Das Wichtigste in Kürze: Spannungsunsymmetrie bedeutet, dass die drei Außenleiterspannungen, die einen Motor speisen, nicht gleich sind. Sie ist eines der schädlichsten Netzprobleme, weil eine kleine Spannungsunsymmetrie eine viel größere Stromunsymmetrie erzeugt, und dieser zusätzliche Strom wird in einer Wicklung zu konzentrierter Wärme. Zum Messen genügt ein Multimeter, und die meisten Fälle gehen auf lose Verbindungen, eine ungleiche Verteilung einphasiger Lasten oder einen schwachen Außenleiter zurück.
Die Faustregel, die man sich merken sollte: Ein Prozentwert Spannungsunsymmetrie verursacht etwa das Sechs- bis Zehnfache dieses Prozentwerts an Stromunsymmetrie. Eine Einspeisung, die am Voltmeter fast in Ordnung aussieht, kann einen Motor also still und leise überhitzen. Dieser Leitfaden zeigt, wie man die prozentuale Spannungsunsymmetrie berechnet, warum sie so viel Schaden anrichtet, welche Ursachen häufig sind und wie man sie diagnostiziert und behebt.
In einem gesunden Drehstromnetz sind die drei Außenleiterspannungen nahezu gleich. Spannungsunsymmetrie ist die Abweichung zwischen ihnen. Die Standardmethode, sie in eine Zahl zu fassen (die NEMA-Definition), ist die prozentuale Spannungsunsymmetrie:
Prozentuale Spannungsunsymmetrie = (größte Abweichung vom Mittelwert der Spannung / Mittelwert der Spannung) x 100.
Ein Rechenbeispiel. Angenommen, Sie messen die drei Außenleiterspannungen mit 400 V, 395 V und 410 V.
Das ist Arbeit unter Spannung. Die Netzspannung an einem laufenden 400 V oder 480 V Motorstromkreis darf nur eine qualifizierte Person messen, mit einem für den Stromkreis zugelassenen Messgerät (CAT III 600 V oder höher für die Verteilung im Werk) und der Lichtbogen-Schutzausrüstung, die Ihr Standort für diesen Schaltschrank vorschreibt.
OSHA verlangt beides: Nur qualifizierte Personen dürfen Stromkreise unter Spannung prüfen, und Prüfgeräte müssen für die Stromkreise zugelassen sein, an die sie angeschlossen werden.
Messen Sie alle drei Außenleiterspannungen unter normaler Last, nicht im Leerlauf, am Starter oder am örtlichen Trennschalter, der den Motor speist, oder an den Motorklemmen nur mit der Freigabe Ihres Standorts für Arbeiten unter Spannung, denn die Unsymmetrie zeigt sich oft erst, wenn Strom fließt. Ein für den Stromkreis zugelassenes Echt-Effektivwert-Multimeter reicht aus.
Ein unsymmetrisches Spannungssystem lässt sich mathematisch in ein normales System (Mitsystem), das nutzbares Drehmoment erzeugt, und ein gegenläufig drehendes System (Gegensystem) zerlegen, das das nicht tut. Der Motor hat für diesen Gegensystemanteil eine sehr niedrige Impedanz, daher treibt schon eine kleine unsymmetrische Spannung einen großen unsymmetrischen Strom durch die Wicklungen. Das ist der Ursprung der Faustregel vom Sechs- bis Zehnfachen.
Der Schaden ist Wärme. Der zusätzliche Strom verteilt sich nicht gleichmäßig; er sammelt sich in der Phase mit der niedrigsten Spannung, sodass eine Wicklung viel heißer läuft als die beiden anderen und zuerst altert.
Die NEMA-Richtlinien bilden das in einer Abminderungskurve ab: Ein Motor wird bei 2 Prozent Unsymmetrie auf etwa 0,95 seiner Bemessungsleistung abgemindert und bei 3 Prozent auf etwa 0,88, und ein Betrieb über 5 Prozent Unsymmetrie wird überhaupt nicht empfohlen.
In der Praxis können wenige Prozent Spannungsunsymmetrie die Erwärmung der heißesten Wicklung um Dutzende Prozent erhöhen, weshalb sie sich als vorzeitige Ausfälle zeigt. Spannungsunsymmetrie ist einer der klassischen Gründe für überhitzte Elektromotoren, und die Wärme, die sie erzeugt, ist genau das, was eine Isolationswiderstandsmessung später als geschädigte Isolation zeigt.
Spannungsunsymmetrie ist fast immer ein Verdrahtungs- oder Lastproblem, nicht der Motor:
Über die bereits beschriebene Überhitzung hinaus verursacht Spannungsunsymmetrie höheren Betriebsstrom und höhere Energiekosten, Drehmomentschwankungen, die Vibration und Geräusche hinzufügen, und Fehlauslösungen des Überlastschutzes, wenn die heißeste Phase das Relais über seine Grenze treibt.
Bleibt sie unbehandelt, führt sie zu vorzeitigen Wicklungs- und Lagerschäden. Die Stromsignatur einer unsymmetrischen Einspeisung ist auch in der Motorstrom-Signaturanalyse sichtbar, und die daraus folgende thermische Belastung ist das, was ein richtig eingestelltes Motorschutzrelais auslösen lässt.
Arbeiten Sie vom Motor zurück zur Einspeisung:
Eine wichtige Weggabelung bei der Diagnose: Sind die drei Spannungen symmetrisch, die drei Ströme aber nicht, liegt das Problem im Motor (ein Wicklungsfehler), nicht in der Einspeisung. Symmetrische Spannung mit unsymmetrischem Strom verweist auf den Motor; unsymmetrische Spannung verweist auf Verdrahtung und Last.
Nehmen Sie Prüfungen der Spannungssymmetrie in den regelmäßigen Rundgang an kritischen Motoren auf, setzen Sie Phasenausfall- und Phasenunsymmetrie-Schutzrelais ein, die auslösen, bevor eine Wicklung verschmort, und verteilen Sie einphasige Lasten gleichmäßig, wenn Stromkreise hinzukommen. Die langsame Variante ist die gefährliche: Eine Unsymmetrie, die monatelang bei 3 Prozent liegt, löst keinen Alarm aus, sie verbraucht einfach Motorlebensdauer.
Wer Spannung, Strom und die Stillstände, die diese Ausfälle verursachen, als Trend verfolgt, macht diese stille Drift sichtbar. Fabrico erfasst die Stillstände, die Ausfälle durch unsymmetrische Einspeisung verursachen, mit Computer-Vision-verifiziertem OEE und macht aus den wiederkehrenden nachverfolgte Instandhaltungsmaßnahmen, sodass ein Motor, der immer wieder an einer Phase ausfällt, als der Kapazitätsverlust markiert wird, der er ist, statt zurückgesetzt und vergessen zu werden. Für weitere Referenzen zur Maschinenseite siehe die Übersicht der Leitfäden zur Maschinenfehlersuche.
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Die NEMA-Faustregel lautet, dass die zusätzliche Erwärmung der heißesten Wicklung in Prozent etwa das Zweifache des Quadrats der prozentualen Spannungsunsymmetrie beträgt. Bei 2 Prozent Unsymmetrie sind das etwa 8 Prozent mehr Wärme, bei 3 Prozent etwa 18 Prozent und bei 3,5 Prozent etwa 25 Prozent.
NEMA-Motoren sind dafür ausgelegt, die Bemessungslast bei bis zu 1 Prozent Spannungsunsymmetrie zu tragen. Darüber muss der Motor abgemindert werden:
Über 5 Prozent betreiben Sie den Motor nicht, bis die Einspeisung behoben ist.
Läuft der Motor an einem Frequenzumrichter, erzeugt der Umrichter seine eigene Ausgangsspannung, prüfen Sie die Symmetrie der Einspeisung deshalb am Eingang des Umrichters statt am Motor.
Eine stark unsymmetrische oder fehlende Phase der Einspeisung zeigt sich als Eingangsphasen-Abschaltung am Umrichter, etwa PHF input phase loss an einem Schneider Altivar oder F003 Power Loss an einem PowerFlex 525, was Rockwell als erkannten einphasigen Betrieb mit zu hoher Last beschreibt.
Welche Spannungsunsymmetrie ist für einen Motor akzeptabel?
Unter 1 Prozent ist ideal. Zwischen 1 und 2 Prozent sollte der Motor leicht abgemindert werden; über etwa 5 Prozent rät NEMA, den Motor gar nicht zu betreiben, bis die Ursache behoben ist, weil die Erwärmung der Wicklung gravierend wird.
Wie berechne ich die prozentuale Spannungsunsymmetrie?
Nehmen Sie die drei Außenleiterspannungen, bilden Sie ihren Mittelwert, bestimmen Sie die größte Abweichung eines Messwerts von diesem Mittelwert, teilen Sie dann die größte Abweichung durch den Mittelwert und multiplizieren Sie mit 100. Für 400, 395 und 410 V ergibt sich etwa 2,1 Prozent.
Warum überhitzt eine kleine Spannungsunsymmetrie einen Motor?
Die unsymmetrische Spannung erzeugt einen gegenläufig drehenden Anteil (Gegensystem), dem der Motor kaum Widerstand entgegensetzt, daher treibt eine kleine Spannungsunsymmetrie eine viel größere Stromunsymmetrie. Dieser zusätzliche Strom konzentriert sich als Wärme in einer Wicklung.
Kann Spannungsunsymmetrie das Motorschutzrelais auslösen?
Ja. Das Motorschutzrelais erkennt den erhöhten Strom in der heißesten Phase und löst aus. Wiederholte Fehlauslösungen ohne erkennbare mechanische Überlast sind ein starker Hinweis, die Spannungssymmetrie zu messen.
Ist Stromunsymmetrie dasselbe wie Spannungsunsymmetrie?
Nein. Unsymmetrische Spannung verursacht unsymmetrischen Strom, aber wenn die Spannungen symmetrisch sind und die Ströme nicht, liegt der Fehler in den Motorwicklungen und nicht in der Einspeisung.
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