Motoren und Antriebe
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Elektrotechnik
Projektierung von Frequenzumrichter-Antrieben
ep12/2000, 4 Seiten
1 Ausnutzung der Motorkennlinie im Umrichterbetrieb Von der bekannten Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des Drehstrom-Asynchronmotors am Netz M = f(n) bei 50 Hz (Bild ) wird im Umrichterbetrieb nur der gestrichelt gezeichnete Teil vom Drehmoment 0 bis zum Bemessungspunkt N genutzt. Dieser Kennlinienteil wird mit der variablen Frequenz VF über der Frequenzachse f bzw. der Drehzahlachse verschoben. Das Drehmoment ist als relatives Drehmoment m (bezogen auf das Bemessungsdrehmoment) aufgetragen. Bei Eigenbelüftung (IC411) muß das thermisch zulässige Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen reduziert werden. Bei Fremdbelüftung (IC416) steht es auch bei Frequenzen unter 50 Hz voll zur Verfügung. Wird bei Frequenzen zwischen 50 Hz und 87 Hz der Fluss durch U/f = c konstant gehalten, dann muss trotz der verbesserten Kühlung das Drehmoment wegen der mit der Frequenz erhöhten Eisenverluste aus thermischen Gründen reduziert werden. Häufig wird die maximale Ausgangsspannung (etwa gleich der Netzspannung) auf den 50-Hz-Punkt gelegt und im Bereich 50 Hz bis 87 Hz nicht weiter angehoben. Die dabei auftretende Feldschwächung bewirkt einen starken Abfall des vom Motor erzeugten Kippmoments. Deshalb muss das zulässige Belastungsmoment entsprechend Kennlinienast U = c im Bild zurückgenommen werden. Oberhalb einer von Größe und Auslegung abhängigen Grenzfrequenz fG (im Beispiel 90 Hz) steht bei Feldschwächung noch weniger Drehmoment zur Verfügung (f > fG), um eine Reserve zwischen benötigtem Drehmoment (Bemessungsmoment) und Kippmoment (Überlastbarkeit) zu behalten. In den Abschnitten 2 bis 5 werden die Kennlinienäste genauer beschrieben. 2 Zusätzliche Verluste durch Oberschwingungsgehalt Physikalisch bedingt nimmt bei elektrischen Maschinen der Einfluss von Oberwellen auf die Verlustleistung mit der Maschinengröße zu. Daher sind die thermisch zulässigen Drehmomente MVF bei Speisung aus dem Umrichter gegenüber dem Moment Msin bei Speisung mit sinusförmiger Netzspannung (50 Hz) bei Bemessungsleistungen PN ab etwa 30 kW (4-polig) um 5 bis 10 % zu reduzieren. Die Auswahltabellen in [2] enthalten diese Korrektur. Im Bild ist der thermisch bedingte Reduktionsfaktor für das Drehmoment in Abhängigkeit von der Bemessungsleistung dargestellt. 3 Verminderte Kühlwirkung bei niedriger Drehzahl Um den Einfluß der verminderten Kühlwirkung des Eigenlüfters bei niedrigen Drehzahlen zu berücksichtigen, muss das Maschinen und Antriebe Elektropraktiker, Berlin 54 (2000) 12 1056 Projektierung von Frequenzumrichter-Antrieben H. Greiner, Aichwald In vielen Anwendungsbereichen werden zunehmend Antriebe mit stufenlos verstellbarer Drehzahl gefordert. Die geeignetste Lösung ist heute der Drehstrom-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter. Bei der Auswahl von Motor und Umrichter sind zahlreiche Parameter, wie Stellbereich, Lastkennlinie, Grenzdrehzahl, Geräuschgrenzen, zu beachten [1]. Zur Vereinfachung der Projektierung werden „Technische Listen“ angeboten [2]. Sie enthalten umfangreiche, nach vielen Parametern gegliederte Auswahltabellen. Einige Aspekte der Antriebsplanung werden im Folgenden erläutert. Obering. Helmut Greiner war Mitglied verschiedener DKE- und IEC-Komitees. Autor 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 10 20 30 40 50 60 70 80 100 M = f(n); 50 Hz 87 Hz f > fG VF VF IC411 IC416 U/f = c U = c 1,1 1,0 0,9 0,8 sin 10 20 100 200 500 1000 50 kW CAT CAT EMP 1,0 0,8 0,6 0 10 20 30 40 50 M/M Thermisch bedingter Reduktionsfaktor für das Drehmoment bei Umrichterspeisung bezogen auf Betrieb bei sinusförmiger Netzspannung in Abhängigkeit von der Bemessungsleistung CAT Katalogwerte; EMP berechneter Verlauf Ausnutzung der Motorkennlinie im Umrichterbetrieb IC411 Eigenbelüftung; IC416 Fremdbelüftung; VF variable Frequenz Reduktion des Drehmoments bei Umrichterspeisung mit Frequenzen < 50 Hz durch verminderte Kühlwirkung Drehmoment M bei niedrigen Umrichterfrequenzen f gegenüber dem Bemessungsmoment M50 bei 50-Hz-Betrieb vermindert werden. Je größer der Verstellbereich, je niedriger die untere Grenzfrequenz, umso stärker muss das Moment bei Dauerbetrieb S1 reduziert werden. Es können deshalb Motorkosten gespart werden, wenn der verlangte Verstellbereich nicht unnötig hoch geplant wird. Ein Beispiel für diesen Reduktionsfaktor zeigt Bild . Die Reduzierung des Drehmoments und der Motorleistung ist nur dann erforderlich, wenn der Motor dauernd bzw. über lange Zeit bei niedriger Drehzahl betrieben werden soll. Für Kurzzeitbetrieb (einige Minuten) steht das volle Moment zur Verfügung. Die Liste UN 03 [2] gibt detaillierte Formeln für die thermische Bewertung periodisch wiederkehrender Überlastungen an. Die kurzzeitige Überlastbarkeit ist auch bei Antrieben mit einem erhöhten Losbrechmoment von Bedeutung. Da der Anlauf in der Regel von kurzer Dauer ist, braucht man das erhöhte Losbrechmoment aus thermischen Gründen nicht zu berücksichtigen. Allerdings erfordert das höhere Drehmoment vom Umrichter einen höheren Strom. 4 Betrieb mit Feldschwächung Wenn der Motor über die Bemessungsfrequenz (z. B. 50 Hz) hinaus mit konstanter Spannung betrieben wird, nimmt seine Überlastungsfähigkeit (Kippmoment) gegenüber dem Wert mK bei Bemessungsfrequenz quadratisch mit der Frequenz ab: Bild zeigt diesen Verlauf. Um auch bei oberer Grenzfrequenz (z. B. 87 Hz) noch eine gewisse Überlastungsfähigkeit mÜ zur Verfügung zu stellen, muss das Bemessungsmoment reduziert werden, z. B. auf Da die Drehzahl proportional mit der Frequenz steigt, bleibt die mechanische Leistung in diesem Bereich konstant. Während also z. B. im Bereich von 10 Hz bis 50 Hz ein konstantes Moment mN = c zur Verfügung steht, kann im Bereich 50 Hz bis 87 Hz nur mit konstanter Leistung belastet werden. Die Grenzfrequenz (im Beispiel 90 Hz) ist von der Auslegung und dem bei 50 Hz zur Verfügung stehenden relativen Kippmoment (im Beispiel mK = 2,4) abhängig. Die listenmäßig festgelegte Grenze von 87 Hz ergibt sich aus dem Faktor 1,73. Für diese praxisgerechte und häufig benötigte Variante stehen in [2] Auswahltabellen zur Verfügung. 5 Betrieb mit konstantem Fluss bis 87 Hz Wenn auch im Bereich über 50 Hz hinaus die Spannung mit der Frequenz gemäß U/f = c angehoben wird, dann bleiben Fluss und Kippmoment etwa konstant; die Überlastungsfähigkeit wäre also auch gegenüber einem unverminderten Bemessungsmoment gewährleistet. Die mögliche Leistungserhöhung an der oberen Grenzfrequenzwärealso87/50=1,7-fach.Ausdenim Abschnitt1geschilderten Gründenkanndie Leistung bei Ausnutzung der Wärmeklasse B jedoch nur maximal um den Faktor 1,45 angehoben werden. Physikalisch bedingt nimmtder Faktor P87/P50,mitzunehmender Motorgröße ab. Bild zeigt seinen gemittelten Verlauf. Der Faktor ist in die Auswahltabellen nach [2] eingearbeitet. Kurzzeitig stehen weit höhere Leistungen zur Verfügung, falls der Umrichter den entsprechenden Strom liefern kann. 6 Typische U/f-Kennlinien Für die beiden zuvor beschriebenen Auslegungsarten sind typische Kennlinien für das Verhältnis von Spannung zu Frequenz üblich (Bild ). Die Zuordnung des „Eckpunktes“ bei Netzfrequenz (im Beispiel 50 Hz) hängt von der Netzspannung ab. Sie kann in gewissen Grenzen an das jeweilige Netz angepasst werden. m m red N 50 Hz m m x K Maschinen und Antriebe Elektropraktiker, Berlin 54 (2000) 12 1057 M = constant P = constant mN = c mx = mK(50/f)2 mred = mN(50/f) 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 400 300 200 100 0 50 100 U = c U/f = c 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 P50 1 2 4 6 8 10 20 40 60 100 200 Reduzierte Überlastbarkeit und Belastbarkeit im Feldschwächbetrieb 50 Hz bis 87 Hz Faktor für die thermisch dauernd zulässige Leistungserhöhung bei 87 Hz für U/f = c in Abhängigkeit von der Typenleistung Typische U/f-Kennlinien bei einem Netz 400 V/50 Hz - U = c Feldschwächung im Bereich 50 Hz bis 87 Hz - U/f = c konstanter Fluss im Bereich 50 Hz bis 87 Hz Im Antrieb nach Bild wird durch eine Spannungsanhebung im unteren Frequenzbereich („boosting“) der Spannungsfall im Motor ausgeglichen. 7 Geräusch/Lautstärke Die Geräuschzunahme aufgrund nicht sinusförmiger Spannungen und Ströme ist relativ gering. Sie beträgt bei Bemessungsfrequenz durchschnittlich bis zu 3 dB(A) sowohl bei I-Umrichtern als auch bei PWM-Umrichtern (Pulsweitenmodulation). Die Abhängigkeit der Lüftergeräusche von der Drehzahl ist dagegen erheblich. Die Diagramme in den Bildern und geben Richtwerte der Änderungen gegenüber den Schalldruckpegeln bei Abgabe der Bemessungsleistung und Speisung aus dem 50-Hz-Netz wieder. Die Technische Liste [2] enthält ausführliche Geräuschangaben für 2- bis 8-polige Motoren ohne Explosionsschutz und für druckfest gekapselte Motoren in der Zündschutzart EEx d. 8 Wirkung/Wirtschaftlichkeit der Fremdbelüftung Bei Verwendung eines am Netz betriebenen Fremdlüfters, der unabhängig vom Umrichter mit gleichbleibender Drehzahl und Kühlwirkung arbeitet, muss das thermisch zulässige Bemessungsdrehmoment im unteren Frequenzbereich nicht reduziert werden. Bei der Planung ist also zu entscheiden zwischen: · einem eigenbelüfteten Motor, dessen Typenleistung zum Ausgleich der Maschinen und Antriebe Elektropraktiker, Berlin 54 (2000) 12 1058 dB(A) -10 -12 0 10 20 30 40 50 dB(A) 50 60 70 80 90 100 IC411 2p = 4 IC416 2p = 2/4/6/8 Abnahme des Schalldruckpegels von 4-poligen Motoren beim Betrieb mit Frequenzen < 50 Hz T am PWM-Umrichter der Reihe Dynavert T I am I-Umrichter der Reihe Dynavert I Zunahme des Schalldruckpegels L bei Betrieb mit Frequenzen > 50 Hz IC411 4-polig mit drehzahlabhängiger Eigenbelüftung IC416 2-, 4-, 6- oder 8-polig mit drehzahlunabhängiger Fremdbelüftung IP55 EEx d 6ph F/B F/F F/B F/F F/B M/n-Kennl. V 2p Px (kW) Px (kW) Px (kW) Px (kW) Px (kW) 1:10 2 0,18 ... 800 0,20 ... 900 0,18 ... 500 0,20 ... 560 330 ... 820 EB 4 0,12 ... 1000 0,13 ... 1120 0,12 ... 560 0,13 ... 630 325 ... 1020 6 0,18 ... 1000 0,19 ... 1120 0,25 ... 450 0,27 ... 500 260 ... 1020 8 0,09 ... 800 0,10 ... 900 0,12 ... 400 0,13 ... 450 205 ... 820 1:3 2 0,19 ... 690 0,19 ... 780 0,17 ... 455 0,19 ... 485 285 ... 730 EB 4 0,11 ... 920 0,12 ... 970 0,11 ... 520 0,12 ... 550 300 ... 940 6 0,17 ... 920 0,18 ... 970 0,23 ... 410 0,25 ... 435 235 ... 940 8 0,09 ... 730 0,09 ... 780 0,11 ... 360 0,12 ... 390 184 ... 760 1:5 2 0,16 ... 660 0,17 ... 750 0,16 ... 440 0,17 ... 475 270 ... 700 EB 4 0,09 ... 900 0,10 ... 1120 0,09 ... 500 0,10 ... 540 295 ... 930 6 0,13 ... 900 0,14 ... 950 0,19 ... 400 0,20 ... 425 230 ... 930 8 0,07 ... 720 0,07 ... 770 0,09 ... 360 0,10 ... 380 182 ... 750 1:10 2 0,14 ... 620 0,16 ... 700 0,14 ... 420 0,16 ... 450 255 ... 650 EB 4 0,08 ... 840 0,08 ... 900 0,08 ... 475 0,08 ... 500 275 ... 870 6 0,12 ... 840 0,13 ... 900 0,16 ... 375 0,17 ... 400 220 ... 870 8 0,06 ... 680 0,06 ... 720 0,08 ... 335 0,08 ... 360 166 ... 700 1:10 2 1,5 ... 800 1,65 ... 850 4,0 ... 500 4,4 ... 560 325 ... 820 FB 4 1,1 ... 1000 1,17 ... 1000 4,0 ... 560 4,3 ... 630 325 ... 1020 6 0,75 ... 1000 0,80 ... 1060 2,2 ... 450 2,35 ... 500 260 ... 1020 8 0,37 ... 800 0,40 ... 860 1,5 ... 400 1,61 ... 450 205 ... 820 Tafel Ausschnitt aus einer Auswahltabelle der „Technischen Liste“ [2] IP55 Normmotoren ohne Explosionsschutz (auch nach VIK und für Zone 2); Reihe „A“ EEx d Explosionsgeschützte Drehstrommotoren in Zündschutzart „druckfeste Kapselung“; Reihe „D“ 6ph 6-Phasen-Drehstrommotoren ab Achshöhe 355 für 12-pulsige I-Umrichter F/B Isolierung nach Wärmeklasse F/Ausnutzung nach Wärmeklasse B F/F Isolierung nach Wärmeklasse F/Ausnutzung nach Wärmeklasse F Px Bereich der in der jeweiligen Auswahltabelle angebotenen Leistungen bei Umrichterbetrieb V Drehzahl- und Frequenz-Stellbereich 2p Polzahl der Wicklung (Polzahlen 2/4/6/8 Synchrondrehzahlen bei 50 Hz 3000/1500/1000/750 1/min) EB/FB Kühlart Eigenbelüftung/Fremdbelüftung M Zulässiges Drehmoment des Motors MG Verlangtes Gegenmoment der Last f Frequenz kühlungsbedingten Drehmomentreduzierung vergrößert ist oder · einem fremdgekühlten Motor mit günstiger Baugröße, aber zusätzlichem Aufwand für den getrennten Lüfter und dessen Netzanschluss. Bei vielen Anwendungsfällen kann die geringere Geräuschentwicklung des fremdbelüfteten Motors bei Frequenzen über 50 Hz entscheidend sein. Als Orientierungshilfe zeigt Bild , dass sich die Schere zwischen „eigenbelüftet“ (IC411) und „fremdbelüftet“ (IC416) im Bereich der Baugröße 132 bis 160 (Bemessungsleistung bei 50 Hz etwa 7,5 bis 15 kW) schließt. Im Allgemeinen ist bei den kleinen Baugrößen bis etwa 132 durch die Verwendung eines Fremdlüfters kein Kostenvorteil zu erwarten. Bei Bemessungsleistungen über etwa 10 kW sollte die Preisrelation im Einzelfall überprüft werden, da die Typensprünge eine unstetige Preistendenz ergeben. Tafel zeigt abschließend den schematische Aufbau einer Auswahltabelle, wie sie in der „Technischen Liste“ [2] enthalten ist. Zusätzlich umfasst diese Projektierungsunterlage detaillierte Formeln, weitergehende Informationen und Hinweise zur Planung von drehzahlverstellbaren Antrieben mit Drehstrommaschinen. Literatur [1] Stupin,P.: Beanspruchung und Auswahl von Drehstrom-Asynchronmotoren bei Umrichterspeisung. Elektropraktiker, Berlin 53(1999)7, S. 622-625. [2] Technische Liste UN 03. Drehstrommaschinen für drehzahlverstellbare Antriebe - Drehstrommotoren mit Käfigläufer für Betrieb am Frequenzumrichter. LOHER AG, D-94095 Ruhstorf. [3] DIN EN 60 034-1 (VDE 0530 Teil 1) Drehende elektrische Maschinen; Teil 1: Bemessung und Betriebsverhalten. Maschinen und Antriebe 200 IC416 IC411 100 Relativer Preis 1 2 5 10 20 50 Relativer Preis eines fremdbelüfteten Umrichtermotors (IC416) im Vergleich zum vergrößerten eigenbelüfteten Typ der gleichen Schutzart (IC411 = 100 %), bezogen auf gleiche Leistungsabgabe PN bei 50 Hz; konstantes Moment im Bereich 5 Hz bis 50 Hz
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- H. Greiner
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