Rechner für Elektromotoren nach IEC 60034-1

Was dieser Rechner macht

Er fasst in sechs Reitern die Berechnungen der IEC 60034-1:2004 zusammen, die beim Prüfen oder Abnehmen eines Elektromotors am häufigsten gebraucht werden: die Wicklungserwärmung und ihre Grenze, die Korrektur, wenn die erste Messung zu spät kommt, die Qualität der Versorgungsspannung (Oberschwingungen und Unsymmetrie), den Betriebsbereich nach Spannung und Frequenz sowie die Toleranzen der Werte im Prüfprotokoll. Er gilt für Motoren und drehende Maschinen. Für Leistungstransformatoren gibt es den Rechner für die Prüfung von Leistungstransformatoren.

1. Erwärmung nach dem Widerstandsverfahren

Die mittlere Wicklungstemperatur ergibt sich daraus, wie stark ihr Widerstand steigt (8.6.2.2):

(θ₂ + k)/(θ₁ + k) = R₂/R₁ und Δθ = (R₂ − R₁)/R₁·(k + θ₁) + θ₁ − θc

mit k = 235 für Kupfer und 225 für Aluminium, θ₁ und R₁ kalt, R₂ am Ende der Erwärmungsprüfung und θc die Kühlmitteltemperatur am Prüfende.

Grenze (Tabelle 7). Für indirekt luftgekühlte Wechselstromwicklungen, gemessen nach dem Widerstandsverfahren:

Beim Überlagerungsverfahren sind für Maschinen der Klasse B oder F bis 200 kW 5 K mehr zulässig. Im Kurzzeitbetrieb S2 unter 5000 kW 10 K mehr (Tabelle 9).

Anpassung an den Aufstellungsort (Tabellen 9 und 10). Die Grenzen setzen ein Kühlmittel von 40 °C und eine Höhe bis 1000 m voraus. Ist das Kühlmittel am Aufstellungsort kälter, steigt die Grenze um die Differenz. Übersteigt der Abstand zwischen Wärmeklasse und 40 °C plus Grenze 5 K, wird diese Erhöhung mit dem Faktor 1 − (Klasse − (40 + Grenze))/80 K verringert. Ist es wärmer (bis 60 °C), sinkt die Grenze um die Differenz. Über 1000 m tritt an die Stelle der 40 °C der Wert aus Tabelle 10. Ist keine Umgebungstemperatur festgelegt, wird angenommen, dass die kältere Luft in der Höhe die schlechtere Kühlung ausgleicht, und es wird nichts angepasst.

Anpassung an den Prüfort (Tabelle 11). Wird in anderer Höhe geprüft, wird die Grenze mit 1 + (Hr − H)/10 000 m multipliziert, wobei Höhen unter 1000 m als 1000 m zählen.

Rechenbeispiel

Motor 75 kW, Wärmeklasse F, Kupferwicklung. Kalt: 1,200 Ω bei 20 °C. Am Ende des Erwärmungslaufs: 1,560 Ω bei 25 °C Kühlluft.

• θ₂ = 1,560/1,200·(235 + 20) − 235 = 96,5 °C
• Δθ = 96,5 − 25 = 71,5 K
• Grenze nach Tabelle 7 für Klasse F: 105 K. 33,5 K Reserve: bestanden, und sogar die Grenze der Klasse B (80 K) wäre eingehalten, wie es bei Motoren der Klasse F üblicherweise ausgelegt wird.
• Läge die Luft am Aufstellungsort höchstens bei 30 °C: Abstand = 155 − (40 + 105) = 10 K, über 5 K → die Grenze steigt um 10·(1 − 10/80) = 8,75 K auf 113,75 K.

2. Korrektur der Auslaufzeit

Bei direkter Messung wird der Widerstand nach dem Abschalten abgelesen. Die Messung gilt ohne Korrektur, wenn sie innerhalb des Intervalls aus Tabelle 5 erfolgt:

Kommt sie später, aber vor dem Doppelten dieser Zeit, werden weiter etwa jede Minute Messungen genommen, bis die Werte deutlich fallen. Die Temperaturkurve wird halblogarithmisch auf das Intervall der Tabelle 5 extrapoliert (8.6.2.3.3). Der Rechner passt ln θ über der Zeit mit den Messungen ab dem Höchstwert an. Ist eine spätere Messung höher, gilt die höchste. Nach dem Doppelten des Intervalls ist das Verfahren nur nach Vereinbarung zulässig.

Im Beispiel ergibt ein 160-kW-Motor (Intervall 90 s), dessen erste Messung bei 150 s liegt, mit 1,548, 1,541, 1,535 und 1,529 Ω im Minutenabstand 95,3 °C, extrapoliert auf 90 s.

3. Oberschwingungsfaktor der Spannung (HVF)

Ein Wechselstrommotor an fester Frequenz muss eine Spannung mit folgendem Faktor aushalten (7.2.1.1):

HVF = √(Σ uₙ²/n), n von 2 bis 13, uₙ die Oberschwingung der Ordnung n in p.u. der Bemessungsspannung.

Bei Drehstrommotoren werden durch 3 teilbare Ordnungen nicht gezählt. Die Grenze ist 0,02, für Motoren der Auslegung N (IEC 60034-12) 0,03, sofern der Hersteller nichts anderes angibt. Mit 3 % 5. Ordnung, 2 % 7. und je 1 % 11. und 13. Ordnung beträgt der HVF 0,016.

4. Unsymmetrie der Versorgung

Ein Drehstrommotor muss mit einem Gegensystem bis 1 % des Mitsystems dauerhaft oder 1,5 % für wenige Minuten sowie einem Nullsystem bis 1 % arbeiten (7.2.1.1). Aus den Beträgen der drei Leiterspannungen ergibt sich das Gegensystem:

β = (U₁₂⁴ + U₂₃⁴ + U₃₁⁴)/(U₁₂² + U₂₃² + U₃₁²)², u₂ = √[(1 − √(3 − 6β))/(1 + √(3 − 6β))]

Für das Nullsystem sind die Sternspannungs-Zeiger nötig. Bei 400, 396 und 404 V Leiterspannung beträgt das Gegensystem 1,15 %: nur für wenige Minuten zulässig.

5. Spannungs- und Frequenzbereiche A und B

Bild 12 der Norm legt für Motoren an fester Frequenz zwei Bereiche fest (7.3):

• Bereich A: Spannung 0,95 bis 1,05 p.u., Frequenz 0,98 bis 1,02 p.u., mit zwei abgeschrägten Ecken. Der Motor muss seine Hauptfunktion dauernd erfüllen, auch wenn er etwas von seinen Bemessungswerten abweicht. Am Rand des Bereichs liegt die Erwärmung meist etwa 10 K über der Grenze.
• Bereich B: Spannung 0,90 bis 1,10 p.u., Frequenz 0,95 bis 1,03 p.u., ebenfalls mit abgeschrägten Ecken. Er muss seine Hauptfunktion erfüllen, mit größeren Abweichungen. Längerer Betrieb am Rand wird nicht empfohlen.

Ein 400-V-Motor an 376 V und 49,5 Hz liegt in Bereich B.

6. Toleranzen (Tabelle 20)

Beispiel für die Wirkungsgradregel: ein 75-kW-Motor mit angegebenem η = 95,0 % besteht, wenn er mindestens 95,0 − 0,15·5,0 = 94,25 % erreicht.

Was dieser Rechner nicht macht

Er gilt nicht für Transformatoren. Er deckt nur indirekt luftgekühlte Wechselstromwicklungen ab: keine Wasserstoff- oder direkte Wasserkühlung (Tabellen 8, 12 bis 14), keine Erreger- oder Kommutatorwicklungen. Er berechnet weder den Wirkungsgrad aus Einzelverlusten (IEC 60034-2-1) noch die IE-Klasse (IEC 60034-30-1). Er folgt der Ausgabe 2004 der IEC 60034-1. Spätere Ausgaben können einzelne Werte ändern, prüfen Sie daher, welche in Ihrem Vertrag gilt. Das Ergebnis ist ein Richtwert und muss von einem fachkundigen Ingenieur geprüft werden.

Womit gemessen wird

Der Wicklungswiderstand wird mit Mikroohmmetern gemessen, die Isolation mit Isolationswiderstandsmessgeräten. Oberschwingungen und Unsymmetrie der Versorgung zeichnet ein Netzanalysator auf.