Welche Rolle spielen harmonische Verzerrungen bei der Wärmeerzeugung in Motoren?

Auswirkungen der harmonischen Verzerrung auf die Motorerwärmung

1. Erhöhte Kupferverluste

• Prinzip: In einem Motor erzeugt der Wicklungswiderstand Kupferverluste (Widerstandsverluste) bei der Grundfrequenz. Wenn jedoch harmonische Ströme durch die Wicklungen fließen, wird der Hautwirkungseffekt aufgrund der höheren harmonischen Frequenzen stärker ausgeprägt. Die Hautwirkung führt dazu, dass der Strom sich in der Nähe der Oberfläche des Leiters konzentriert, was die effektive Querschnittsfläche verringert und den Widerstand erhöht, wodurch die Kupferverluste steigen.

• Folge: Die Erhöhung der Kupferverluste führt direkt zu höheren Temperaturen in den Motorwicklungen, beschleunigt das Altern der Isoliermaterialien und verkürzt die Lebensdauer des Motors.

2. Erhöhte Eisenverluste

• Prinzip: Im Eisengehäuse eines Motors treten Hysterese- und Wirbelstromverluste, zusammen als Eisenverluste bezeichnet, bei der Grundfrequenz auf. Wenn harmonische Ströme durch den Motor fließen, nimmt die Frequenz der magnetischen Feldänderungen zu, was zu höheren Hysterese- und Wirbelstromverlusten führt. Besonders hohe Frequenzen von Harmonischen erhöhen die Wirbelstromverluste signifikant, da diese Verluste proportional zum Quadrat der Frequenz sind.

• Folge: Die Erhöhung der Eisenverluste führt zu einer Temperatursteigerung im Eisengehäuse, verschlimmert die Gesamterwärmung des Motors, reduziert die Effizienz und Zuverlässigkeit.

3. Erhöhte zusätzliche Verluste

• Prinzip: Neben Kupfer- und Eisenverlusten können Harmonische auch andere Formen von zusätzlichen Verlusten verursachen. Zum Beispiel können harmonische Ströme zusätzliche elektromagnetische Kräfte zwischen Stator und Rotor erzeugen, was zu mechanischen Vibrationen und Reibungsverlusten führt. Darüber hinaus können Harmonische zusätzliche mechanische Verluste in Komponenten wie Lagern und Ventilatoren verursachen.

• Folge: Diese zusätzlichen Verluste erhöhen die Wärmeerzeugung des Motors weiter, was potenziell zu überhitzenen Lagern, Schmierstoffversagen und sogar mechanischen Ausfällen führen kann.

4. Ungleichmäßige Temperaturerhöhung

• Prinzip: Die Anwesenheit harmonischer Ströme kann zu einer ungleichmäßigen magnetischen Feldverteilung im Motor führen, was lokale Überhitzungen verursacht. Zum Beispiel können bestimmte Bereiche der Wicklungen höhere harmonische Stromdichten tragen, was dazu führt, dass diese Bereiche viel höhere Temperaturen erreichen als andere. Diese ungleichmäßige Temperaturerhöhung beschleunigt das Altern lokaler Isoliermaterialien und erhöht das Risiko eines Motorausfalls.

• Folge: Lokale Überhitzungen beeinträchtigen nicht nur die Lebensdauer des Motors, sondern können auch zu Isolationsbrüchen führen, was ernsthafte elektrische Fehlfunktionen verursachen kann.

5. Abnahme der Kühlleistung

• Prinzip: Das Kühlungssystem eines Motors (z.B. Ventilatoren und Wärmeableiter) ist in der Regel darauf ausgelegt, die thermische Belastung bei der Grundfrequenz abzufangen. Wenn harmonische Ströme die Wärmeerzeugung des Motors erhöhen, kann die Fähigkeit des Kühlungssystems, diese zusätzliche Wärme abzuführen, unzureichend sein, was zu einer kontinuierlichen Steigerung der Motortemperatur führt.

• Folge: Die Abnahme der Kühlleistung verschlimmert das Heizproblem des Motors weiter, was einen Teufelskreis schafft, der letztendlich Überhitzungsschutzmechanismen auslösen oder den Motor verbrennen kann.

6. Abnahme des Leistungsfaktors

• Prinzip: Die Anwesenheit harmonischer Ströme senkt den Leistungsfaktor des Motors, da Harmonische keinen nützlichen Arbeitbeitrag leisten, sondern stattdessen reaktive und harmonische Leistung erhöhen. Ein niedrigerer Leistungsfaktor bedeutet, dass der Motor mehr Strom aus dem Netz beziehen muss, um die gleiche Ausgangsleistung zu halten, was die Leitung- und Transformatorverluste erhöht und die Wärmeerzeugung des Motors weiter steigert.

• Folge: Die Abnahme des Leistungsfaktors erhöht nicht nur die Wärmeerzeugung des Motors, sondern verringert auch die Gesamteffizienz des Energieversorgungssystems, was zu höheren Stromkosten führt.

Maßnahmen zur Reduzierung der Auswirkungen von Harmonischen auf die Motorerwärmung

Um die Auswirkungen von Harmonischen auf die Motorerwärmung zu mildern, können folgende Maßnahmen ergriffen werden:

• Harmonische Filter installieren: Verwenden Sie passive oder aktive harmonische Filter, um harmonische Ströme im System zu absorbieren oder zu unterdrücken, um die Sinusform der Netzspannung wiederherzustellen und die Auswirkungen von Harmonischen auf den Motor zu reduzieren.

• Harmonikengerechte Motoren wählen: Manche Motoren sind speziell so konstruiert, dass sie besser gegen Harmonische bestehen, z.B. mit speziellen Wicklungsstrukturen oder Kernmaterialien, die zusätzliche Verluste und Erwärmungen durch Harmonische minimieren.

• Lastmanagement optimieren: Planen Sie Produktionsabläufe so, dass nicht gleichzeitig zu viele nichtlineare Lasten betrieben werden, um die Erzeugung von Harmonischen zu reduzieren.

• Niedrig-harmonische Betriebsart bei Frequenzumrichtern (VFDs) verwenden: Wenn der Motor von einem VFD angetrieben wird, wählen Sie VFDs mit niedrig-harmonischen Eigenschaften oder passen Sie die VFD-Parameter an, um die harmonische Ausgabe zu reduzieren.

• Kühlungssysteme verbessern: Für Motoren, die bereits von Harmonischen beeinträchtigt sind, verbessern Sie das Kühlungssystem (z.B. durch Erhöhung der Ventilatorleistung oder Verbesserung des Wärmeableiterdesigns), um die Wärmeabfuhr zu erhöhen und Überhitzungen zu verhindern.

• Regelmäßige Wartung und Überwachung: Inspektionieren Sie regelmäßig den Betriebszustand des Motors, überwachen Sie Parameter wie Temperatur, Strom und Leistungsfaktor, und beheben Sie potenzielle Probleme zeitnah, um eine optimale Motorleistung sicherzustellen.

Zusammenfassung

Die harmonische Verzerrung hat einen signifikanten Einfluss auf die Motorerwärmung, der sich hauptsächlich in erhöhten Kupferverlusten, Eisenverlusten, zusätzlichen Verlusten, ungleichmäßiger Temperaturerhöhung, abnehmender Kühlleistung und reduziertem Leistungsfaktor zeigt. Diese Faktoren führen gemeinsam zu höheren Motortemperaturen, beschleunigen das Altern der Isoliermaterialien, verkürzen die Lebensdauer des Motors und können ernsthafte elektrische und mechanische Ausfälle verursachen. Um die Auswirkungen von Harmonischen auf die Motorerwärmung zu reduzieren, ist es entscheidend, effektive Maßnahmen zur Minderung von Harmonischen zu ergreifen, die Motorauswahl und -wartung zu optimieren und den stabilen Betrieb des Energieversorgungssystems sicherzustellen.