Sonel PQM - Leistungsanalysator - Verwendungsbeispiel Nr. 14: Transformator im Leerlauf

Asynchronmaschinen, also Motoren und Transformatoren, sollten nicht ohne Last oder mit geringer Last arbeiten, da ihr Wirkungsgrad dann gering ist. Im Allgemeinen weisen größere Asynchronmotoren mit Käfigläufer im Lastbereich von etwa 40…100 % einen Wirkungsgrad von über 80 % auf. Leistungstransformatoren haben den höchsten Wirkungsgrad im Bereich von etwa 30…50 % der Last. Der Betrieb bei niedriger Last verursacht nachteilige Effekte wie einen erhöhten Blindleistungsverbrauch und eine Verringerung des Leistungsfaktors.

Beschreibung des erkannten Problems

Ein Mittelspannungstransformator mit einer Leistung von 2 MVA versorgt die Produktionsanlage mit einer bestimmten Tageseinschaltdauer. Der Transformator bleibt den größten Teil des Tages im Leerlauf. Die Auswirkungen und Nebenwirkungen einer solchen Art der Stromversorgung der Anlage sollten analysiert werden.

Eingesetzte Messinstrumente:

• Sonel PQM-710 Analysator
• Zangensatz F-2A (In=3000 A)
• Software Sonel Analysis

 

Abb. 1. Scheinleistungsdiagramm eines Betriebstages der Produktionsanlage

 

Abb. 2. Diagramm des tg(φ)-Koeffizienten bei Leerlauf des Transformators (Markierung Nr. 1 und 3) und Wirkleistungslast (Markierung Nr. 2)

 

Abb. 3. Diagramme der aktiven (grün) und induktiven (rosa) Blindenergie

 

VORLÄUFIGE SCHLUSSFOLGERUNGEN:

1. Die Analyse des Energieverbrauchs zeigt den induktiven Charakter der Last während des gesamten Betriebs der Produktionsanlage (Abb. 3).
2. Im Leerlauf (Markierung Nr. 1 in Abb. 2) liegt der tg(φ)-Koeffizient zwischen 0,7 und 1,4, was eine Strafe für das Überschreiten der 0,4-Grenze aus der Qualitätsverordnung zur Folge hat.
3. Im Betrieb unter Last wird die Blindleistung gut kompensiert (Markierung Nr. 2 in Abb. 2).
4. Ein ähnliches Tagesprofil gilt für alle Wochentage mit Ausnahme von Sonntagen, an denen nur der Leerlauf des Transformators auftritt.

Durch Analyse der Werte von Wirk- und Blindleistung und damit des tg(φ)-Faktors kann versucht werden, die Kapazität zu berechnen, die die induktive Blindleistung im Leerlauf des Transformators kompensiert.

Die allgemeine Formel zur Berechnung der Leistung von Kompensationskondensatoren:

QK = (tg(φ) - tg(φ)Z) * P

wo:
QK – Wert der ausgleichenden Blindleistung,=
tg(φ) – aktueller Wert
tg(φ)Z – eingestellter Wert, angenommenes Niveau von 0,35
P – Lastleistung

Die Höhe der Wirkleistung im Leerlauf beträgt im Mittel 13 kW bei tg(φ)=1,2…1,4 und 11 kW bei tg(φ)=0,7 (Markierungen 1 und 3 in Abb. 2). Damit liegen die errechneten Ausgleichsleistungen in der Größenordnung von 11…12,5 kvar und 2,5 kvar. Die Abweichungen deuten darauf hin, dass der Trafo nicht im Leerlauf, sondern im Schwachlastzustand arbeitet. Für diesen Fall ist es nicht möglich, die Arbeit mit einem festen Kompensator effektiv zu kompensieren.

ABSCHLIESSENDE SCHLUSSFOLGERUNGEN:

1. Die unterschiedlichen Werte der Blindleistung im Zustand ohne Produktionsprozesse in der Anlage legen deutlich nahe, dass es sich hier nicht um einen typischen Leerlaufbetrieb handelt, sondern um einen Betrieb unter Schwachlast.
2. Die Höhe der Unterkompensation des Transformators ist nicht zu vernachlässigen und summiert sich langfristig zu einem großen Wert an Blindenergie, d. h. zu erheblichen Gebühren.
3. Um tg(φ)<0,4 rund um die Uhr zu halten, ist eine geregelte Blindleistungskompensation erforderlich, eine einstufige Kompensation kann nicht verwendet werden.

EMPFEHLUNGEN:

1. Es empfiehlt sich, den Einbau eines dynamischen Kompensators oder einer gestuften Kondensatorbank zu erwägen.

 

Autoren:
Krzysztof Lorek, Marcin Szkudniewski