Wartung von Elektromotoren – eine wirtschaftliche Betrachtung

Die Kosten für Ausfälle und Stillstandszeiten von Elektromotoren wirken sich direkt auf die Rentabilität der jeweiligen elektrischen Anlage aus. Das regelmäßige Messen wichtiger Parameter wie Spannungs-/Strom­unsymmetrie und Leistungsfaktor trägt dazu bei, die Betriebszeit zu erhöhen und Reparaturen besser ­planen zu können.

Darüber hinaus können diese Messungen der Anlass für Korrekturmaßnahmen sein, die zu erheb­lichen Energieeinsparungen und einem schnellen Return on Investment (ROI; Kapitalrendite) führen. Dieser Beitrag beleuchtet die drei genannten Themen und lässt die Auswirkungen von Oberschwingungen auf die Motorleistung außen vor.

Einfluss von Spannungsunsymmetrien

Bild 1: Das Industriemultimeter ermöglicht präzise Spannungs- und Frequenzmessungen an Motorantrieben mit Frequenzumrichtern und anderen elektrischen Geräten (Drehzahlmessungen werden durch die Trägerfrequenz des Frequenzumrichters nicht beeinflusst)

Die Spannungsunsymmetrie ist ein Maß für Spannungsunterschiede zwischen den Leitern eines Dreiphasensystems. Die Phasenspannungen sollten gleich oder nahezu gleich sein, um eine bestmögliche Motorleistung zu erzielen. Große Spannungsunsymmetrien reduzieren nicht nur die Motorleistung, sondern verkürzen auch die Lebensdauer eines Motors.
Die Spannungsunsymmetrie berechnet sich wie folgt: Betragen zum Beispiel die gemessenen Leiterspannungen 452 V, 457 V und 471 V, liegt der Durchschnitt bei 460 V. Damit beträgt die maximale Spannungsabweichung vom Durchschnitt 11 V. Die Berechnung ergibt daher eine Spannungsasymmetrie von 11 V / 460 V = 2,4 %.

Im Idealfall sollte die Spannungsunsymmetrie unter 1 % und nie über 5 % liegen, da der Motorwirkungsgrad jenseits dieser Schwelle inakzeptabel wird. Die Spannungsunsymmetrie sollte regelmäßig mit einem Netzqualitätsanalysator an den Motorklemmen gemessen werden, um sicherzustellen, dass der Wert unter 5 % liegt. ­Darüber hinaus können regelmäßige thermische Inspektionen hochohmige Verbindungen in Schaltanlagen, Trennschaltern oder Motoranschlusskästen aufdecken, die zu einer Spannungsunsymmetrie führen. Weitere potenzielle Ursachen für Spannungsunsymmetrien sind defekte Komponenten für die Leistungsfaktorkorrektur, unsymmetrische Transformatorbänke, unsymmetrische oder unregelmäßige Versorgungsspannungen, ungleichmäßig verteilte einphasige Lasten, einphasige Erdungsfehler oder ein offener Stromkreis auf der Primärseite eines Verteilnetztes.

Bei der Fehlersuche sollte man zunächst die Versorgungsspannungen des Drehzahlreglers (sofern im System vorhanden) prüfen, außerdem die Netzeinspeisung zur Anlage sowie die Transformatorausgänge zum System. Sind an diesen »Quellen« ausgeglichene Phasen vorhanden, sieht eine sinnvolle Mess-Strategie so aus, am Motor zu beginnen und sich methodisch zurück zur ursprünglichen Quelle zu arbeiten: der eigentlichen Stromversorgung (Bild 1).

Mögliche Einsparungen und ROI

Um die Gesamtenergieeinsparung nach einer Korrekturmaßnahme zu berechnen, sind sechs Parameter erforderlich: Motorleistung in kW, Motorlast (als Prozentsatz der Volllast), Laufzeit in Stunden, Nennwirkungsgrad des Motors, Motorwirkungsgrad bei ­einer bestimmten Spannungsunsymmetrie und natürlich der Strompreis in €/kWh. Nehmen wir an, dass diese Parameter in diesem Beispiel wie folgt lauten:

  • Nennleistung: 150 kW
  • Last: 100 %
  • Nennwirkungsgrad: 94 %
  • Wirkungsgrad bei 2,4 % Spannungsunsymmetrie: 93 %
  • Laufzeit: 8 000 h
  • Strompreis: 0,11 €/kWh

Ohne Spannungsunsymmetrie belaufen sich die jährlichen Stromkosten auf:

  • 150 kW x (100 % / 94 %) x 8000 h x 0,11 €/kWh = 140,425 €

Bei einer Spannungsunsymmetrie von 2,4% wären die jährlichen Stromkosten höher:

  • 150 kW x (100 % / 93 %) x 8000 h x 0,11 €/kWh = 14. 935 €

Eine Verbesserung der Spannungsunsymmetrie würde die jährlichen Energiekosten also um 1510 € senken.

In industriellen Umgebungen ist es möglich, viele Motoren mit der gleichen unsymmetrischen Stromversorgung zu betreiben. Daher sind die potenziellen Einsparungen höher als bei einem einzelnen Motor, wobei die tatsächlichen Einsparungen von der Leistung, der Last, den Laufzeiten usw. abhängen. Motoren laufen heißer, wenn ihre Stromversorgung unsymmetrisch ist – ungefähr doppelt so heiß wie das Quadrat der Spannungsunsymmetrie. Bei einer Spannungsasymmetrie von 2 % steigt die Temperatur eines Motors um 8°C. Jede Erhöhung der Betriebstemperatur um 10°C halbiert die Lebensdauer der Isolierung der Motorwicklung.

Auswirkungen einer Stromunsymmetrie

Per Definition ist die Stromasymmetrie ein Maß für den Unterschied in der Stromaufnahme eines Motors auf jedem Zweig eines Dreiphasensystems. Ihre Korrektur trägt ­dazu bei, eine Überhitzung und die Verschlechterung der Motorwicklungs­isolierung zu verhindern. Die Strom­aufnahme auf jedem Zweig sollte gleich oder nahezu gleich sein.

Eine mögliche Ursache für eine Strom­unsymmetrie ist die oben beschriebene Spannungsunsymmetrie. Tritt eine Strom­unsymmetrie auf, ohne dass eine Spannungsunsymmetrie vorhanden ist, muss man nach einer anderen möglichen Ursache suchen, z. B. einem Erdschluss einer Phase oder einer fehlerhaften Isolierung. Die Stromasymmetrie berechnet sich analog zur Spannungs­asymmetrie. Wenn also der gemessene Strom z. B. 30 A, 35 A und 30 A beträgt, liegt der Durchschnitt bei 31,7 A. Damit beträgt die maximale Stromabweichung 3,3 A. Mit diesen Werten beträgt die Stromunsymmetrie 3,3 A / 31,7 A = 10,4 %.

Die Stromunsymmetrie bei Drehstrom­motoren sollte 10 % nicht überschreiten. Wie bei der Spannungsunsymmetrie sollte man regelmäßig mit einem Netzqualitätsanalysator Stromasymmetrien an den Motorklemmen messen. Übrigens lassen sich die beiden Messungen für Unsymmetrie – bei Spannung und Strom – gleichzeitig mit demselben Messinstrument durchführen und speichern.

Liegt die Ursache für die Stromunsymmetrie im Motor selbst, z. B. aufgrund einer fehlerhaften Isolierung oder eines Kurzschlusses einer Phase gegen Masse, sind die Optionen sorgfältig abzuwägen. Die Entscheidung, den Motor durch einen neuen zu ersetzen oder ihn zu reparieren (neu zu wickeln), ist nicht einfach, zumal das Neuwickeln die Effizienz und Zuverlässigkeit eines Motors beeinträchtigen kann. Berücksichtigen für eine Entscheidung sollte man Variablen wie die Kosten des Neuwickelns, die damit einhergehenden Verluste, den Kaufpreis eines neuen Motors, die Motorgröße und den ursprünglichen Wirkungsgrad, Lastfaktor, jährliche Betriebsstunden, Strompreis, Rabatte des Strom anbieters und einfache Amortisa­tionskriterien.

In den meisten Fällen rentiert sich ein ­neuer Motor, wenn der defekte Motor weniger als 30 kW Leistung hat und älter als 15 Jahre ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Motor bereits zuvor neu gewickelt wurde, es sich nicht um einen Spezialmotor mit weniger als 11 kW handelt oder die Neuwicklungskosten mehr als 50 % der Kosten eines neuen Motors betragen. Im letzteren Fall sollten die höhere Effizienz und Zuverlässigkeit des neuen Motors einen schnellen ROI liefern.

Mögliche Einsparungen und ROI

Es gibt zwei Arten von ROI: Energieeinsparungen und langfristige Produktionseinsparungen (Verhinderung von Motorausfällen und Ausfallzeiten). Mögliche Rabatte der Stromversorger können ein weiterer Faktor sein. Leider erweist es sich als schwierig, die tatsächlichen Energieeinsparungen zu ermitteln, insbesondere wenn Neuwickeln die gewählte Lösung ist. Die endgültigen Ver­luste zeigen sich hier erst nach dem Neu­wickeln.

Entscheidet sich der Betreiber für den Kauf eines neuen Motors, sollte er mit einem Softwaretool die durch den Austausch zu erwartende jährliche Stromeinsparung berechnen. Um diese Berechnung manuell durchzuführen, sind zunächst folgende Werte erforderlich: Motornennleistung, Lastfaktor, jährliche Betriebsstunden, durchschnittliche Energiekosten (€/kWh), Wirkungsgrad des vorhandenen und des neuen Motors.

Teilen Sie zunächst die Motorlast (100 %) durch den Wirkungsgrad des neuen Motors. In gleicher Weise teilen Sie die Motorlast durch den Wirkungsgrad des vorhandenen Motors. Subtrahieren Sie dann den ersten vom zweiten Wert. Multiplizieren Sie diese Zahl mit der Motornennleistung, dann mit dem Lastfaktor, den Betriebsstunden und den durchschnittlichen Stromkosten, um die jährliche Energieeinsparung zu ermitteln.

Premium-Motoren mit hohem Wirkungsgrad sind in der Regel um etwa 1 % effizienter als Standard-Motoren, und die Energieeinsparungen führen im Allgemeinen zu einem ROI von weniger als 18 Monaten. Im Vergleich zu einem bestehenden, neu gewickelten Motor wird ein neuer Premium-Motor deutlich mehr als 1 % effizienter sein.

Weitere Einflussgröße: Leistungsfaktor

Bild 2: Diese Echteffektiv-Gleich-/Wechselstrommesszange verfügt über eine Netzqualitätsanzeige zur Erkennung, ob Probleme vom Gerät oder der Stromversorgungsleitung kommen

Der Leistungsfaktor berechnet sich als Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung. Ein Anstieg der Blindleistung führt zu einer höheren Scheinleistung und folglich zu einem geringeren Leistungsfaktor. Dafür verantwortlich sind in vielen Fällen Induktive Lasten (mit Spulen) wie Motoren und Transformatoren. Weicht der Leistungsfaktor um mehr als 5 % vom angestrebten Wert von 1 ab, führt das in vielen Fällen zu zusätzlichen Kosten seitens des Energieversorgers.

Ein Netzqualitätsanalysator ist die beste Option, um den Leistungsfaktor zu messen. Vor der Messung empfiehlt es sich in Erfahrung zu bringen, wie das Stromversorgungsunternehmen niedrige Leistungsfaktoren in Rechnung stellt, welchen durchschnittlichen Leistungsfaktor es pro Monat angibt, wie hoch die Gebühren für Leistungsfaktor-Abweichungen sind und wie der Versorger Leistungsfaktoren misst – in Spitzenintervallen oder als Durchschnittswerte.

Ziel ist es, alle Lasten zu ermitteln, die eine nacheilende Blindleistung verursachen, und eine Strategie zu entwickeln, um den Leistungsfaktor zu verbessern. Beginnen sollte man an der Einspeisung, wo der Stromversorger seine Daten überwacht, und einzelne Lasten überprüfen. Mit dem Netzqualitätsanalysator lässt sich der durchschnittliche Leistungsfaktor über einen bestimmten Aufzeichnungszeitraum ermitteln (Bild 2).

Um den Leistungsfaktor zu verbessern, lassen sich zahlreiche Strategien anwenden, z. B. der eingeschränkte Einsatz von Motoren im Leerlauf oder bei geringer Last. Vermeiden sollte man außerdem, Motoren über ­ihrer Nennspannung zu betreiben. Defekte Standard-Motoren sollten durch energieeffiziente Modelle ersetzt werden. Ein weiterer Ansatz ist die Installation von Kondensatoren in den betroffenen Stromkreisen, um die Blindleistung zu verringern.

Mögliche Einsparungen und ­Amortisierung

Um die Einsparungen zu berechnen, benötigt man sowohl die Informationen des Stromversorgers als auch die der eigenen Messungen. Angenommen, der Versorger erhebt für jedes Prozent, das der Leistungsfaktor unter 97% liegt, einen Zuschlag von 1%: Beträgt der Leistungsfaktor dann jeden Monat durchschnittlich 86 %, liegt der Betrieb 11% unter dem Grenzwert. Belaufen sich die Zahlungen an den Energieversorger beispielsweise auf 6500 € pro Monat, so könnte man durch eine Leistungsfaktorkorrektur eine Einsparung von 6500 € x 11 % = 715 € erzielen, was auf ein Jahr gerechnet 8580 € entspricht.

Autor

Mark Bakker, Field Application Engineer, Fluke

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net

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