Auslegung des Transformators für den Motoranlauf: Erklärung von Spannungseinbruch, Anlaufstrom und Impedanz

Auslegung des Transformators für den Motoranlauf: Erklärung von Spannungseinbruch, Anlaufstrom und Impedanz

 

Ein Lebensmittelverarbeitungsbetrieb im Golfraum sandte uns im letzten Quartal ein einzeiliges Schaltbild mit drei 200-PS-Motoren an einem einzigen 1.000-kVA-Transformator, alle direkt am Netz gestartet. Der Transformator war für die Dauerlast ausgelegt und bot noch Reserven. Der Ausfall trat beim ersten Start des Tages auf: Der 480-V-Bus sackte so stark ab, dass die Netzschütze öffneten, der Motor niemals die volle Drehzahl erreichte und die Anlage auf einen Elektriker wartete. Es war nichts defekt. Die bemessung des Transformators für den Motorstart war schlicht nie berechnet worden.

Diese Lücke ist üblich – und teuer. Auf dem Typenschild eines Motors stehen Leistung in PS und Nennstrom. Nicht angegeben ist jedoch die Scheinleistung in kVA, die der Transformator während der Sekunden liefern muss, in denen sich der Rotor beschleunigt – und diese Größe, nicht die Dauerlast, entscheidet meist darüber, ob der Bus stabil bleibt.

 

 

 

Warum der Motorstart ein Transformatorproblem ist

 

Ein laufender Motor und ein anlaufender Motor sind zwei verschiedene Lasten mit derselben Typenschildbezeichnung. Im Betrieb zieht ein Asynchronmotor nahezu Nennstrom bei einem Leistungsfaktor von etwa 0,85 bis 0,9 und die Last besteht überwiegend aus Wirkleistung. Im Stillstand bricht der Rotorwiderstand zusammen, der Strom steigt bei einem NEMA-Design-B-Motor auf rund das Sechsfache des Nennstroms an, und der Leistungsfaktor sinkt auf einen Wert zwischen 0,15 und 0,3.

Ein anlaufender Motor zieht nahezu rein blindstrombetonte Ströme. Für den Transformator und den Sammelschienenabschnitt wirkt er wie eine große Induktivität, die in einem Schritt eingeschaltet wird; und genau dieser Blindstrom verursacht den Spannungsabfall über die Transformatorimpedanz.

Hier liegt der Punkt, den die meisten Käufer übersehen: Dies ist kein Motormangel, und es ist auch nichts, das der Motorauslieferant durch eine bessere Isolierklasse beheben könnte. Der Spannungseinbruch ist eine Systemeigenschaft. Er hängt vom Verhältnis zwischen der Anlauf-Scheinleistung des Motors und der Kurzschlussleistung des Transformators ab – daher ist bemessung des Transformators für den Motorstart die Spezifikationsentscheidung auf der Transformatorseite der Schaltung zu treffen.

Das gleiche physikalische Ereignis bestimmt den Standard, auf dem beide Parteien arbeiten. NEMA MG 1 weist jedem Motor einen gesperrten-Läufer-kVA-Codebuchstaben zu und definiert die Anlaufleistung, auf die Anwender sich verlassen können – eine nützliche Referenz, wenn eine Lieferantenfrage in eine Vertragsfrage mündet. Die NEMA Motor- und Generator-Normenprogramm veröffentlicht das Dokument.

 

Ablesen der Anlast vom Motortypenschild

 

Der Codebuchstabe ist der schnellste Weg, um gesperrten-Läufer-kVA ohne Motordatenblatt zu ermitteln.

Er wandelt die Leistung in PS direkt in gesperrten-Läufer-kVA um und steht auf dem Typenschild jedes NEMA-Motors.

 

Codebuchstabe	Gesperrter-Läufer-kVA pro PS
E	4,5 – 4,99
F	5,0 – 5,59
G	5,6 – 6,29
H	6,3 – 7,09
J	7,1 – 7,99
K	8,0 – 8,99

 

Die Skala reicht von A bis V und steigt mit jedem Buchstaben an. Ein Motor mit Kennbuchstabe K belastet den Transformator daher etwa 60 % stärker als ein Motor mit Kennbuchstabe F gleicher Leistungsangabe. Eine 200-PS-Einheit mit Kennbuchstabe F weist eine Anlaufleistungsanforderung von 1.000 bis 1.118 kVA auf; dieselbe 200-PS-Einheit mit Kennbuchstabe K erreicht 1.600 bis 1.798 kVA. Lesen Sie den Kennbuchstaben direkt vom Typenschild ab – nicht aus einem Katalog – denn er ist die einzige Angabe, die allein die Dimensionierungsentscheidung beeinflusst.

Drei weitere Angaben gehören daneben:

• Starts pro Stunde. Jeder Start stellt sowohl für den Motor als auch für die Transformatorwicklung einen thermischen Vorgang dar. Die Motorenhersteller geben eine zulässige Kurve für Starts pro Stunde an, und der Transformator muss dieselbe Belastung überstehen.
• Lastmoment-Kennlinie. Eine Fliehkraftpumpe startet nahezu unbelastet; ein belastetes Förderband, ein Verdrängerkompressor oder ein Hochträgheits-Lüfter können so lange im Beschleunigungsbereich verbleiben, dass dies von Bedeutung ist.
• Startverfahren. Direkteinschaltung, Autotransformator, Stern-Dreieck-Schaltung, Weichstarter und frequenzgesteuerte Antriebe erzeugen jeweils ein anderes Stromprofil am Transformator.

 

Transformatorauslegung für den Motorstart: Die Berechnung, die jedes RFQ enthalten sollte

 

Die Vorabschätzung ist kurz genug, um manuell durchgeführt zu werden. Die Kurzschlussleistung des Transformators ergibt sich aus seiner Nennleistung in kVA geteilt durch die bezogene Impedanz; die Start-Leistungsaufnahme in kVA geteilt durch diese Kurzschlussleistung – als Prozentwert ausgedrückt – liefert die ungefähre Spannungseinbruchhöhe:

%Spannungseinbruch ≈ (Motor-Start-Leistung in kVA × Transformator-%Z) ÷ Transformator-Nennleistung in kVA

Durchgerechnet am Beispiel der Pumpstation mit einer Impedanz von 5,75 % und einem 200-PS-Motor der Code-Klasse F, der startet, während die beiden anderen Motoren laufen:

 

Transformer	Kurzschlussfestigkeit	Anlauf-kVA	Berechneter Einbruch
500 KVA	8.696 kVA	1.060 kVA	12.2%
750 kVA	13.043 kVA	1.060 kVA	8.1%
1.000 kVA	17.391 kVA	1.060 kVA	6.1%

 

Drei Punkte fallen auf. Erstens verläuft die Spannungseinbruch-Tiefe nahezu linear mit der Transformator-Leistung in kVA – die Dimensionierung entscheidet also unmittelbar über den Spannungseinbruch. Zweitens stellt die Impedanz einen eigenständigen Hebel dar: Bei 500 kVA senkt eine Reduzierung der Impedanz von 5,75 % auf 4,0 % den Spannungseinbruch auf etwa 8,5 %, ohne dass ein leistungsstärkerer Transformator erforderlich wird. Drittens handelt es sich hierbei um eine Vorabschätzung, keine Ersatzlösung für eine detaillierte Untersuchung. Sie vernachlässigt die Netzimpedanz des Versorgungsunternehmens sowie laufende Motoren am selben Sammelschienensystem – beide Faktoren verstärken den realen Spannungseinbruch; halten Sie daher einen Sicherheitspuffer ein, statt das Ergebnis als endgültigen Wert zu betrachten.

Führen Sie dieselbe Berechnung für jeden Motor durch, der beim vollen Lastbetrieb der Anlage starten kann, und wiederholen Sie sie für die ungünstigste plausiblen Kombination. Netzbetreiber und Berater führen die vollständige Untersuchung durch; ein Transformatorlieferant, der diese Vorabschätzung nicht nachvollziehen kann, offeriert lediglich eine kVA-Angabe – nicht ein System.

 

Wie groß darf der Spannungseinbruch sein, und was löst tatsächlich einen Auslösevorgang aus

 

Das Screening-Ziel, das die meisten industriellen Projekte verwenden, ist ein spannungseinbruch von 10 % oder weniger an den Motoranschlüssen beim Anlauf. Bei einer separaten Zuleitung, an der keine empfindliche Last den Bus teilt, wird manchmal ein Wert von 15 % akzeptiert; diese Entscheidung sollte jedoch vom elektrotechnischen Ingenieur des Werks schriftlich getroffen werden – und nicht erst während der Inbetriebnahme festgestellt werden.

Der Grund dafür, dass die Grenze enger ist als das, was der Motor selbst benötigt, liegt darin, dass der Motor selten das erste Gerät ist, das darauf reagiert:

• Schütze sind typischerweise so ausgelegt, dass sie bei etwa 85 % der Spulenspannung noch halten; ein Spannungseinbruch von 15 % kann daher einen Stern-Dreieck-Anlasser öffnen, den der Motor selbst problemlos überstehen würde.
• Frequenzumrichter und Stromversorgungen überbrücken einen Spannungseinbruch nur so lange, wie ihre Gleichspannungs-Zwischenkreis-Kondensatoren aufgeladen bleiben.
• Unterspannungsrelais zum Schutz anderer Geräte sind häufig so eingestellt, dass sie bereits bei einem Spannungseinbruch von mehr als 20 % ansprechen – wodurch ein einzelner Anlauf zu einem werkweiten Abschalten führen kann.
• Netzbetreiber-Vorgaben zur Lichtflimmer-Belastung können wiederholte Anläufe an einer gemeinsamen Versorgung einschränken, selbst wenn sämtliche vor Ort installierten Verbraucher den Spannungseinbruch problemlos tolerieren.

Der Motorschutz während des Anlaufs ist ein eigenständiges Thema; als branchenüblicher Referenzstandard gilt IEEE 3004.8, der Empfohlene Vorgehensweise zum Motorschutz in industriellen und gewerblichen Stromversorgungssystemen , die den Anlauf, den Schaltvorgang zwischen Stromschienen und den Unterspannungsschutz sowohl für kontaktorgesteuerte als auch für Leistungsschalter-gesteuerte Starthilfen abdeckt.

 

Spezifikationsentscheidungen, die den Spannungseinbruch tatsächlich beheben

 

Sobald die Zahlen auf dem Tisch liegen, ordnen sich die Optionen nach Kosten und Nebenwirkungen von selbst.

• Mehr kVA kaufen. Direkt proportional, einfach – erhöht jedoch auch den verfügbaren Kurzschlussstrom, was möglicherweise eine Überprüfung der Bemessungswerte nachgeschalteter Geräte erforderlich macht.
• Niedrigere Impedanz vorgeben. Wirksam, doch eine niedrigere %Z bedeutet einen höheren Kurzschlussstrom und höhere mechanische Kräfte auf die Wicklungen bei einem Kurzschluss. Geben Sie sie als Zielwert mit Toleranz an, nicht als Wunsch.
• Dem großen Motor seinen eigenen Transformator geben. Trennung ist oft kostengünstiger als eine Überdimensionierung einer gemeinsam genutzten Einheit und verhindert, dass der Anlauf einer Pumpe eine Prozessleitung stört.
• Wählen Sie die Startmethode gezielt aus. Ein Autotransformatorstarter am 65%-Anzapfungspunkt reduziert den Leistungsstrom auf etwa 42 % des Direkteinschaltstroms, da sowohl das Drehmoment als auch der Leistungsstrom mit dem Quadrat der angelegten Spannung skaliert werden. Stern-Dreieck liefert etwa ein Drittel des Direkteinschaltstroms. Ein Softstarter oder ein Frequenzumrichter erzeugt das glatteste Anlaufprofil, verursacht jedoch eigene harmonische und Schutzaspekte am Transformator.
• Prüfen Sie die thermische Belastbarkeit, nicht nur den Spannungseinbruch. Wiederholte Starts erwärmen die Wicklung. Ein Transformator, der eine Einzelstartberechnung erfolgreich durchläuft, kann dennoch einer Spezifikation nicht genügen, die sechs Starts pro Stunde bei voller Umgebungstemperatur vorschreibt.
• Verlassen Sie sich nicht auf den Motorwirkungsgrad. Ein NEMA-Premium-Motor senkt die Betriebsverluste – aus diesem Grund unterhält das US-amerikanische Energieministerium (U.S. Department of Energy) sein Motorsysteme ressourcenprogramm – doch er reduziert nicht die gesperrten-Läufer-kVA . Anlaufleistung und Betriebseffizienz sind getrennte Typenschildangaben.

Beachten Sie den Unterschied zum Einschaltstrom. Der Reaktor-Stoßstrom, der beim Einschalten eines unbelasteten Transformators einen Leistungsschalter auslöst, ist ein eigenständiges Phänomen mit eigenen Spezifikationsauswirkungen, das in unserem Leitfaden zu transformator-Einschaltstrom behandelt wird. Beide Phänomene treten im selben Projekt auf; keines davon lässt sich durch das jeweils andere lösen.

 

Wie Ryan Electric Motorlastprojekte angeht

 

Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) fertigt Transformatoren seit 2007 und arbeitet seit 2023 als offizieller Joint-Venture-Partner von Eaton. Industrieprojekte mit hohem Motoraufkommen erreichen uns meist als Anfrage nach einem krafttransformator oder Verteiltransformator mit vorgegebenem Kurzschlussimpedanzwert und zugehöriger Anlaufanforderung – und genau diesen Teil des Angebots bearbeiten unsere Ingenieure intensiv.

Der größte Aufwand entsteht bereits in der frühen Phase. Wir verlangen vorab den Motorterminplan – Leistung in PS, Kennbuchstabe, Spannung und Anlaufverfahren – bevor wir eine kVA-Angabe abgeben, denn die Impedanzauswahl und die Wicklungsauslegung ergeben sich daraus. bemessung des Transformators für den Motorstart berechnung, nicht aus einer Katalogseite. Wenn ein Projekt einen spezifischen Impedanzbereich, eine ungewöhnliche Abgriffspannweite oder eine Sekundärwicklung mit Doppelspannung erfordert, durchläuft diese Auslegung denselben individuellen Konstruktionsprozess wie unsere Gleichrichter- und Ofen-Transformatoren. Die Zertifizierungsabdeckung umfasst UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS und CE; jedes Gerät wird mit Routine-Prüfdaten geliefert – Übersetzungsverhältnis, Wicklungswiderstand, Impedanz, Leerlaufverlust, Lastverlust und Durchschlagprüfungen – sodass das Inbetriebnahme-Team die gelieferte Impedanz mit dem Wert vergleichen kann, der der Studie zugrunde lag.

 

 

 

Was in die Anfrage (RFQ) aufzunehmen ist

 

Fünf Punkte wandeln eine vage Anfrage in eine konkret kalkulierbare Transformatorspezifikation um:

• Motorliste mit Leistung (in PS), NEMA-Code-Buchstabe, Spannung sowie Design-Buchstabe oder IEC-Anlaufklasse.
• Anlaufverfahren und das daraus resultierende Netzstromprofil.
• Zulässige Anzahl von Anläufen pro Stunde sowie die für die Auslegung maßgebliche Umgebungstemperatur.
• Zulässiger Spannungseinbruch sowie Angabe, ob bereits eine Motoranlaufstudie vorliegt.
• Verfügbare Fehlerstromstärke an der Primärseite, damit Impedanz und Ausschaltleistungsangaben koordiniert werden können.

Senden Sie diese fünf Punkte – dann hört das Transformatorangebot auf, ein Preisvergleich zwischen Annahmen zu sein. Falls Sie einen Motorterminplan und ein einpoliges Schaltbild haben, senden Sie diese bitte über unsere Kontaktseite an uns, und unser Ingenieurteam liefert Ihnen eine Empfehlung für die Scheinleistung in kVA und die Impedanz sowie die Spannungseinbruchberechnung.

Über den Autor — Dieser Leitfaden wurde vom Mittelspannungs-Transformator-Ingenieurteam der Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd. erstellt, einem in Nantong ansässigen Hersteller von Trocken-, Öl- und Sockeltransformatoren sowie kompakten Umspannwerken und offiziellen Joint-Venture-Partner von Eaton seit 2023. Das Team unterstützt Industrie-, Versorgungs- und Infrastrukturprojekte von der Spezifikationsprüfung bis zum Werkannahmetest und entwickelt Transformatoren für Spannungsklassen von 10 kV bis 110 kV.