Der Leistungsfaktor des Induktionsmotors – wovon er abhängt und wie er sich ändert
Auf dem Typenschild (Typenschild) jedes Induktionsmotors ist neben anderen Betriebsparametern auch sein Parameter angegeben als Cosinus Phi – Cosfi… Cosinus Phi wird auch als Induktionsmotor-Leistungsfaktor bezeichnet.
Warum heißt dieser Parameter cos phi und in welcher Beziehung steht er zur Leistung? Alles ist ganz einfach: Phi ist die Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung, und wenn man die Wirk-, Blind- und Gesamtleistung grafisch darstellt, die beim Betrieb eines Induktionsmotors (Transformator, Induktionsofen usw.) auftritt, ergibt sich das Verhältnis von Wirkleistung auf volle Leistung – das ist Cosinus Phi – Cosphi, oder mit anderen Worten – Leistungsfaktor.
Bei Nennversorgungsspannung und Nennwellenlast eines Induktionsmotors entspricht der Cosinus-Phi oder Leistungsfaktor einfach dem Wert auf dem Typenschild.
Für den Motor AIR71A2U2 beträgt der Leistungsfaktor beispielsweise 0,8 bei einer Wellenlast von 0,75 kW.Da der Wirkungsgrad dieses Motors jedoch 79 % beträgt, beträgt die vom Motor bei Nennwellenbelastung aufgenommene Wirkleistung mehr als 0,75 kW, nämlich 0,75 / Wirkungsgrad = 0,75 / 0,79 = 0,95 kW.
Dennoch hängt der Leistungsparameter oder Cosphi bei Nennlast der Welle genau von der vom Netz verbrauchten Energie ab. Dies bedeutet, dass die Gesamtleistung dieses Motors S = 0,95 / Cosfi = 1,187 (KVA) beträgt. Dabei ist P = 0,95 die vom Motor aufgenommene Wirkleistung.
In diesem Fall hängt der Leistungsfaktor oder Cosphi von der Belastung der Motorwelle ab, da bei unterschiedlicher mechanischer Leistung der Welle auch die aktive Komponente des Statorstroms unterschiedlich sein wird. Im Leerlaufbetrieb, also wenn nichts mit der Welle verbunden ist, wird der Leistungsfaktor des Motors in der Regel 0,2 nicht überschreiten.
Wenn die Wellenlast zunimmt, nimmt auch die aktive Komponente des Statorstroms zu, sodass der Leistungsfaktor zunimmt und bei einer Last nahe dem Nennwert etwa 0,8 bis 0,9 beträgt.
Wenn nun die Belastung weiter zunimmt, also die Welle über den Nennwert hinaus belastet, dann wird der Rotor langsamer, also größer Slip s, beginnt der induktive Widerstand des Rotors einen Beitrag zu leisten und der Leistungsfaktor beginnt zu sinken.
Wenn der Motor für einen bestimmten Teil der Betriebszeit im Leerlauf läuft, können Sie auf eine Reduzierung der angelegten Spannung zurückgreifen, z. B. durch Umschalten von Dreieck auf Stern, dann verringert sich die Phasenspannung der Wicklungen um das Dreifache , nimmt die induktive Komponente des Leerlaufrotors ab und die aktive Komponente in den Statorwicklungen nimmt leicht zu. Dadurch erhöht sich der Leistungsfaktor leicht.
Prinzipiell verfügen wechselstrombetriebene Systeme wie Asynchronmotoren neben den aktiven, induktiven und kapazitiven Komponenten immer über einen bestimmten Teil der Energie, der so genannte Blindleistung Q.
Dieser Umstand schafft Probleme für die Stromversorger: Der Generator ist gezwungen, die volle Leistung S ins Netz einzuspeisen, die zum Generator zurückfließt, die Leitungen benötigen aber dennoch einen passenden Querschnitt für diese volle Leistung, und natürlich kommt es zu einer parasitären Erwärmung Die Drähte des Blindstroms zirkulieren hin und her ... Es stellt sich heraus, dass der Generator die volle Leistung liefern muss, von der einige im Grunde genommen nutzlos sind.
In einer rein aktiven Form könnte der Generator des Kraftwerks dem Verbraucher viel mehr Strom liefern und dafür ist es notwendig, dass der Leistungsfaktor nahe eins liegt, also wie bei einer rein aktiven Last mit Cosphi = 1.
Um solche Bedingungen zu gewährleisten, installieren einige große Unternehmen Blindleistungskompensationseinheiten, also Systeme aus Spulen und Kondensatoren, die automatisch parallel zu Asynchronmotoren geschaltet werden, wenn deren Leistungsfaktor abnimmt.
Es stellt sich heraus, dass die Blindenergie zwischen dem Induktionsmotor und der jeweiligen Anlage zirkuliert, nicht zwischen dem Induktionsmotor und dem Generator im Kraftwerk. Dadurch wird der Leistungsfaktor von Asynchronmotoren auf nahezu 1 gebracht.