Ein Drehstrommotor ist für ein möglichst symmetrisches Dreiphasensystem ausgelegt. Im Idealfall besitzen die drei Außenleiterspannungen dieselbe Effektivspannung und sind elektrisch um jeweils 120° gegeneinander verschoben. In einer realen Industrieanlage wird dieser ideale Zustand jedoch nicht immer erreicht.
Unterschiedlich belastete Phasen, lange Leitungen, schlechte Klemmstellen, Sicherungen und Schützkontakte, Transformatoren oder Fehler in der Einspeisung können dazu führen, dass die drei Spannungen am Motor nicht mehr vollständig symmetrisch sind. Oft erscheinen die Unterschiede auf den ersten Blick gering: Eine Leiterspannung liegt beispielsweise einige Volt höher, eine andere einige Volt niedriger.
Für einen Drehstrommotor kann bereits eine solche scheinbar kleine Unsymmetrie wesentlich größere Auswirkungen besitzen. Der Motor reagiert nicht nur mit unterschiedlich hohen Phasenströmen. Durch den sogenannten Gegensystemanteil entsteht ein magnetisches Feld, das dem normalen Drehfeld entgegenwirkt. Dadurch steigen elektrische Verluste, insbesondere die thermische Belastung von Stator und Rotor, und der Motor kann deutlich wärmer werden.
Eine wichtige Erfahrung aus der Praxis lautet deshalb: Eine geringe Spannungsunsymmetrie bedeutet nicht automatisch eine ebenso geringe Stromunsymmetrie. Bei Asynchronmotoren kann die Stromunsymmetrie ein Mehrfaches der Spannungsunsymmetrie erreichen.
Für eine belastbare Diagnose reicht es daher nicht aus, nur eine einzelne Spannung oder nur den Gesamtstrom des Motors zu messen. Entscheidend ist die gemeinsame Betrachtung aller drei Spannungen, aller drei Phasenströme, des Betriebszustands und möglichst auch des zeitlichen Verlaufs.
Die zentrale Aussage lautet: Bei einer auffälligen Stromunsymmetrie muss zuerst geklärt werden, ob die Ursache bereits im versorgenden Drehstromnetz vorhanden ist oder erst im Motor beziehungsweise seiner Anschlussstrecke entsteht. Spannungsunsymmetrie, Stromunsymmetrie und Motorerwärmung sind eng miteinander verbunden, aber nicht identisch.
Inhaltsverzeichnis
- 1. Was ist Spannungsunsymmetrie im Drehstromnetz?
- 2. Warum es unterschiedliche Berechnungsverfahren gibt
- 3. Spannungsunsymmetrie nach der NEMA-Methode berechnen
- 4. VUF und Gegensystem in der Netzqualitätsanalyse
- 5. Warum ein Drehstrommotor besonders empfindlich reagiert
- 6. Warum die Stromunsymmetrie wesentlich größer sein kann
- 7. Wie Spannungsunsymmetrie zu zusätzlicher Erwärmung führt
- 8. Welche Grenzwerte sind sinnvoll?
- 9. Typische Ursachen der Spannungsunsymmetrie
- 10. Spannungsunsymmetrie am Motor richtig messen
- 11. Motorströme richtig vergleichen
- 12. Fehler zwischen Netz, Leitung und Motor lokalisieren
- 13. Motorerwärmung als zusätzlichen Diagnoseparameter nutzen
- 14. Unsymmetrie und Oberschwingungen nicht verwechseln
- 15. Besonderheiten bei Motoren am Frequenzumrichter
- 16. Warum eine Langzeitaufzeichnung oft sinnvoll ist
- 17. Typische Fehlerbilder systematisch bewerten
- 18. Sicherheit bei Messungen im Drehstromnetz
- 19. Passende Messtechnik von ICS Schneider
- 20. Fazit
- 21. Häufige Fragen zur Spannungsunsymmetrie
1. Was ist Spannungsunsymmetrie im Drehstromnetz?
In einem ideal symmetrischen Drehstromsystem besitzen die drei Spannungen denselben Betrag und sind phasenverschoben um jeweils 120°.
Eine Unsymmetrie liegt vor, wenn dieses Verhältnis nicht mehr vollständig erfüllt ist. Dabei können sich sowohl die Spannungsbeträge als auch die Phasenwinkel unterscheiden.
Für die praktische Fehlersuche werden häufig zunächst die drei Außenleiterspannungen gemessen:
UL1-L2, UL2-L3 und UL3-L1
Weichen diese Werte voneinander ab, liegt bereits ein Hinweis auf eine Spannungsunsymmetrie vor.
Die bloße Differenz zwischen dem höchsten und niedrigsten Wert ist jedoch noch keine vollständige Beschreibung der Unsymmetrie. Je nach Messverfahren wird sie unterschiedlich mathematisch bewertet.
Das ist wichtig, weil ein Prozentwert auf einem Netzanalysator nicht zwangsläufig nach derselben Methode berechnet wurde wie eine manuelle Prozentrechnung aus drei Multimeterwerten.
2. Warum es unterschiedliche Berechnungsverfahren gibt
In der Praxis sind insbesondere zwei Betrachtungen relevant.
Eine einfache und im Motorenumfeld häufig verwendete Methode bewertet, wie stark die drei Leiterspannungen von ihrem gemeinsamen Mittelwert abweichen. Dieses Verfahren ist unter anderem aus dem NEMA-Umfeld bekannt.
In der Netzqualitätsanalyse wird die Unsymmetrie dagegen über die symmetrischen Komponenten des Drehstromsystems beschrieben. Dabei werden Mitsystem, Gegensystem und – je nach Netz – Nullsystem unterschieden.
Diese beiden Methoden beschreiben denselben grundsätzlichen Fehler aus unterschiedlichen mathematischen Blickwinkeln. Die resultierenden Prozentwerte sollten deshalb nicht ohne Prüfung gleichgesetzt werden.
| Verfahren | Grundlage | Typische Anwendung |
|---|---|---|
| Maximale Abweichung vom Mittelwert | Drei Spannungsbeträge | Schnelle Motor- und Feldprüfung, NEMA-Betrachtung |
| Voltage Unbalance Factor VUF | Gegen- zu Mitsystemspannung | Netzqualitäts- und Power-Quality-Analyse |
| Vergleich einzelner Phasenströme | Strombeträge L1, L2, L3 | Motor- und Verbraucherdiagnose |
Wichtig ist deshalb immer, im Prüfbericht anzugeben, nach welcher Methode die Unsymmetrie bestimmt wurde.
3. Spannungsunsymmetrie nach der NEMA-Methode berechnen
Für eine schnelle Bewertung kann zunächst der Mittelwert der drei Außenleiterspannungen berechnet werden:
Umittel = (U12 + U23 + U31) / 3
Anschließend wird die größte absolute Abweichung eines Einzelwerts von diesem Mittelwert bestimmt.
Die prozentuale Spannungsunsymmetrie ergibt sich dann zu:
Unsymmetrie [%] = maximale Spannungsabweichung / Umittel × 100
Beispiel
Gemessen werden:
U12 = 400 V
U23 = 394 V
U31 = 406 V
Der Mittelwert beträgt:
Umittel = 400 V
Die größte Abweichung beträgt 6 V.
Damit ergibt sich:
Unsymmetrie = 6 V / 400 V × 100 = 1,5 %
Das Beispiel zeigt einen wichtigen Punkt: Zwischen höchstem und niedrigstem Spannungswert liegen insgesamt 12 V. Für die hier verwendete Unsymmetrieformel wird jedoch nicht diese gesamte Differenz durch den Mittelwert geteilt, sondern die größte einzelne Abweichung vom Mittelwert.
Diese Berechnung ist für eine schnelle Feldbewertung sehr nützlich. Sie ist jedoch nicht identisch mit dem Voltage Unbalance Factor der symmetrischen Komponenten.
4. VUF und Gegensystem in der Netzqualitätsanalyse
Ein unsymmetrisches Drehstromsystem lässt sich mathematisch in symmetrische Komponenten zerlegen.
Für die Motorbetrachtung sind vor allem Mitsystem und Gegensystem relevant.
Das Mitsystem U1 bildet das normale Drehspannungssystem ab. Seine Phasenfolge entspricht der vorgesehenen Drehrichtung.
Das Gegensystem U2 besitzt dagegen die entgegengesetzte Phasenfolge.
Der Voltage Unbalance Factor wird vereinfacht als Verhältnis dieser beiden Komponenten beschrieben:
VUF = |U2| / |U1| × 100 %
Der entscheidende Vorteil dieser Betrachtung liegt darin, dass die Unsymmetrie des kompletten Drehstromsystems bewertet wird und nicht lediglich die Abweichung einzelner Spannungsbeträge.
Geeignete Netzqualitätsanalysatoren berechnen solche Größen automatisch. Damit entfällt die manuelle Auswertung einzelner Spannungswerte, und zeitliche Veränderungen können gleichzeitig aufgezeichnet werden.
5. Warum ein Drehstrommotor besonders empfindlich reagiert
Ein Asynchronmotor erzeugt aus einem symmetrischen Dreiphasensystem ein rotierendes Magnetfeld.
Bei Spannungsunsymmetrie entsteht zusätzlich zum normalen Mitsystem ein Gegensystem.
Dieses Gegensystem erzeugt ein magnetisches Feld mit entgegengesetzter Drehrichtung zum normalen Drehfeld.
Aus Sicht des bereits laufenden Rotors besitzt dieses Gegenfeld eine hohe Relativgeschwindigkeit. Dadurch werden zusätzliche Ströme im Rotor induziert.
Die Folgen können sein:
- erhöhte Statorströme,
- zusätzliche Rotorverluste,
- erhöhte Wicklungstemperatur,
- reduziertes nutzbares Drehmoment,
- Drehmomentpulsationen,
- zusätzliche Vibrationen und
- verkürzte Lebensdauer bei dauerhaft erhöhter thermischer Belastung.
Damit erklärt sich, warum eine scheinbar geringe Unsymmetrie des Spannungsnetzes für einen Motor wesentlich relevanter sein kann als die reine Zahl zunächst vermuten lässt.
6. Warum die Stromunsymmetrie wesentlich größer sein kann
Eine der wichtigsten Besonderheiten bei Drehstrommotoren ist die starke Reaktion des Phasenstroms auf eine unsymmetrische Versorgung.
Bereits eine geringe Spannungsunsymmetrie kann zu einer deutlich größeren Stromunsymmetrie führen.
Als Größenordnung werden bei Asynchronmotoren je nach Motor und Betriebszustand häufig Stromunsymmetrien beschrieben, die ein Mehrfaches der zugrunde liegenden Spannungsunsymmetrie erreichen.
Daraus darf jedoch keine starre Formel abgeleitet werden.
Eine Spannungsunsymmetrie von beispielsweise 1 % bedeutet nicht automatisch, dass immer exakt 6 %, 7 % oder 10 % Stromunsymmetrie entstehen.
Die tatsächliche Reaktion hängt unter anderem ab von:
- Motorbauart,
- Belastungsgrad,
- Motorimpedanz,
- Art der Spannungsunsymmetrie,
- Netzimpedanz und
- Betriebszustand.
Für die Fehlersuche sollte deshalb niemals aus der gemessenen Spannung eine exakte Stromunsymmetrie berechnet werden. Die drei Motorströme müssen tatsächlich gemessen werden.
7. Wie Spannungsunsymmetrie zu zusätzlicher Erwärmung führt
Die zusätzliche Erwärmung entsteht über mehrere Mechanismen.
Zunächst führt ein höherer Phasenstrom zu höheren ohmschen Verlusten in der Statorwicklung. Diese Verluste steigen näherungsweise mit dem Quadrat des Stroms:
PCu ∝ I2
Steigt der Strom einer Phase, wächst deren Verlustleistung deshalb überproportional.
Hinzu kommt die Wirkung des Gegensystems. Das gegenläufige Feld induziert zusätzliche Rotorströme und erzeugt weitere Verluste.
Dadurch kann ein Motor thermisch stärker belastet sein, als es eine reine Betrachtung des durchschnittlichen Phasenstroms vermuten lässt.
Ein Beispiel verdeutlicht den Diagnosefehler: Betragen die drei Motorströme 18 A, 21 A und 24 A, ergibt sich zwar ein Mittelwert von 21 A. Der Mittelwert allein verschleiert jedoch, dass eine Phase um rund 14 % darüber und eine andere um rund 14 % darunter liegt.
Für die thermische Bewertung sind deshalb die Einzelströme wesentlich aussagekräftiger als nur deren Durchschnitt.
8. Welche Grenzwerte sind sinnvoll?
Für Spannungsunsymmetrie sollte kein einzelner Prozentwert ungeprüft auf jede Anlage übertragen werden.
Im NEMA-Umfeld ist beispielsweise für bestimmte mehrphasige AC-Motoren festgelegt, dass sie bei Nennlast erfolgreich betrieben werden müssen, wenn die Spannungsunsymmetrie an den Motorklemmen 1 % nicht überschreitet. Bei höheren Werten sind Leistungsreduzierung und Herstellerangaben zu berücksichtigen.
Dieser Wert ist jedoch eine Aussage über den Motorbetrieb und kein universeller Grenzwert für jedes europäische Stromnetz oder jeden Motor.
Für eine Netzqualitätsbewertung gelten andere Regelwerke und Messmethoden.
In der Praxis sollte deshalb unterschieden werden zwischen:
| Fragestellung | Maßgebliche Grundlage |
|---|---|
| Ist die Versorgungsspannung qualitativ auffällig? | Netzqualitätsmessung und anwendbare Power-Quality-Regelwerke |
| Darf der Motor unter dieser Unsymmetrie dauerhaft betrieben werden? | Motorhersteller, Motornorm und Betriebsbedingungen |
| Ist der Motor bereits thermisch überlastet? | Phasenströme, Motorschutz, Temperatur und tatsächliche Last |
| Wo entsteht die Unsymmetrie? | Vergleichsmessungen entlang der Versorgungskette |
Besonders wichtig ist daher die Dokumentation des tatsächlichen Werts am Motoranschluss und unter realer Belastung.
9. Typische Ursachen der Spannungsunsymmetrie
Eine Spannungsunsymmetrie kann bereits in der Energieversorgung entstehen oder erst innerhalb der eigenen Anlage verursacht werden.
Eine häufige Ursache sind ungleich auf die drei Außenleiter verteilte einphasige Verbraucher. Dadurch entstehen unterschiedliche Spannungsfälle auf den Phasen.
Auch erhöhte Übergangswiderstände können eine Rolle spielen. Eine lose Klemmstelle, ein verschlissener Schützkontakt, eine Sicherung mit auffälligem Kontaktwiderstand oder eine beschädigte Leitung kann unter Last auf einer Phase einen zusätzlichen Spannungsfall erzeugen.
Weitere mögliche Ursachen sind:
- unsymmetrisch belastete Transformatoren,
- unterschiedliche Leitungsimpedanzen,
- Kontaktprobleme an Schaltern und Leistungsschaltern,
- Fehler in Kompensationsanlagen,
- stark einphasige Lasten,
- Probleme in der vorgelagerten Energieversorgung oder
- ein beginnender Phasenausfall.
Ein vollständiger Phasenausfall ist dabei ein extremer Fehlerzustand und darf nicht lediglich als „etwas größere Spannungsunsymmetrie“ betrachtet werden.
10. Spannungsunsymmetrie am Motor richtig messen
Wenn die Auswirkung auf einen Motor beurteilt werden soll, ist der wichtigste Messort zunächst der Motoranschluss beziehungsweise ein elektrisch möglichst naher Punkt.
Die Spannungen sollten unter dem realen Betriebszustand des Motors gemessen werden.
Eine Messung bei abgeschaltetem Motor kann einen Fehler übersehen, der erst durch den Laststrom und den dadurch verursachten Spannungsfall sichtbar wird.
Für eine grundlegende Prüfung werden gleichzeitig beziehungsweise unmittelbar nacheinander die drei Außenleiterspannungen erfasst:
L1-L2
L2-L3
L3-L1
Ein geeignetes Netzqualitätsanalysegerät kann darüber hinaus die Unsymmetrie automatisch bestimmen, Vektordiagramme darstellen und den zeitlichen Verlauf aufzeichnen.
Für eine genaue Ursachenanalyse ist es besonders hilfreich, dieselbe Messung an mehreren Stellen durchzuführen:
Einspeisung → Hauptverteilung → Motorabgang → Schütz → Motorklemmen
Nimmt die Unsymmetrie erst nach einer bestimmten Stelle deutlich zu, lässt sich der Fehler räumlich eingrenzen.
11. Motorströme richtig vergleichen
Parallel zur Spannung sollten alle drei Motorströme erfasst werden.
Gemessen werden:
IL1, IL2 und IL3
Eine schnelle Feldbewertung kann ähnlich wie bei den Spannungen über Mittelwert und maximale Abweichung erfolgen.
Wichtiger als ein einzelner Prozentwert ist zunächst das Muster der drei Ströme.
Sind Spannungen und Ströme beide deutlich unsymmetrisch, liegt eine Ursache in der Versorgung oder Anschlussstrecke nahe.
Sind die Spannungen am Motor dagegen sehr gut symmetrisch, die Ströme aber deutlich unterschiedlich, muss stärker in Richtung Motor, Wicklung, Anschluss, Luftspalt oder motorinterner Fehler untersucht werden.
Auch die mechanische Last sollte betrachtet werden. Eine mechanische Überlast erhöht normalerweise alle drei Phasenströme, ohne zwingend eine große Unsymmetrie zwischen ihnen zu erzeugen.
12. Fehler zwischen Netz, Leitung und Motor lokalisieren
Eine systematische Messstrategie verhindert, dass ein Motor vorschnell als defekt beurteilt wird.
Angenommen, am Motor werden eine Spannungs- und Stromunsymmetrie festgestellt.
Im nächsten Schritt wird an der Einspeiseseite des Motorschützes gemessen.
Ist die Spannung dort bereits unsymmetrisch, befindet sich die Ursache wahrscheinlich weiter in Richtung Netz beziehungsweise Verteilung.
Ist die Einspeisung des Schützes symmetrisch, die Ausgangsseite unter Last aber nicht, sind Kontakte und Anschlussstellen des Schützes verdächtig.
Ist auch die Ausgangsspannung symmetrisch, aber an den Motorklemmen nicht, müssen Leitung, Steckverbinder und Klemmstellen zwischen Schaltschrank und Motor geprüft werden.
Bleibt die Spannung direkt am Motor symmetrisch, während die drei Motorströme deutlich unterschiedlich sind, rückt der Motor selbst stärker in den Mittelpunkt der Diagnose.
| Messbild | Wahrscheinliche Richtung der Fehlersuche |
|---|---|
| Spannung bereits an der Verteilung unsymmetrisch | Netz, Transformator, Lastverteilung, vorgelagerte Anlage |
| Vor Schütz symmetrisch, danach unsymmetrisch | Schütz, Sicherung, Kontaktstelle |
| Am Schaltschrank symmetrisch, am Motor unsymmetrisch | Motorleitung, Steckverbinder, Anschlussklemme |
| Spannung am Motor symmetrisch, Strom stark unsymmetrisch | Motorwicklung, Anschluss, Motorzustand |
| Alle drei Ströme gleichmäßig zu hoch | Mechanische Überlast, falsche Spannung, falsche Schaltung oder Prozesslast |
13. Motorerwärmung als zusätzlichen Diagnoseparameter nutzen
Eine Temperaturmessung kann die elektrische Diagnose sinnvoll ergänzen.
Ein Motor, der unter unsymmetrischer Versorgung betrieben wird, kann deutlich wärmer werden als unter vergleichbarer Last bei symmetrischer Versorgung.
Wichtig ist dabei, die Temperatur nicht isoliert zu interpretieren.
Hohe Motortemperatur kann ebenso durch mechanische Überlast, zu hohe Umgebungstemperatur, verschmutzte Kühlwege, defekten Lüfter, häufiges Starten oder Lagerprobleme entstehen.
Besonders aussagekräftig wird die Diagnose deshalb, wenn mehrere Informationen gleichzeitig vorliegen:
Spannungsunsymmetrie + Stromunsymmetrie + Lastzustand + Motortemperatur
Wird beispielsweise gleichzeitig eine erhöhte Gegensystemspannung, eine deutlich größere Stromunsymmetrie und eine steigende Motortemperatur festgestellt, ergibt sich ein wesentlich klareres Fehlerbild als aus einer einzelnen Temperaturmessung.
Eine Thermografie kann zusätzlich auffällige Klemmstellen, Sicherungen oder Schützkontakte sichtbar machen. Sie ersetzt jedoch nicht die elektrische Messung.
14. Unsymmetrie und Oberschwingungen nicht verwechseln
Spannungsunsymmetrie und Spannungsverzerrung sind zwei unterschiedliche Power-Quality-Probleme.
Unsymmetrie beschreibt Unterschiede zwischen den drei Phasen beziehungsweise deren symmetrischen Komponenten.
Oberschwingungen beschreiben dagegen zusätzliche Frequenzanteile innerhalb der Spannungs- oder Stromkurve.
Beide Effekte können gleichzeitig auftreten und beide können zusätzliche Verluste und Erwärmung verursachen.
Wenn ein Motor ungewöhnlich warm wird, reicht es deshalb bei komplexen Anlagen nicht immer aus, nur die drei Effektivspannungen zu vergleichen.
Ein Netzqualitätsanalysator kann zusätzlich THD, einzelne Harmonische, Frequenz und weitere Qualitätsparameter erfassen.
Die korrekte Interpretation von THD und TDD behandeln wir ausführlicher im Fachbeitrag „THD oder TDD: Oberschwingungswerte unter wechselnder Last richtig interpretieren“.
15. Besonderheiten bei Motoren am Frequenzumrichter
Bei direkt am Netz betriebenen Drehstrommotoren lässt sich die Spannungsunsymmetrie vergleichsweise unmittelbar aus den Netzspannungen beurteilen.
Bei einem Motor hinter einem Frequenzumrichter ist die Situation komplexer.
Die Ausgangsspannung des Umrichters ist typischerweise pulsweitenmoduliert und entspricht nicht einer idealen sinusförmigen Netzspannung.
Ein gewöhnliches Multimeter kann solche Signale abhängig von Messverfahren und Bandbreite falsch beziehungsweise schwer interpretierbar anzeigen.
Für die Beurteilung eines Umrichterausgangs sollten deshalb Messgeräte und Messverfahren verwendet werden, die ausdrücklich für entsprechende PWM-Motorsignale geeignet sind.
Außerdem müssen Eingangs- und Ausgangsseite des Frequenzumrichters getrennt betrachtet werden.
Eine Spannungsunsymmetrie am Netzeingang ist nicht automatisch identisch mit einer Spannungsunsymmetrie am Motoranschluss hinter dem Wechselrichter.
Die drei Motorströme bleiben dennoch ein wichtiger Diagnoseparameter. Auffällige Stromunterschiede können Hinweise auf Motor-, Umrichter- oder Leitungsprobleme liefern.
16. Warum eine Langzeitaufzeichnung oft sinnvoll ist
Eine einzelne Messung bildet nur einen bestimmten Betriebszustand ab.
Viele Unsymmetrieprobleme treten jedoch lastabhängig auf.
Ein Kontaktproblem kann beispielsweise bei geringer Belastung kaum auffallen. Steigt der Motorstrom, erhöht sich der Spannungsabfall am Übergangswiderstand und die Unsymmetrie wird deutlicher.
Auch große einphasige Verbraucher können nur zeitweise zugeschaltet sein.
Eine längere Aufzeichnung von:
- U12, U23, U31,
- IL1, IL2, IL3,
- Spannungsunsymmetrie,
- Stromunsymmetrie,
- Leistung und
- gegebenenfalls THD
kann zeigen, ob ein Problem dauerhaft oder nur bei bestimmten Lastzuständen auftritt.
Besonders hilfreich ist die zeitliche Korrelation mit Motorstart, Produktionszustand, Zuschalten großer Verbraucher oder Temperaturanstieg.
17. Typische Fehlerbilder systematisch bewerten
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Eine Leiterspannung unter Last deutlich niedriger | Übergangswiderstand, Schütz, Sicherung oder Leitung | Spannung entlang des Strompfads vergleichen |
| Kleine Spannungsunsymmetrie, große Stromunsymmetrie | Typische starke Motorreaktion auf Gegensystem möglich | Spannungs- und Stromunsymmetrie gemeinsam bewerten |
| Spannungen symmetrisch, Ströme unsymmetrisch | Motor- oder Anschlussproblem | Motorwicklung, Anschlüsse und Isolation prüfen |
| Alle drei Ströme gleichmäßig erhöht | Mechanische Überlast oder falscher Betriebspunkt | Last, Prozess und Motornennstrom prüfen |
| Unsymmetrie nur bei hoher Last | Spannungsfall an Übergangswiderstand oder schwaches Netz | Messung bei verschiedenen Lastzuständen aufzeichnen |
| Motor wird heiß und vibriert stärker | Gegensystem oder mechanischer Fehler | VUF, Phasenströme und mechanischen Zustand prüfen |
| Unsymmetrie verändert sich mit zugeschalteten Verbrauchern | Ungleichmäßige Phasenbelastung | Lastverteilung der Verteilung untersuchen |
| Stromabweichung nach Schütztausch verschwunden | Erhöhter Kontaktwiderstand eines Schaltkontakts | Spannungsfall und Temperatur der alten Kontaktstelle bewerten |
18. Sicherheit bei Messungen im Drehstromnetz
Spannungs- und Strommessungen an industriellen Drehstromanlagen können an Stromkreisen mit hoher verfügbarer Kurzschlussleistung durchgeführt werden.
Die Messung darf deshalb nur von entsprechend qualifizierten Personen und nach den für die Anlage geltenden Sicherheits- und Arbeitsverfahren durchgeführt werden.
Messgerät, Spannungsleitungen und Stromsensoren müssen für die vorhandene Spannung, Messkategorie und Einsatzumgebung geeignet sein.
Vor dem Anschluss muss die Netzform bekannt sein. Spannungseingänge und Stromsensoren müssen eindeutig L1, L2 und L3 zugeordnet werden.
Eine vertauschte Stromzange oder ein falsch zugeordneter Spannungskanal kann bei Leistungs- und Vektormessungen zu technisch plausibel aussehenden, aber falschen Ergebnissen führen.
Nach dem Anschluss sollte deshalb zunächst das Vektordiagramm beziehungsweise die Anschlussprüfung des Messgeräts kontrolliert werden, bevor eine längere Messkampagne gestartet wird.
19. Passende Messtechnik von ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet unterschiedliche Geräte für elektrische Fehlersuche, Leistungsanalyse und Netzqualitätsmessungen. Eine Übersicht finden Sie unter Elektrische Mess- und Prüfgeräte sowie speziell unter Leistungs- und Energieanalysatoren.
CA 8345 – Class-A-Leistungs- und Netzqualitätsanalysator
Der CA 8345 ist für detaillierte Netzqualitätsanalysen in industriellen und gewerblichen Anlagen ausgelegt.
Er erfasst Spannungs- und Stromgrößen mehrkanalig und eignet sich für die Untersuchung von Spannungsqualität, Unsymmetrien, Oberschwingungen, Transienten, Einschaltvorgängen und zeitlichen Trends.
Für die hier behandelte Messaufgabe ist insbesondere die gleichzeitige Betrachtung aller drei Phasenspannungen und Motorströme wichtig. Dadurch kann eine Unsymmetrie nicht nur punktuell, sondern im zeitlichen Zusammenhang mit Laständerungen untersucht werden.
CA8336 – Leistungs- und Energieanalysator
Der CA8336 verfügt über vier Spannungs- und vier Strommesskanäle und erfasst zahlreiche Netz- und Leistungsparameter gleichzeitig.
Die Vektordarstellung ist besonders hilfreich, um Anschlussfehler und Auffälligkeiten im Drehstromsystem schnell zu erkennen. Aufzeichnungs- und Alarmfunktionen ermöglichen zusätzlich eine längere Beobachtung einer Anlage.
PEL 113 – Langzeitaufzeichnung und Motordiagnose
Der PEL 113 besitzt drei Spannungs- und drei Stromeingänge und eignet sich für elektrische Diagnose und längerfristige Aufzeichnungen.
Damit lässt sich beispielsweise untersuchen, ob Spannungen und Motorströme nur zu bestimmten Produktionszeiten auseinanderlaufen oder ob eine Auffälligkeit dauerhaft besteht.
Die zugehörigen Funktionen zur Analyse von Elektroantrieben können die Diagnose zusätzlich unterstützen.
Weiterführende Fachbeiträge
Die reine Strommessung zur Erkennung von Phasenausfall und Schieflast behandeln wir im Beitrag „Phasenausfall oder unsymmetrische Last erkennen: Strommessung im Drehstromnetz“.
Wenn alle Phasenströme auffällig hoch sind und eine mechanische oder elektrische Überlast vermutet wird, ist zusätzlich der Beitrag „Motor nimmt zu viel Strom auf: Überlast mit der Stromzange erkennen“ relevant.
20. Fazit
Spannungsunsymmetrie im Drehstromnetz ist ein typisches Beispiel dafür, dass eine kleine elektrische Abweichung eine wesentlich größere Auswirkung auf einen Motor haben kann.
Ein Drehstrommotor reagiert auf eine unsymmetrische Versorgung mit Gegensystemanteilen. Diese erzeugen ein gegenläufiges Magnetfeld und können deutlich unterschiedliche Phasenströme sowie zusätzliche Verluste verursachen.
Die daraus entstehende Stromunsymmetrie kann ein Mehrfaches der ursprünglichen Spannungsunsymmetrie betragen. Ein fester Umrechnungsfaktor existiert jedoch nicht.
Für eine belastbare Diagnose müssen deshalb sowohl die drei Spannungen als auch die drei Motorströme tatsächlich gemessen werden.
Ebenso wichtig ist die verwendete Berechnungsmethode. Die einfache Unsymmetrie nach maximaler Abweichung vom Spannungsmittelwert ist nicht identisch mit dem Voltage Unbalance Factor aus Gegen- und Mitsystem.
Bei der Fehlersuche sollte außerdem möglichst direkt am Motor und unter realer Belastung gemessen werden. Vergleichsmessungen entlang der Versorgungskette helfen anschließend, zwischen Netzproblem, schlechter Kontaktstelle, Leitung und Motorfehler zu unterscheiden.
Motorerwärmung und Thermografie können diese elektrische Analyse sinnvoll ergänzen, ersetzen sie jedoch nicht.
Für eine vollständige Bewertung gilt daher:
Netzspannung → Spannungsunsymmetrie → Gegensystem → Motorstrom → Verluste → Erwärmung.
Erst die gemeinsame Betrachtung dieser Kette ermöglicht eine fundierte Aussage darüber, ob tatsächlich die Versorgungsspannung für eine erhöhte Motorbelastung verantwortlich ist.
21. Häufige Fragen zur Spannungsunsymmetrie
Was bedeutet Spannungsunsymmetrie im Drehstromnetz?
Spannungsunsymmetrie bedeutet, dass die drei Phasenspannungen eines Drehstromsystems nicht mehr vollständig denselben Betrag beziehungsweise die ideale Phasenlage besitzen. Dadurch entstehen neben dem normalen Mitsystem zusätzliche symmetrische Komponenten, insbesondere ein Gegensystem.
Wie berechne ich Spannungsunsymmetrie aus drei Spannungswerten?
Eine verbreitete einfache Methode bildet zunächst den Mittelwert der drei Außenleiterspannungen. Anschließend wird die größte Abweichung eines Einzelwerts vom Mittelwert durch den Mittelwert geteilt und mit 100 multipliziert.
Ist diese Berechnung dasselbe wie VUF?
Nein. Der Voltage Unbalance Factor VUF beschreibt das Verhältnis von Gegen- zu Mitsystemspannung. Die einfache Mittelwertmethode und die symmetrische-Komponenten-Methode dürfen nicht ohne Weiteres gleichgesetzt werden.
Warum erzeugt eine kleine Spannungsunsymmetrie eine größere Stromunsymmetrie?
Der Asynchronmotor reagiert empfindlich auf die Gegensystemspannung. Sie erzeugt ein gegenläufiges Magnetfeld und zusätzliche Ströme in Motor und Rotor. Dadurch kann die Stromunsymmetrie ein Mehrfaches der Spannungsunsymmetrie erreichen.
Ist die Stromunsymmetrie immer sechsmal so groß wie die Spannungsunsymmetrie?
Nein. Solche Faktoren sind lediglich Erfahrungs- beziehungsweise typische Größenordnungen. Die tatsächliche Stromverteilung hängt vom Motor, seiner Last und der Art der Unsymmetrie ab. Die drei Phasenströme müssen deshalb gemessen werden.
Warum wird der Motor bei Spannungsunsymmetrie heiß?
Unsymmetrische Ströme erhöhen die ohmschen Verluste in den Statorwicklungen. Zusätzlich verursacht das Gegensystem erhöhte Rotorverluste. Beide Effekte führen zu zusätzlicher Erwärmung.
Ist 1 % Spannungsunsymmetrie immer zulässig?
Nein, der Wert muss im jeweiligen Kontext betrachtet werden. NEMA MG 1 verwendet 1 % für bestimmte Motoranforderungen an den Betrieb bei Nennlast. Für eine konkrete Maschine sind Motorhersteller, Betriebszustand und anwendbare Normen entscheidend.
Wo sollte die Spannung gemessen werden?
Wenn die Wirkung auf den Motor untersucht werden soll, sollte möglichst an den Motorklemmen beziehungsweise elektrisch nahe am Motor und unter realer Belastung gemessen werden. Zusätzliche Messpunkte weiter stromaufwärts helfen bei der Ursachenlokalisierung.
Reicht ein normales Multimeter?
Für eine erste Prüfung der drei Außenleiterspannungen kann ein geeignetes Multimeter ausreichend sein. Für eine vollständige Bewertung von VUF, Phasenlage, zeitlichem Verlauf, Spannungs- und Stromunsymmetrie sowie weiteren Netzqualitätsparametern ist ein mehrkanaliger Leistungs- beziehungsweise Netzqualitätsanalysator wesentlich geeigneter.
Warum sollte ich gleichzeitig die Motorströme messen?
Erst der Vergleich zeigt, wie der Motor tatsächlich auf die Versorgung reagiert. Kleine Spannungsunterschiede können wesentlich größere Stromunterschiede verursachen.
Was bedeutet es, wenn die Spannungen symmetrisch, die Ströme aber unsymmetrisch sind?
Dann ist eine reine Netzspannungsunsymmetrie als Ursache weniger wahrscheinlich. Motorwicklung, Anschluss, Kontaktstellen oder ein motorinterner Fehler sollten genauer untersucht werden.
Was bedeutet es, wenn Spannung und Strom beide unsymmetrisch sind?
Dann sollte die Versorgungskette untersucht werden. Durch Vergleichsmessungen vor und nach Sicherungen, Schützen und Leitungen lässt sich häufig feststellen, wo die Unsymmetrie entsteht.
Kann eine schlechte Klemmstelle Spannungsunsymmetrie verursachen?
Ja. Ein erhöhter Übergangswiderstand erzeugt unter Last einen zusätzlichen Spannungsfall auf einer Phase. Deshalb kann der Fehler bei geringer Last kaum sichtbar und bei hoher Motorlast deutlich ausgeprägt sein.
Kann Spannungsunsymmetrie Vibrationen verursachen?
Ja. Das Gegensystem erzeugt ein gegenläufiges magnetisches Feld und kann zu Drehmomentpulsationen und zusätzlichen mechanischen Schwingungen beitragen. Mechanische Ursachen müssen bei Vibrationen trotzdem separat geprüft werden.
Ist ein Phasenausfall nur eine starke Spannungsunsymmetrie?
Ein Phasenausfall ist ein schwerwiegender eigener Fehlerzustand. Ein bereits laufender Motor kann unter bestimmten Bedingungen weiterdrehen, wobei die verbleibenden Phasen stark belastet werden. Der Zustand muss daher unmittelbar erkannt und durch den geeigneten Motorschutz beherrscht werden.
Welche Rolle spielen Oberschwingungen?
Oberschwingungen sind ein anderes Netzqualitätsproblem als Spannungsunsymmetrie. Sie können ebenfalls zusätzliche Motorverluste und Erwärmung verursachen. Bei komplexen Fehlerbildern sollten Unsymmetrie und harmonische Verzerrung deshalb getrennt gemessen werden.
Kann ich Spannungsunsymmetrie hinter einem Frequenzumrichter mit einem normalen Multimeter bewerten?
Das ist bei PWM-Ausgangssignalen nicht generell empfehlenswert. Ein Frequenzumrichter erzeugt keine reine sinusförmige Netzspannung. Für aussagekräftige Messungen sollten hierfür geeignete Messgeräte und die Vorgaben des Umrichterherstellers verwendet werden.
Warum ist eine Langzeitaufzeichnung sinnvoll?
Unsymmetrien können abhängig von Lastzustand oder zugeschalteten Verbrauchern auftreten. Eine Aufzeichnung zeigt, ob Spannung, Strom und gegebenenfalls Temperatur zu bestimmten Betriebszuständen gleichzeitig auffällig werden.
Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl eines geeigneten Messgeräts?
Hilfreich sind Netzspannung und Netzform, Messort, Anzahl der Phasen, erwartete Stromhöhe, Motornennleistung und Motornennstrom, direkter Netzbetrieb oder Frequenzumrichter, gewünschte Messdauer, benötigte Netzqualitätsparameter, Anforderungen an Datenaufzeichnung sowie die vorhandene Messkategorie der Anlage.