannung.