Motoren und Antriebe
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Elektrotechnik
Federdruckbremsen an Elektromotoren - Teil 2: Auswahl nach Bremsarbeit
ep10/2006, 4 Seiten
Beispiel: PN = 11 kW (4-poliger Normmotor) n0 = 1500 r/min (Leerlaufdrehzahl) Jrot= 0,057 kgm2 (Massenträgheitsmoment) · Kinetische Energie der rotierenden Läufermasse: · Energie der Lage: Zur Veranschaulichung kann diese Energie in eine Masse umgerechnet werden, die auf das Potential von 1 m Höhe gehoben wurde: g h rot 71 6 71 6 , , N s W W m g h pot rot = = rot rot = 2 2 0 057 1500 182 5 703 842 FÜR DIE PRAXIS Antriebstechnik Federdruckbremsen an Elektromotoren Teil 2: Auswahl nach Bremsarbeit H. Greiner, Aichwald Neben dem in [1] beschriebenen Kriterium Bremsmoment sind bei der Auswahl einer mechanischen Bremse vor allem die thermische Belastung sowie der Verschleiß durch die Schaltarbeit zu beachten. Die tatsächlich auftretende Belastung sollte die Grenzen der thermischen Kapazität einer Bremse, also ihr Arbeitsvermögen, nicht übersteigen. Zudem muss berücksichtigt werden, dass die Reibungselemente nur begrenzte Lebensdauer-Schaltarbeit erlauben. Arbeitsvermögen mechanischer Bremsen Für die Größe der Arbeit oder Energie (Formelzeichen W) sind im internationalen Einheitensystem (SI) wahlweise die Einheiten J, Nm oder Ws vorgesehen (1 J = 1 Nm = 1 Ws). Im Beitrag wird die Einheit J (Joule) bevorzugt, um Verwechslungen mit der Einheit des Drehmomentes (Nm) vorzubeugen. Zur Erleichterung der subjektiven Bewertung der zum Bremsen von Antriebsmotoren üblichen Arbeitsvermögen, wird hier zunächst ein Beispiel betrachtet, das verdeutlicht, welche Energie (Verschleiß- oder Zerstörungsarbeit) in der rotierenden Masse eines mittleren Elektromotors gespeichert ist und welches Arbeitsvermögen die mechanischen Bremsen während vieler Millionen Schaltvorgänge aufnehmen müssen. Schaltarbeit pro Bremsung Die kinetische Energie der bewegten Massen wird durch Reibung in Wärme umgesetzt. Sie beträgt: oder mit den in der technischen Praxis üblichen Größen Wrot Arbeit (Energie) in Nm = Ws = J J Massenträgheitsmoment in kgm2 n Drehzahl in r/min Wird ein extrem großes Massenträgheitsmoment aus einer hohen Geschwindigkeit abgebremst, so tritt an der Reibfläche ein Wärmestau auf, der zu einer Beeinträchtigung der Bremse führen kann. Aus diesem Grund ist in Sonderfällen das Arbeitsvermögen pro einzelner Bremsung gemäß den Herstellerangaben für die jeweiligen Bremsengrößen zu beachten. In allgemeiner Form ist der Einfluss der Schalthäufigkeit auf die zulässige Schaltarbeit pro Schaltung in [4] behandelt. In Anlehnung an die dort angegebenen Formeln und in vereinfachter, relativer Darstellung ist der Zusammenhang in Bild gezeigt. Die obere Linie repräsentiert gleichbleibende Gesamtarbeit als Produkt aus Arbeitsvermögen pro Schaltung und Schalthäufigkeit. Tatsächlich nutzbar sind jedoch nur die Werte der unteren Linie - bei einer Schaltung pro Stunde also nur rund 16 % des theoretisch möglichen Wertes. Die rechnerische oder experimentelle Festlegung eines Grenzwertes für einmaliges Schalten ist nicht ganz einfach - dem entsprechend unterschiedlich sind die Herstellerangaben in Katalogen (Bild ). Eine Nachrechnung für 4-polige listenmäßige Motoren mit Stan- J n rot = 182 5 rot = Abnahme des Arbeitsvermögens pro Schaltung bei niedriger Schalthäufigkeit pro Stunde (Relative Darstellung in Anlehnung an VDI 2241 Blatt 1) Streuband der Katalogangaben für den Grenzwert Wrot bei einmaliger Bremsung mit Gleichstrom-Lüftmagnet (DC); Permanentmagnet (PM); Polreibbremsen (PR) Autor Obering. Helmut Greiner, Aichwald, war Mitglied verschiedener DKE- und IEC-Gremien und ist heute als beratender Ingenieur tätig. Elektropraktiker, Berlin 60 (2006) 10 EP1006-822-849-ak 05.10.2006 13:33 Uhr Seite 842 Elektropraktiker, Berlin 60 (2006) 10 843 Antriebstechnik FÜR DIE PRAXIS Da es sich um eine thermische Grenze handelt, ist für Z der höchste über einige Stunden auftretende Mittelwert einzusetzen. Wird bei Senkbetrieb ein Teil des Bremsmomentes statisch für die Last benötigt, so ist die Rutschzeit und damit die thermische Beanspruchung höher. Dann gilt: Wsnk therm. Schaltarbeit pro Senkung MBr Bremsmoment der Bremse ML statisches Moment der Last Wrot Schaltarbeit pro Auslauf-Schaltung Eine Nachrechnung für repräsentative listenmäßige 4-polige Motoren mit Standardbremse führt zu folgendem interessanten Ergebnis: Bis zu einer Bemessungsleistung PN von etwa W W Z W M M th snk snk Br L rot = Grenzwert FImax bei einmaliger Bremsung mit Standardbremse an 4-poligen Drehstrommotoren der Bemessungsleistung PN Richtwerte für die thermisch zulässige Schaltarbeit Wth von marktüblichen Federdruckbremsen dardbremsen zeigt aber, dass extrem hohe Fremd-Schwungmassen (ausgedrückt in Fl = Factor of Inertia, der das Massenverhältnis im Vergleich zu der Rotormasse beschreibt) vorhanden sein müssen, um die Bremse bei einem einmaligen Bremsvorgang zu gefährden. Bild zeigt die Grenzwerte für Fl über der Bemessungsleistung von 4-poligen Drehstrommotoren. Aus diesem Diagramm ergibt sich folgende Faustregel: In den üblichen Anwendungsfällen kann bei einmaliger Bremsung auf die Nachrechnung der thermischen Beanspruchung verzichtet werden. Der Grenzwert könnte erreicht werden, wenn eine nur als Not-Aus-Bremsung konzipierte mechanische Verzögerung aus maximaler Geschwindigkeit versuchsweise mehrfach hintereinander absolviert würde. Thermisch zulässige Schaltarbeit Bei einer gleichmäßigen Folge von Bremsungen, also einer gewissen mittleren Schalthäufigkeit pro Stunde, steigt die Erwärmung bis zu einem Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Abgabe an. Die zulässige Temperatur sollte unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur so liegen, dass weder Spule noch Reibbelag thermisch überfordert sind. Die in Bild dargestellte thermische Beanspruchung ergibt sich bei reiner Auslaufbremsung aus: Wth thermisch zulässige Schaltarbeit pro Stunde W Schaltarbeit pro Schaltung bei FI 2 Z Zahl der Bremsungen pro Stunde W W Z th = EP1006-822-849-ak 05.10.2006 13:33 Uhr Seite 843 Elektropraktiker, Berlin 60 (2006) 10 844 FÜR DIE PRAXIS Antriebstechnik Anzeige 5,5 kW ist die thermisch zulässige Grenz-Schalthäufigkeit der Standardbremse höher als der entsprechende Grenzwert für den Motor - bei größeren Leistungen kehrt sich die Relation um (Bild ). Aus dem Diagramm ergeben sich folgende Regeln: · Bei Bemessungsleistungen bis zu rund 5,5 kW genügt die thermische Nachrechnung des Motors - seine Standardbremse ist nicht gefährdet. · Bei Bemessungsleistungen über rund 5,5 kW ist die Bremse auf ihre thermische Auslastung nachzurechnen. Wenn der Grenzwert erreicht ist, sollte die Standardbremse durch eine Schaltbremse einer Typenreihe mit höherer Schaltkapazität ersetzt werden. Verminderung mechanischer Schaltarbeit Ohne Anspruch auf allgemeine Gültigkeit zeigt das Bild , dass bei kleinen und mittleren Motorleistungen die zulässige Schalthäufigkeit der zugeordneten Bremsen so hoch liegt, dass sie praktisch kaum ausnutzbar ist und dass in der Regel die Grenze für die Schalthäufigkeit der Motoren niedriger liegt. Aber bei den größeren Bemessungsleistungen des dargestellten Bereiches erlaubt die im Drehmoment passende Bremse nur relativ niedrige Schaltzahlen, die auch durch Übergang auf die Relation R der thermisch zulässigen Grenz-Schalthäufigkeit von 4-poligen Motoren (MO) mit Bemessungsleistung PN und ihren Standardbremsen (BR) Mechanische Rest-Schaltarbeit bei elektrischer Rückschaltung von hoher Drehzahl nII auf niedrige Drehzahl nI nächste Bremsengröße nicht wesentlich zu steigern sind. In diesen Fällen besteht die Aufgabe, die Schaltarbeit so weit zu vermindern, dass das Arbeitsvermögen der Bremse nicht überfordert wird. Nach der Gleichung in Abschnitt 1 bietet sich hierzu bei gegebenen Antriebsbedingungen eine Reduzierung der Drehzahl - z. B. durch Polumschaltung - an. Die Schonung der Bremse ist beträchtlich, da die Beanspruchung quadratisch mit der Drehzahl abnimmt, was im Bild erkennbar ist. Bild zeigt den Drehmomentverlauf eines im Verhältnis 1:2 polumschaltbaren Drehstrom-Asynchronmotors bei übersynchroner Bremsung. Bei dieser Kombination von elektrischer und mechanischer Bremsung ist zu prüfen, ob die relativ hohen generatorischen Bremsmomente vom Antriebssystem ohne Schaden übertragbar sind. Ferner ist zu beachten, dass diese Entlastung der mechanischen Bremse eine höhere thermische Beanspruchung des Motors zur Folge hat. Schaltarbeit pro Reibungselement Durch die Summierung der Reibungsarbeit beim Bremsen mit hoher Schalthäufigkeit entsteht an den Reibungselementen (Reibscheibe, Reiblamellen) Verschleiß, der zur langsamen Zunahme des Arbeitsluftspaltes führt. Die Entspannung der Druckfedern sowie die dadurch verursachte Verminderung des Bremsmomentes kann vernachlässigt werden. Bei einem Grenzluftspalt - z. B. in der Größenordnung von 1 bis 2 mm - wird jedoch das Magnetfeld so weit geschwächt, dass bei weiterer Luftspaltvergrößerung die Zugkraft des Magneten für eine sichere Lüftung nicht mehr ausreicht. Die Sicherheit ist dadurch nicht beeinträchtigt, da die Bremse nach wie vor bremst und lediglich nicht mehr lüftet. Zur Wiederherstellung des Anfangsluftspaltes (z. B. rund 0,25 mm) muss, je nach Konstruktionsart, der Luftspalt nachgestellt oder die Bremsscheibe erneuert werden. Bezeichnet man die Schaltarbeit bis zum Erreichen des Grenzluftspaltes mit WL, so errechnet sich die Lebensdauer tL des Reibungselementes aus: ZL Zahl der Bremsungen bis der Grenzluftspalt erreicht wird Z mittlere Zahl der Bremsungen pro Stunde in c/h WL Arbeitsvermögen pro Reibelement in J W Schaltarbeit pro Schaltung in J tL Lebensdauer des Reibelementes in Betriebsstunden h Da es sich um den für den Verschleiß maßgebenden Wert handelt, ist für Z der Mittelwert über die gesamte Gebrauchsdauer einzu- = = EP1006-822-849-ak 05.10.2006 13:33 Uhr Seite 844 Elektropraktiker, Berlin 60 (2006) 10 Generatorisches Bremsmoment beim Rückschalten eines polumschaltbaren Motors in Dahlanderschaltung (Dreieck/ Doppelstern) von der hohen auf die niedrige Drehzahl Listenangaben von sechs verschiedenen Herstellern für das Arbeitsvermögen WL mechanischer Bremsen (bezogen auf Tausch der Reibscheibe oder bis zur ersten Nachstellung) Richtwerte für zulässige Schalthäufigkeit Zlim von 4-poligen Motoren bei einer Standzeit-Erwartung des Reibbelages von rund 4000 h (N = Standardbremse in Anbauform mit optimalem Bremsmoment; S = Schaltbremse in Anbauform mit maximalem Arbeitsvermögen; EBR = listenmäßige Bremse in Einbauform) setzen. Es empfiehlt sich, den so erhaltenen Grenzwert unter Berücksichtigung der tatsächlichen Betriebsverhältnisse durch den Hersteller überprüfen zu lassen. Dies gilt auch für die thermisch zulässige Schalthäufigkeit des Motors sowie für die mechanisch zulässige Schalthäufigkeit eines Getriebes. Bild soll verdeutlichen, dass die Angaben für die „Lebensdauer“ der Bremsen bei den verschiedenen Herstellern erhebliche Unterschiede aufweisen. Im Einzelfall ist eine Nachrechnung unter Verwendung der Werte der tatsächlich vorliegenden Bremse erforderlich. Für gewisse Randbedingungen (z. B. Standzeit-Erwartung tL = 4000 h, Trägheitsfaktor FI = 1) lassen sich aus Bild Richtwerte für die zulässige Schalthäufigkeit Zlim ablesen. Literatur [1] Greiner, H.: Federdruckbremsen an Elektromotoren - Teil 1. Elektropraktiker, Berlin 60(2006)9, S. 745-747. [2] Greiner, H.: Anlaufen, Bremsen, Positionieren mit Drehstrom-Asynchronmotoren. Publikation BAU 50001439, Danfoss Bauer. [3] Praxis der Antriebstechnik Band 4: SEW-Scheibenbremsen. Publikation 0920 220X/1098, Sew-Eurodrive. [4] VDI 2241 Blatt 1, 1982-06: Schaltbare fremdbetätigte Reibkupplungen und -bremsen. EP1006-822-849-ak 05.10.2006 13:33 Uhr Seite 845
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- H. Greiner
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