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Elektrische Installation bei Kompressorsystemen

Compressors Dimensioning Compressed Air Wiki Compressor Installations

Die Auslegung und Montage eines Kompressors erfordern Kenntnisse darüber, wie sich Bauteile gegenseitig beeinflussen und welche Vorschriften und Bestimmungen gelten. Im Folgenden finden Sie eine Übersicht über die Parameter, die beachtet werden sollten, damit die Kompressorinstallation in Bezug auf die elektrische Anlage zufriedenstellend funktioniert.

Welche Motortypen werden bei Kompressoranlagen eingesetzt?

Meist werden für den Kompressorbetrieb Dreiphasen-Käfigläuferinduktionsmotoren verwendet. Niederspannungsmotoren werden in der Regel bis zu 450 – 500 kW eingesetzt, wohingegen bei höheren Leistungen Hochspannungsmotoren die beste Wahl sind.

Die Motorschutzklasse ist durch Normen geregelt. Gegen Staub und Wasser geschützte Motoren (IP55) sind gegenüber offenen Motoren (IP23) vorzuziehen, die eine regelmäßige Demontage und Reinigung erfordern können. In anderen Fällen können Staubablagerungen im Motor zu Überhitzung führen, was die Lebensdauer verkürzen kann. Da das Kompressorgehäuse einen ersten Schutz vor Staub und Wasser bietet, kann auch eine niedrigere Schutzklasse als IP55 verwendet werden.

Der Motor, normalerweise lüftergekühlt, ist für den Einsatz bei einer maximalen Umgebungstemperatur von 40 °C und einer Höhe von bis zu 1.000 m ausgelegt. Einige Hersteller bieten Standardmotoren mit einer maximalen Umgebungstemperatur von 46 °C an. Bei höheren Temperaturen oder höheren Lagen muss die Ausgangsleistung heruntergesetzt werden. Der Motor ist in der Regel flanschmontiert und direkt mit dem Kompressor verbunden. Die Drehzahl muss an den Kompressortyp angepasst sein, aber in der Praxis werden nur 2-polige oder 4-polige Motoren mit einer entsprechenden Drehzahl von 3.000 U/min eingesetzt. Die Nennleistung des Motors wird ebenfalls festgelegt (bei 1.500 U/min).

Strom, Netzstecker

Die Nennausgangsleistung des Motors wird auch durch den Kompressor bestimmt und sollte den Anforderungen des Kompressors so genau wie möglich entsprechen. Ein zu großer Motor ist teurer, erfordert einen unnötig hohen Anlaufstrom, benötigt größere Sicherungen, hat einen niedrigen Leistungsfaktor und bietet eine geringere Effizienz. Ein Motor, der zu klein für die Anlage ist, in der er eingesetzt wird, ist schnell überlastet und stellt daher ein Ausfallrisiko dar.

Die Startmethode sollte auch als Parameter bei der Auswahl eines Motors berücksichtigt werden. Bei einem Stern-Dreieck-Anlauf wird der Motor nur mit einem Drittel seines normalen Anlaufdrehmoments gestartet. Daher kann ein Vergleich der Drehmomentkurven des Motors und des Kompressors nützlich sein, um einen korrekten Kompressorstart zu gewährleisten.

Die drei verschiedenen Motorstartmethoden

Die häufigsten Startmethoden sind Direktanlauf, Stern-Dreieck-Anlauf und Sanftanlauf. Der Direktanlauf ist einfach und erfordert nur einen Schaltschütz und einen Überstromschutz. Der Nachteil ist der hohe Anlaufstrom, der das 6- bis 10-fache des Motornennstroms betragen kann, und das hohe Anlaufdrehmoment, das beispielsweise Schäden an Wellen und Kupplungen verursachen kann. Der Stern-Dreieck-Anlauf wird verwendet, um den Anlaufstrom zu begrenzen. Der Anlasser besteht aus drei Schaltschützen, einem Überstromschutz und einer Schaltuhr. Der Motor wird mit dem Sternanschluss gestartet, und nach einer festgelegten Zeit (wenn die Drehzahl 90 % der Nenndrehzahl erreicht hat) schaltet die Schaltuhr die Schaltschütze um, so dass der Motor über einen Deltaanschluss verbunden ist. Dies ist der Betriebsmodus.

Der Stern-Dreieck-Anlauf reduziert den Startstrom auf ca. 1/3 im Vergleich zum Direktanlauf. Gleichzeitig sinkt das Anlaufdrehmoment auch auf 1/3. Das relativ niedrige Anlaufdrehmoment bedeutet, dass die Motorlast während der Anlaufphase niedrig sein sollte, so dass der Motor vor dem Umschalten auf den Dreieckanschluss nahezu die Nenndrehzahl erreicht. Wenn die Drehzahl zu niedrig ist, wird die Strom- bzw. Drehmomentspitze so groß wie bei einem Direktanlauf, wenn auf die Dreieckschaltung umgeschaltet wird.

Der Sanftanlauf kann eine alternative Startmethode zum Stern-Dreieck-Anlauf sein. Der Starter besteht dabei aus Halbleitern (IGBT-Leistungsschaltern) anstelle von mechanischen Schaltschützen. Der Anlauf erfolgt allmählich, und der Anlaufstrom ist auf ca. das Dreifache der Nennstromstärke begrenzt.

Die Starter für Direktanlauf und Stern-Dreieck-Anlauf sind in den meisten Fällen in den Kompressor integriert. Bei einer großen Kompressoranlage können die Geräte aufgrund von Platzbedarf, Wärmeentwicklung und Wartungszugang separat in der Schaltanlage eingebaut werden. Starter für den Sanftanlauf werden normalerweise aufgrund der Wärmeabstrahlung separat neben dem Kompressor untergebracht, können jedoch in das Kompressorgehäuse integriert werden. Voraussetzung dafür ist, dass das Kühlsystem entsprechend ausgelegt ist. Bei hochspannungsbetriebenen Kompressoren befinden sich die Starter immer in einem separaten Schaltschrank.

Steuerspannung

Steuerung der Spannung einer Kompressorinstallation

In der Regel ist keine separate Steuerspannung an den Kompressor angeschlossen, da die meisten Kompressoren mit einem integrierten Steuertransformator ausgestattet sind. Die Primärseite des Transformators wird an die Stromversorgung des Kompressors angeschlossen. Diese Anordnung sorgt für einen zuverlässigeren Betrieb. Bei Störungen der Stromversorgung wird der Kompressor sofort gestoppt und ein Neustart verhindert. Diese Funktion mit einer intern gespeisten Steuerspannung sollte verwendet werden, wenn sich der Starter nicht direkt am Kompressor befindet.

Kurzschlussschutz

Der Kurzschlussschutz, der sich an einem Kabelanschlusspunkt befindet, kann Sicherungen oder einen Leistungsschalter umfassen. Ganz gleich, welche Lösung Sie auswählen – wenn diese für die Anlage richtig ausgelegt ist, bietet sie den erforderlichen Schutz. Beide Methoden haben Vor- und Nachteile. Sicherungen sind bekannt und funktionieren bei hohen Kurzschlussströmen besser als ein Leistungsschalter, aber sie erzeugen keine vollständig isolierende Unterbrechung und haben lange Auslösezeiten bei kleinen Fehlerströmen. Ein Leistungsschalter erzeugt eine schnelle und vollständige Unterbrechung, selbst bei kleinen Fehlerströmen, erfordert jedoch im Vergleich zu Sicherungen mehr Aufwand während der Planungsphase. Die Auslegung des Kurzschlussschutzes richtet sich nach der erwarteten Last, aber auch nach den Einschränkungen der Startereinheit.

Bezüglich Starter-Kurzschlussschutz siehe IEC (International Electrotechnical Commission) Norm 60947-4-1, Typ 1 und Typ 2. Die Auswahl von Typ 1 oder Typ 2 hängt davon ab, wie sich ein Kurzschluss auf den Starter auswirkt.

Typ 1: „... verlangt, dass das Schütz oder der Anlasser unter Kurzschlussbedingungen keine Gefahr für Personen oder Installationen darstellt und ohne Reparatur oder Austausch von Teilen möglicherweise nicht für den weiteren Einsatz geeignet ist.“

Typ 2: „... verlangt, dass das Schütz oder der Anlasser unter Kurzschlussbedingungen keine Gefahr für Personen oder Installationen darstellt und für den weiteren Betrieb geeignet ist. Die Gefahr eines leichten Verschweißens der Schaltschütze ist bekannt, in welchem Fall der Hersteller Wartungsanweisungen geben muss...“

Kabel

Die Kabel müssen gemäß den Bestimmungen der Norm so ausgelegt sein, dass während des normalen Betriebs keine übermäßig hohen Temperaturen auftreten und dass sie nicht durch einen elektrischen Kurzschluss thermisch oder mechanisch beschädigt werden. Die Auslegung und Auswahl der Kabel basieren auf der Last, dem zulässigen Spannungsabfall, der Leitungsführung (in einem Schaltschrank, an der Wand usw.) und der Umgebungstemperatur. Sicherungen können beispielsweise verwendet werden, um die Kabel zu schützen, und können als Kurzschlussschutz und Überlastschutz eingesetzt werden. Für den Motorbetrieb wird ein Kurzschlussschutz (z. B. Sicherungen) sowie ein separater Überlastschutz (in der Regel der Motorschutz im Starter) verwendet.

Der Überlastschutz schützt den Motor und die Motorkabel durch Auslösen und Unterbrechen des Starters, wenn der Laststrom einen vorgegebenen Wert überschreitet. Der Kurzschlussschutz schützt den Starter, den Überlastschutz und die Kabel. Die Kabelauslegung gemäß der Last ist in IEC 60364-5-52 festgelegt. Ein zusätzlicher Parameter muss bei der Auslegung von Kabeln und Kurzschlussschutz beachtet werden: die „Auslösebedingung“. Dies bedeutet, dass die Installation so ausgelegt sein muss, dass bei einem Kurzschluss an einer beliebigen Stelle in der Installation eine schnelle und sichere Unterbrechung gewährleistet ist. Ob diese Bedingung erfüllt wird, wird unter anderem durch den Kurzschlussschutz, die Kabellänge und den Kabelquerschnitt bestimmt.

Phasenkompensation für stark belastete Transformatoren

Der Elektromotor verbraucht nicht nur Wirkleistung, die in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann, sondern auch Blindleistung, die für die Magnetisierung des Motors benötigt wird. Die Blindleistung belastet die Kabel und den Transformator. Die Beziehung zwischen der Wirkleistung und der Blindleistung wird durch den Leistungsfaktor cos φ bestimmt. Dieser beträgt in der Regel zwischen 0,7 und 0,9, wobei der untere Wert für kleine Motoren gilt.

Der Leistungsfaktor kann praktisch auf 1 erhöht werden, wenn die Blindleistung über einen Kondensator direkt durch den Motor erzeugt wird. Dadurch verringert sich die Notwendigkeit, die Blindleistung aus dem Stromnetz zu ziehen. Der Grund für die Phasenkompensation ist, dass Stromversorgungsunternehmen Blindleistung, die einen bestimmten Pegel überschreitet, berechnen kann, und dass stark belastete Transformatoren und Kabel entlastet werden müssen.

Erfahren Sie unten mehr über die Installation eines Kompressorsystems.

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