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Messen von Betriebsparametern elektrischer Antriebe RAVEL Impulsprogramm RAVEL Bundesamt für Konjunkturfragen MESSEN VON BETRIEBSPARAMETERN ELEKTRISCHER ANTRIEBE
Messen vonBetriebsparameternelektrischer Antriebe
RAVEL
Impulsprogramm RAVELBundesamt für Konjunkturfragen
MESSEN VON BETRIEBSPARAMETERN ELEKTRISCHER ANTRIEBE
Impressum RAVEL
Trägerschaft
IEM/ETH Institut für Elektrische MaschinenEidgenössischeTechnischeHochschule,Zürich
Autoren
l Konrad Reichert. Prof. Dr.-lng.habil.l Raimund E. Neubauer, Dr.-Ing.
Institut für Elektrische MaschinenETH Zürich
l Andreas Binder, Dr.-lng.habil.Siemens AG, Bad Neustadt
l Werner HirschiEMC Fribourg
l Max ThalmannRegatron AG, Steinach
l Hans Reiche, Dr.-lng.habil.Thyssen Maschinenbau GmbH, Dresden
Text und Grafik
Institut für Elektrische Maschinen, ETH Zürich
l Raimund E. Neubauerl Giuseppe Pasquarellal Konrad Reichert
Copyright Bundesamt für Konjunkturfragen3003 Bern, März 1996
Auszugsweiser Nachdruck mit Quellenangabe er-laubt. Zu beziehen bei der Eidg. Drucksachen- undMaterialzentrale, 3000 Bern (Bestell-Nr. 724.336 d)
Form. 724.336 d 4.96 1000 U30219
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RAVEL Messen von Betriebsparametern elektrischer Antriebe
Vorwort
Das Aktionsprogramm des Bundesamtes für Kon-junkturfragen ist auf sechs Jahre befristet (1990-1995) und setzt sich aus den drei Impulsprogram-men zusammen:
l BAU - Erhaltung und Erneuerungl RAVEL - Rationelle Verwendung von Elektrizitätl PACER - Erneuerbare Energien.
Mit den Impulsprogrammen, die in enger Koope-ration von Wirtschaft, Schulen und Bund durch-geführt werden, soll der qualitative Wertschöp-fungsprozess unterstützt werden. Dieser ist ge-kennzeichnet durch geringen Aufwand an nichterneuerbaren Rohstoffen und Energien sowie ab-nehmende Umweltbelastung, dafür gesteigertenEinsatz von Fähigkeitskapital.
Im Zentrum der Aktivität von RAVEL steht dieVerbesserung der fachlichen Kompetenz, Stromrationell zu verwenden. Neben den bisher imVordergrund stehenden Produktions- und Sicher-heitsaspekten soll verstärkt die wirkungsgradorien-tierte Sicht treten. Aufgrund einer Verbrauchs-matrix hat RAVEL die zu behandelnden Themenbreit abgesteckt. Neben den Stromanwendun-gen in Gebäuden kommen auch Prozesse in derIndustrie, im Gewerbe und im Dienstleistungsbe-reich zum Tragen. Entsprechend vielfältig sind dieangesprochenen Zielgruppen: Sie umfassen Fach-leute auf allen Qualifikationsstufen und Entschei-dungsträger, die über stromrelevante Abläufe undInvestitionen zu befinden haben.
Kurse, Veranstaltungen, Publikationen, etc.
Umgesetzt werden die Ziele von RAVEL - aufbau-end auf Untersuchungsprojekten zur Verbreiterungder Wissensbasis - durch Aus- und Weiterbildungsowie Informationen. Die Wissensvermittlung istauf die Verwendung in der täglichen Praxis aus-gerichtet. Sie baut hauptsächlich auf Publikatio-nen, Kursen und Veranstaltungen auf. Jährlichwird eine RAVEL-Tagung durchgeführt, an der je-weils - zu einem Leitthema - umfassend über neueErgebnisse, Entwicklungen und Tendenzen in derjungen, faszinierenden Disziplin der rationellen Ver-wendung von Elektrizität informiert und diskutiert
wird. Interessenten können sich über das breit-gefächerte, zielgruppenorientierte Weiterbildungs-angebot in der Zeitschrift IMPULS informieren. Sieerscheint viermal jährlich und ist (im Abonnement)beim Bundesamt für Konjunkturfragen, 3003 Bern,gratis erhältlich.
Jedem Kurs- und Veranstaltungsteilnehmer wird je-weils eine Dokumentation abgegeben. Diese be-steht zur Hauptsache aus der für den entsprechen-den Anlass erarbeiteten Fachpublikation. Die Pu-blikationen können auch unabhängig von Kursbe-suchen bei der Eidg. Drucksachen- und Material-zentrale (EDMZ) 3003 Bern bezogen werden.
Zuständigkeiten
Um das ambitiöse Bildungsprogramm bewältigenzu können, wurde ein Organisations- und Bearbei-tungskonzept gewählt, das neben der kompeten-ten Bearbeitung durch Spezialisten auch die Be-achtung der Schnittstellen im Bereich der Strom-anwendung sowie die erforderliche Abstützung beiVerbänden und Schulen der beteiligten Branchensicherstellt. Eine aus Vertretern der interessiertenVerbände, Schulen und Organisationen bestehendeKommission legt die Inhalte des Programmes festund stellt die Koordination mit den übrigen Ak-tivitäten, die den rationellen Einsatz der Elektri-zität anstreben, sicher. Branchenorganisationenübernehmen die Durchführung der Weiterbildungs-und Informationsangebote. Für deren Vorberei-tung ist das Programmleitungsteam verantwortlich.Die Sachbearbeitung wird im Rahmen von Ressortsdurch Projektgruppen erbracht, die inhaltlich, zeit-lich und kostenmässig definierte Einzelaufgaben zulösen haben.
Dokumentation
Allen Antriebsfachleuten, die sich mit der Planung,der Herstellung und dem Betrieb von elektrischenAntrieben beschäftigen, soll die vorliegende Doku-mentation helfen die Fähigkeit zu erlangen, charak-teristische Parameter für die energie-optimale An-triebsauslegung zu identifizieren und messtechnischzu erfassen.
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Messen von Betriebsparametern elektrischer Antriebe RAVEL
In der Absicht, die elektro-mechanische Energie- Anwendungsmöglichkeiten moderner PC-Softwarewandlung zu verbessern und die bei diesem Pro- das Vorgehen bei der Auslegung praxisnah trainiertzess entstehenden Verluste zu vermindern, wird wird. Mit der selbständigen Durchführung von La-zunächst auf die Voraussetzungen für den energie- borversuchen soll zusätzliche Erfahrung gewonnenoptimalen Einsatz von elektrischen Antrieben ein- werden. Dabei ist ein fachlicher Austausch zwi-gegangen Dabei stehen systemtechnische Be- schen den Teilnehmern beabsichtigt und Diskus-trachtungen im Vordergrund. sionen sollen angeregt werden.
Danach werden praktische Messverfahren vorge-stellt mit dem Ziel, mechanische Prozessparame-ter zu ermitteln und die Belastung des Antriebs-motors zu erfassen. Die Identifikation elektri-scher und thermischer Betriebskenngrössen wirdschwerpunktmässig behandelt. Dabei ist dieneue Möglichkeit der Drehmomentbestimmungaus rein elektrischen Betriebsgrössen einer derinteressantesten Aspekte.
Es wird ausserdem darüber informiert, wie dieverfügbare Wärmekapazität eines Antriebsmotorsfür die verschiedenen Belastungsfälle optimal ge-nutzt werden kann. Dem Umrichterbetrieb und sei-nen bekannten Problemen, wie Oberschwingungenoder elektromagnetische Verträglichkeit, kommtdabei besondere Bedeutung zu.
Nach einer Vernehmlassung und dem Anwendungs-test in einer Pilotveranstaltung ist die vorlie-gende Dokumentation sorgfältig überarbeitet wor-den. Die Autoren hatten dennoch freie Hand, un-terschiedliche Ansichten über einzelne Fragen nacheigenem Ermessen zu beurteilen und zu berück-sichtigen. Sie tragen denn auch die Verantwortungfür die Texte. Unzulänglichkeiten, die sich aus derpraktischen Anwendung ergeben, können bei einerallfälligen Überarbeitung behoben werden. Anre-gungen nehmen das Bundesamt für Konjunkturfra-gen oder der verantwortliche Redaktor/Kursleiterentgegen.
Für die wertvolle Mitarbeit zum Gelingen der vor-liegenden Publikation sei an dieser Stelle allen Be-teiligten bestens gedankt.
Diese Dokumentation ist auch Arbeitsgrundlagefür einen gleichnamigen RAVEL-Kurs in dem mit-tels Fallstudien an modernen Testanlagen der ETHZürich die praktische Bestimmung von Antriebspa-rametern demonstriert wird, und mit Hinweisen zu
Oktober 1995 Prof. B.Hotz-HartVize-Direktor des Bundesamtesfür Konjunkturfragen
4RAVEL Messen von Betriebsparametern elektrischer Antriebe
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
1.1 Übersicht _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
1.2 Antriebs-Messtechnik _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Messtechnik
2.1 Einführung .......................................
2.2 Grundbegriffe .................... ................
2.3 Messfehler ...................... ................
2.4 Wahl der Messeinrichtung - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -.............. -
Messen an Elektrischen Antrieben
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3.1 Aufbau von Antriebssystemen ............ ................
3.2 Beurteilungsschwerpunkte .............. ................
3.3 Messverfahren und Methoden ............ ................
3.4 Ermittlung der Motorbelastung und des Motorverhaltens ...................
3.5 Ermittlung der Lastverhältnisse (Arbeitsmaschine) . . . . . . . . . . . . . . . . . .......................
3.6 Ermittlung der Netzverhältnisse (Beeinflussungsprobleme) .................
Praktische Messverfahren
4.1 Massenträgheitsmoment ....................................
4.1.1 Messung von Trägheitsmomenten ..........................
4.1.2 Berechnung von Trägheitsmomenten .........................
4.1.3 Motor-Beschleunigungsmoment. ...........................
4.2 Drehmomentmessung .....................................
4.2.1 Reaktionskraft am Hebelarm ..............................
4.2.2 Verformung im Wellenstrang .............................
4.2.3 Einbau von Drehmomentmesswellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..........................
4.2.4 Indirekte Drehmomentbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..........................
4.3 Drehzahlmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........................................
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Messen von Betriebsparametern elektrischer Antriebe RAVEL
4.3.1 Mechanisch-elektrische Geber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . : . . . . . . . .
4.3.2 Indirekte Drehzahlbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4 Bestimmung der elektrischen Maschinenparameter .....................
4.4.1 Leerlaufmessung ....................................
4.4.2 Kurzschlussmessung ..................................
4.5 Bestimmung der thermischen Maschinenparameter . . . . . . . . . . .
4.5.1 Messmethoden . .
5 Erfassung der Motorbelastung
5.1 Elektrische Beanspruchung
5.1.1 Leistungsmessung .
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...........................
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5 . 1 . 2 W i r k u n g s g r a d b e s t i m m u n g . . . . . . .
5.1.3 Oberschwingungsanalyse . . . , . . . .
5.2 Mechanische Beanspruchung . . . . . . . . . .
5.3 Thermische Beanspruchung . . . . . . . . . . .
5.3.1 Thermische Ersatzbilder . . . . . . . .
5.3.2 Identifizierung thermischer Parameter . . . . . .
6 Model lgestützte Messtechnik
6.1 Parameteridentifikation .............
6.2 Signalanalyse ..................
6.3 Geräuschanalyse .................
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6.4 Lernendes Diagnose-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 Einsatzprobleme stromrichtergespeister Antriebe
7.1 Anwendungsbereiche stromrichtergespeister Antriebe . . .
7.2 Elemente und Schaltungen der Stromrichterantriebstechnik
7.3 Stromrichter .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4 Systemtechnische Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5 Motor- und Kabelbelastungen durch Umrichter . . . . . .
7.6 Entwicklungstendenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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RAVEL Messen von Betriebsparametern elektrischer Antriebe
8 Projektierung und Einsatz stromrichtergespeister Antriebe
8.1 Vorgehen beim Einsatz stromrichtergespeister Antriebe . . . . . . . . . .
8.2 Auswahl, Dimensionierung und Programmierung von Frequenzumrichtern
8.3 Energiesparen mit umrichtergespeisten Antrieben . . . . . . . . . . . . .
9 Elektromagnetische Verträglichkeit
9.1 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2 EMV Kopplungsmechanismen. . . . . , . . . . . . . . . . . . . . , . . .
9.3 Gegentakt- und Gleichtaktstörung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4 EMV und Antriebstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5 Installationshinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . .
9.6 EMV-Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10 Laborversuche zur Antriebsmesstechnik
10.1 Laborversuch L1 - Parameteridentifikation einer Asynchronmaschine . . .
10.2 Laborversuch L2 - Bestimmung mechanischer Antriebskenngrössen . . . .
10.3 Laborversuch L3 - Netz/Umrichterbetrieb von Asynchronmaschinen . . .
10.4 Demonstration
10.5 Demonstration
D1 - ASM
.........
.........
.........
.........
D2 - EMV
Leistungsvergleich Kreiselpumpe ........
Elektromagnetische Verträglichkeit ...... . . . . . . . . .
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Literatur 82
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1 Einleitung
1.1 Übersicht
Die ersten Projekte des RAVEL Impulsprogram-mes befassten sich mit der energieökonomischenAnalyse von Prozessen, die in den Haushalten undder gesellschaftlichen Infrastruktur, aber auch inden für die Schweiz typischen Industriezweigenwie der Lebensmittel- oder Textilindustrie ablau-fen. Diese Analysen verfolgten hauptsächlich’ dreiZiele. Erstens, sollten aus der energieökonomi-schen Betrachtung der einzelnen Prozess-StufenRückstände in einer möglichen Effektivität desEinsatzes von Energie und Material aufgedecktund sogenannte Sparpotentiale identifiziert wer-den. Zweitens, sollten Verallgemeinerungen abge-leitet werden, hinsichtlich der Überdimensionierungder einzelnen technischen Antriebskomponentenund hinsichtlich der Bedeutung der Rolle des Ein-satzes der Antriebstechnik. Und drittens, solltenMassstäbe für den produktbezogenen Einsatz vonEnergie in der Industrie ermittelt werden. Heutekönnen wir uns an den Ergebnissen dieser Analy-sen, so zum Beispiel an Energie-Einsatzwerten wie
Zement 97.00kWh pro TonneBier 18.001kWh pro HektoliterKläranlage 0.16kWh pro m3 AbwasserTextildruck 0.30kWh pro m Stoffbahn
orientieren und damit Argumente für die Berück-sichtigung der Energieökonomie in der Phase derPlanung und des Entwurfs kompletter Anlagen fin-den. Damit könnte erreicht werden, dass schonbei der Auswahl von Erzeugnissen, die als Kom-ponenten im Prozess wirken, der energieökonomi-sche Aspekt beachtet wird. Gerade die Ergebnisseder Analyse der schweizerischen Zementindustrie[1] haben für internationales Aufsehen gesorgt, weilsie nachgewiesen haben, dass durch eine gewis-senhafte Erforschung der Energiesparpotentiale ge-genüber dem internationalen Wettbewerb entschei-dende Vorteile erzielt werden, die dann auch immervon innovativen Lösungen bei der Gestaltung derProzesse und dem Entwurf von Erzeugnissen be-gleitet werden.
Energieverbrauch der Zementindustrie
Schweiz 97kWh pro TonneDeutschland 110kWh pro TonneUnited States 200kWh pro Tonne
Ein allgemeines Ergebnis der Analysen des Elektri-zitätsbedarfs in der Industrie war auch die Tatsa-che, dass etwa 60% der verfügbaren elektrischenEnergie für elektrische Antriebe verbraucht wer-den. Als Schlussfolgerung ergab sich die Ver-anstaltung eines insgesamt achtmal durchgeführ-ten zweitägigen Seminars [2] ‘Elektrische Antriebeenergie-optimal auslegen und betreiben’. Schwer-punkte des Seminars waren
das grundsätzliche Vorgehen bei der Lösungvon Antriebsproblemen aus energieökonomi-scher Sicht,
der optimale Einsatz von Antriebskomponen-ten hinsichtlich gutem Prozesswirkungsgrad,
die gezielte Auswahl von Erzeugnissen mitgrossem Wirkungsgrad und
die Nutzung von Entwicklungstendenzen inder Antriebstechnik und von innovativen Er-Zeugnisprinzipien.
Konnten durch dieses Seminar alle prinzipiellenMöglichkeiten zur Verbesserung der Energieökono-mie aufgezeigt werden, so wurde aber auch sicht-bar, dass heute die Eigenschaften der Arbeitsma-schinen und der wichtigsten Antriebselemente, diefür einen möglichst genau bemessenen Einsatz imProzess notwendig sind, zu wenig bekannt und aus-gewiesen sind.
Das grosse Energiesparpotential bei Antrieben be-steht darin, den Arbeitspunkt der Anlage mit denNennbedingungen des Motors, für den normaler-weise höchste Werte des Wirkungsgrades und Lei-stungsfaktors ausgewiesen werden, in Übereinstim-mung zu bringen.
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RAVEL 1 . 2 A n t r i e b s - M e s s t e c h n i k
1.2 Antriebs-Messtechnik
Für die vorhandenen Projektierungsmittel mussman sowohl die Betriebsparameter der Arbeits-maschine als auch die Parameter der Antriebsele-mente, wie zum Beispiel thermische und mecha-nische Zeitkonstanten oder die für die Betriebsdy-namik wichtigen elektrischen Parameter, nicht nurgenau kennen sondern diese auch vom Herstellergarantiert bekommen. Das vorliegende Handbuchsoll deshalb hauptsächlich darüber informieren wiecharakteristische Antriebsparameter gemessen wer-den können.
Die zunehmende Nutzung von elektronischen Stell-und Regelgeräten, setzt sowohl die Kenntnis dreh-zahlvariabler und frequenzabhängiger Parameterals auch die Kenntnis der dadurch bedingtenzusätzlichen Verluste und Beeinflussungen im Mo-tor und im speisenden Netz voraus. Der projektie-rende Ingenieur sollte daher in der Lage sein, dieseauch messtechnisch zu bestimmen. Zudem sindheute Möglichkeiten zur Nutzung der Lebensdau-erreserven durch die Anwendung neuer Auslegungs-prinzipien bekannt, die wiederum die Kenntnis desnutzbaren Motor-Wärmepotentials voraussetzen.
Die Nutzung elektronischer Elemente zur Gestal-tung energieökonomisch effektiver Antriebssystemebringt auch Nebeneffekte, wie die Störung der An-lagen durch elektromagnetische Kopplungen, das
Wirken von hohen Schaltspannungen und zusätzli-chen Geräuschen mit sich. Diese müssen erkanntund beherrscht werden. Und schliesslich werdenauch an die Leistungs- und Energiemesstechnik un-ter dem Einfluss der Elektronik wesentlich höhereAnsprüche gestellt.
Das konstruktive Know-how reicht in der Re-gel meist nicht aus, um zeitabhängige Bean-spruchungen von Antriebskomponenten wie Mo-tor, Getriebe, Kupplung oder spezielle Pro-zessvorgänge im Sinne einer energie-optimalenAntriebs-Problemlösung zu bestimmen. Die ge-zielte Verwendung der Ergebnisse messtechni-scher Untersuchungen, sowie der dadurch bedingteZwang zu neuen Vorgehensweisen bei der Analysevon elektrischen Antriebssystemen sind heutzutagenotwendige Werkzeuge, die ständig steigenden An-forderungen an dynamisch beanspruchte Antriebs-elemente in Maschinen, Anlagen und Fahrzeugenzu meistern.
Es ist deshalb die Absicht der folgenden Ausführun-gen, die für eine gezielt gute Ausnutzung von An-triebskomponenten notwendigen Projektierungspa-rameter zu identifizieren und messtechnisch zu er-fassen, um damit die Grundlage für den Betriebelektrischer Antriebe unter befriedigenden ener-gieökonomischen Bedingungen zu schaffen.
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2 Messtechnik RAVEL
2 Messtechnik
Grundsätzliches:
l Die Antriebsmesstechnik soll die Modell-bildung verbessern helfen, die Antriebs-diagnose unterstützen und der Scha-densfrüherkennung dienen.
l Die Messkosten hängen entscheidendvon den Anforderungen an die Messfüh-ler ab und steigen mit enger werdendenToleranzen für die zulässigen Messfehlerstark an.
l Da jede Messung grundsätzlich mit Feh-lern behaftet ist, sollten die vorgeschrie-benen Eich- und Einsatzvorschriften derMessmittel stets genau befolgt werden.
2.1 Einführung
Die Antriebsmesstechnik [3], [4] umfasst die Mes-sung der mechanischen, der elektrischen undder thermischen Beanspruchung und Parametervon Maschinen- und Antriebskomponenten unterBerücksichtigung der zeitabhängigen Erregerquel-len, wie Antriebsmotor oder lastabhängige Pro-zessvorgänge. Sie dient im Sinne einer voraus-schauenden Instandhaltung der Schadensfrüher-kennung und ist ein notwendiges Werkzeug zur Un-terstützung der Antriebsdiagnose und der System-analyse.
Ein wichtiges Ziel der Antriebsmesstechnik ist dieVerbesserung der Modellbildung, um das dynami-sche Betriebsverhalten von Antriebselementen aufdas Gesamtverhalten der Maschine oder der An-lage, unter den Gesichtspunkten des Fertigungs-und Materialaufwandes sowie der Energie- und Ko-stenoptimierung, zu untersuchen.
Bestimmte Antriebs-Messverfahren und auch Pa-rametervariationen sind aufgrund der konstrukti-ven Vorgaben des Antriebssystems jedoch nur sehrschwer ausführbar, da sich die im Betrieb befindli-chen Antriebsanlagen nicht immer leicht umrüstenlassen. Der mit Messtechni k gekoppelten Antriebs-simulation [5] gemäss Tabelle 2.1 kommt deshalbbesondere Bedeutung zu.
Analyse des stationären u n ddynamischen Betriebsverhaltens
MethodenI
l Konfiguration und Optimierung l Messtechnikvon elektrischen Antrieben
l Maschinendiagnose l Messtechnikt Auswertungl Schadensanalyse l Simulation
l Prüfung von Antriebs-Elementen l Kombiniertes Vorgehen0 Messstellenplanung (Messtechnik+Simulation)l Uberwachungsstrategien
Tabelle 2.1: Einsatzmöglichkeiten für Messtech-nik und Simulation
Ob analoge oder digitale Messmittel eingesetztwerden hängt davon ab, mit welcher Genauigkeit,Geschwindigkeit und Kontinuität die Messgrössenerfasst und weiterverarbeitet werden müssen. InBild 2.1 ist die prinzipielle Struktur einer Messein-richtung dargestellt.
Der Messfühler MF (Geber, Aufnehmer) erfasstden zeitlichen Verlauf der Messgrösse z (Weg,Drehzahl, Strom etc.) und wandelt es in das Abbil-dungssignal SA um (Strom-, Spannungsamplitude,Widerstandswert).
Ein Messwandler MW (Verstärker, AD-Umsetzer)erzeugt dann das Einheitssignal 5’~ für einen stan-dardisierten Wertebereich (z.B. O...lOV).
Bild 2.1: Struktur Messeinrichtung
Detaillierte Angaben zu antriebstechnischen Ge-bern und Messeinrichtungen für die physikalischenGrössen
Weg, Drehwinkel
Drehzahl, Drehbeschleunigung
Kräfte, Drehmomente
Ströme, Spannungen
Temperaturen
sind in den Kapiteln 4, 5 und 6 angegeben.
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2.2 Grundbegr i f fe
Eine physikalische Grösse G ist als das Produkteines Zahlenwertes 2 und einer Einheit E definiert.
G=Z.E
Unter Messen wird die Tätigkeit verstanden, G ex-perimentell zu bestimmen. Dabei ist E zu wählenund der Vergleich mit der linken Seite der obigenGleichung vorzunehmen. Danach lässt sich 2 be-stimmen.
Unter Messprinzip versteht man das charakteristi-sche physikalische Phänomen, das bei der Messungbenutzt wird.
Der Messwert ist das Produkt aus gemessenemZahlenwert 2 und der gewählten Einheit E.
Das Messergebnis ist entweder gleich demMesswert oder es wird aus einem oder mehrerenMesswerten ermittelt.
Mit Messgrösse wird eine physikalische Grösse,wie z.B. Drehzahl, Drehmoment, Strom oder Tem-peratur bezeichnet.
Die Anzeige ist bei analogen Messgeräten durchden an einer Skala abgelesenen Stand der Markegegeben.. Die Anzeige kann als Zahlenwert, in Ein-heiten der Messgrösse, in Skalenteilen, in Längen-einheiten oder in Ziffernschritten angegeben wer-den.
Der Anzeigebereich einer Messeinrichtung ist derBereich der Messwerte, die am Anzeigeinstrumentabgelesen werden können.
Der Messbereich ist der Teil des Anzeigebereiches,für den der Fehler innerhalb der garantierten odervorgeschriebenen Fehlergrenzen liegt.
Die Messeinrichtung ist die Gesamtheit der zumZweck der Messung benutzten Elemente. Darinsind Fühler zur Erfassung der Messgrösse, Rechen-geräte, Verstärker und die Ausgabegeräte zur Dar-stellung der angezeigten Grösse mit eingeschlossen.
Die Empfindlichkeit ist der Zeigerweg in mm aufder Skala pro Einheit der Messgrösse. Bei di-gital anzeigenden Geräten ist die Empfindlichkeitgleich der Anzahl der Ziffernschritte pro Einheit derMessgrösse.
2.3 M e s s f e h l e r
Aufgrund der unterschiedlichen und unkontrollier-baren Einsatzbedingungen für eine Messeinrich-tung [6] kann ein zufälliger Fehler resultieren.Weicht jedoch das effektive Übertragungsverhal-ten einer Messeinrichtung vom gewünschten ab, soliegt ein systematischer Fehler vor der sich auchdurch Wiederholen der Messung nicht eliminierenlässt.
Als absoluter Fehler F wird der Unterschied zwi-schen angezeigtem Wert A (Istwert) und und demwahren Wert S (Sollwert) definiert.
F = A - S
Der relative Fehler Fr,1 ist der auf den SollwertS bezogene absolute Fehler
F,.,l = q
Ist Fr,1 << 1, so wird meist der leichter zu bestim-mende Ausdruck
FA - S
rd E-------A
angegeben.
Ein arithmetischer Mittelwert 2 (lineares Mit-tel) wird aus n Messungen der Einzelwerte~1~x2, ~3, . . . . zn, gemäss
berechnet.
Den durchschnittlichen Fehler 6~ erhält man ausden Abweichungen der Einzelwerte SI = XI - 2,s2 = xz - a....
Wird eine Messung mit denselben Messgeräten undunter den gleichen Messbedingungen wiederholt, sokönnen die Messergebnisse durch zufällige Fehlervoneinander abweichen. Diese zufälligen Schwan-kungen der Einzelwerte um ihren Mittelwert werdenals Standardabweichung S bezeichnet.
s=\
--& g%i - Zl22=1
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2 Messtechnik
Hinweis
Im Zusammenhang mit der Weiterverarbeitungvon Messwerten, z.B. beim Einsetzen verschiede-ner Messwerte in eine Formel zur Berechnung desMessergebnisses, ist der Fehlerfortpflanzung be-sondere Beachtung zu schenken.
2.4 Wahl der Messeinrichtung
Steht die Messgrösse fest, so ist zunächst das best-geeignete Messverfahren auszuwählen. Ob einemechanische oder elektrische Messmethode zumEinsatz kommt, kann z.B. mit Hilfe einer Ge-genüberstellung der ‘charakteristischen Merkmalegemäss Tabelle 2.2 beurteilt werden
c Elektrische Verfahren Mechanische Verfahren
Fernmessverfahren(Messzentrale möglich)
Entfernungen schwer zuüberbrücken
Verstärkerschaltung-Hohe Empfindlichkeit --Messbereichsumschaltung
Hohe obere Grenzfrequenz Niedrige obere Grenzfrequenz
Rechenoperationen möglich -
Mögliche Messwertspeicherung -und Datenverarbeitung
Kleine Rückwirkung auf das Rückwirkung auf dasMessobjekt Messobjekt
Fachwissen nötig Einfach, überschaubar
Grosser Aufwand und teuer Kleiner Aufwand und billig
Überwachung und Nacheichung Meist zeitlich gut konstantnötig
Tabelle 2.2: Merkmale elektrischer und mecha-nischer Messverfahren
Eine einfache, billige und übersichtliche Messein-richtung ist einer aufwendigen und damit teuerenMesseinrichtung stets vorzuziehen.
Aus der allgemeinen Aufzählung der Tabelle 2.3sind gemäss den Anforderungen die Gebereigen-schaften festzulegen. Dabei sollte berücksichtigtwerden, dass eine einfache, billige und übersichtli-che Messeinrichtung einer aufwendigen und damitteueren Messeinrichtung stets vorzuziehen ist.
Die Vorgabe enger Fehlergrenzen lassen die Mess-kosten stark ansteigen. Dagegen führt das Akzep-tieren einer erweiterten Fehlertoleranz, z.B. z 10%oft zu Messergebnissen mit hinreichend guter Ge-nauigkeit.
_l Untere Grenzfrequenz
l Obere Grenzfrequenz
l Messbereiche
l Fehlergrenzen
l Rückwirkung auf dasMessobjekt
l Kosten des Gebers
l Installationskosten
l Installationszeit
Raumbedarf
Zulässige Entfernungzwischen Geber undZwischenschaltung
Zulässiger Temperatur-Bereich
Zulässige mechanischeund e lektr ische Stör-grössen
Lieferzeit
Tabelle 2.3: Allgemeine Gebereigenschaften
Sind die Gebereigenschaften definiert, und dasphysikalische Wandlerprinzip des Messfühlers be-stimmt [7], so kann der Geber aus Listen undDatenblättern der einschlägigen Lieferfirmen aus-gewählt werden.
Die Zwischenschaltungseigenschaften müssen de-nen des Gebers entsprechen. Gefordert sind ein-gangsseitige Rückwirkungsfreiheit auf den Geberund die ausgangsseitige Fähigkeit, Anzeige- oderRegistriergeräte zu betreiben.
Danach können die Eigenschaften der zu verwen-denden Anzeigegeräte
analog oder digital
Einzelwerte (Maximalwerte)
Anzeige kontinuierlich
EDV Forderungen
Service Lieferfirma
Kompatibilität
Fachkenntnisse Messpersonal
abgestimmt werden.
Obwohl sich mit einer Digitalanzeige im allgemei-nen eine grössere Genauigkeiten in der Messwert-erfassung als in der Analogtechnik verwirklichenlässt, muss der Ablesende die Fähigkeit aufbietengegebenenfalls zu interpolieren. Der Vorteil einerAnaloganzeige liegt deshalb in der besseren Über-sichtlichkeit z.B. bei der Überwachung von kriti-schen Industrieprozessen.
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RAVEL 3.1 Aufbau von Antriebssystemen
3 Messen an Elektrischen Antrieben
Grundsätzliches:
l Die Messung physikalischer Antriebs-kenngrössen kann meist direkt erfolgen,während die Bestimmung von Parame-tern für Antriebsmodelle ein komplexeresVorgehen verlangt.
l Der Energiebedarf einer Arbeitsmaschinewird nicht direkt gemessen sondern indi-rekt bestimmt, wobei der Antrieb selbstals Messgerät dient.
l Im oberen Frequenzbereich ist der Mess-mittel-Einsatz problematisch. Die Ein-flüsse von äusseren Störquellen könnennicht leicht von den Störeinflüssen desAntriebssystems unterschieden werden.
3.1 Aufbau von Antriebssystemen
Die Aufgabe der elektrischen Antriebstechnik [3]ist es, einen geplanten Bewegungsvorgang mit Hilfeder elektromechanischen Energiewandlung zu rea-lisieren, zu steuern, zu regeln und zu überwachen.
3- E lektr isches Netz
1
nL 4,
G= AM-D
ST = Schalter/Anlasser/UmrichterEM = Elektr. Maschine (Energiewandler)
G = Kupplung/GetriebeAM = Arbeitsmaschine/Prozess
R = Steuerung/Schutz/Regelung
Wie im Bild 3.1 schematisch dargestellt, über-nimmt ein Elektromotor EM die Aufgabe derEnergiewandlung. Die mechanische LeistungPmech& wird über ein mechanisches Element; d.h.über eine Kupplung oder über ein Getriebe, wenneine Drehzahlanpassung erforderlich ist, an die Ar-beitsmaschine AM weitergegeben.
Die erforderliche elektrische Energie entnimmt derMotor einem Drehstromnetz über einen Leistungs-steller ST welcher im einfachsten Falle nur aus ei-nem Schalter besteht.
In komplexeren Systemen unterstützt der Stellerals Anlasser den Anlaufvorgang oder ermöglicht alsUmrichter eine flexible Anpassung der Drehzahl nund des Drehmomentes M an die Aufgabenstel-lung. Abhängig von der Komplexität der Aufga-benstellung und des Stellers kann dieser neben ei-ner Schalt-, Stell- und Regelfunktion auch Schutz-und Optimierungsaufgaben übernehmen.
Bild 3.1: Aufbau eines Antriebssystems Bild 3.2: Gestellter Betrieb
13
3 Messen an Elektrischen Antrieben RAVEL
1 GM, ASM, SM 1I I
Bild 3.3: Geregelter Betrieb
Soll der Energiefluss vom elektrischen Netz überden Steller, Elektromotor zur Arbeitsmaschine inbeiden Richtungen erfolgen, man spricht dann voneinem Zwei- oder Vier-Quadrantenbetrieb, so mussder Steller entsprechende Funktionen aufweisen.
Bezüglich der Steuerbarkeit unterscheidet man
l den gestellten Betrieb (Bild 3.2), bei wel-chem der Elektromotor entsprechend seinemeigenen Drehzahl/Drehmoment-Verhalten aufdie Belastung durch die Arbeitsmaschine rea-giert und
l den geregelten Betrieb (Bild 3.3), bei wel-chem innerhalb des schraffierten Bereiches einbeliebiger Arbeitspunkt (AJ, n) geregelt undüberwacht werden kann.
Bedeutung der inAbkürzungen:
A S M =GM =SM =M =n
MA =MK =ML =NS =RS i6 =
den Bildern verwendeten
AsynchronmotorGleichstrommotorSynchronmotorDrehmomentDrehzahlAnlaufmomentKippmomentLastmomentNebenschlussReihenschlussLastwinkel
3.2 Beurtei lungsschwerpunkte
Der Entwurf und die Auslegung eines elektrischenAntriebssystems wird von den Anforderungen deranzutreibenden Arbeitsmaschine, vom Arbeitspro-zess, vom speisenden Netz und von den Umge-bungsbedingungen bestimmt.
Die Tabelle 3.1 zeigt die Einsatzgebiete, An-wendungsgrenzen und -probleme verschiedener An-triebsmotoren. Damit können im Sinne ei-ner Synthese gewisse Vorentscheide getroffen undeine gezielte Systemauswahl vorgenommen wer-den. Dabei muss den Anschlussbedingungen andas Energiesystem, der Beeinflussung anderer Sys-teme, der Energieökonomie sowie der Kompatibi-lität mit übergeordneten Automatisierungsebeneneine besondere Bedeutung beigemessen werden.
Schwerpunkte bei der Beurteilung eines bestehen-den Antriebssystems und bei der Erstellung desPflichtenheftes für ein neues System sind
bei der Arbeitsmaschine:Drehzahl-Drehmoment Verhältnisse, Prozess-verhalten, Prozesswirkungsgrad, Anforderungenan den Stell- oder Regelbetrieb
beim Antrieb und Steller:Betriebsverhalten, Belastungsverhältnisse undAuslastung, Schutz-, Stell- und Regelverhalten,Prozesswirkungsgrad
bei der Netzeinspeisung:Spannungs-, Strom-, Wirk- und Blindleistungs-verhältnisse
Allgemein ausgedrückt sollen damit sowohl die An-lagen bewertet, d.h. ihre Belastungsverhältnisse,ihr Betriebsverhalten und ihre Energiebilanz ermit-telt werden, als auch deren Komponenten beschrie-ben werden.
Das Ziel dabei kann entweder
die Verbesserung des Betriebes sein, d.h. eineSenkung der Kosten und des Energieverbrauchesund eine Verbesserung der Funktion, oder
die Beschaffung von Planungsunterlagen für einneues oder verbessertes Antriebssystems sein.
Bei den Merkmalen muss unterschieden werdenzwischen
14
RAVEL 3.3 Messverfahren und Methoden
Motorarten: Einsatzgebiete:
Asynchron-Motor mit Einfache Antriebe,Käfigläufer Stellgetriebe
Asnchron-Motor mitSchleifringläufer
Asynchron-Motor vonDrehstromstellergespeistAsynchron-Motor vonU- oder l-UmrichtergespeistAsynchron-Motor vonPWM-UmrichtergespeistGleichstrom-Motor vonGleich-/WechselrichtergespeistSynchron-MotorReluktanz-Motor
Einfache Antriebe,Schweranlauf,begrenzter StellbereichEinfache AntriebeSchweranlauf,regel barRegelbare Antriebe mitbeschränkter Dynamik,
Schrittmotor vonUmrichtergespeistSynchron-Motor vonl-Umrichter
Regel bare Antriebe mitbeschränkter DynamikU/f- und VektorregelungRegelbare Antriebe mitgrossem Stellbereich,guter DynamikAntriebe mit konstanterDrehzahl, gutem Leistungs-fa ktorVerstellantriebe kleinerLeistung ohne Regelung
Regelbare Antriebegrosser Leistung
Synchron-Motor vonU-Umrichtergespeist
Regelbare Antriebekleiner Leistung(Elektronik-Motor)
direktes EinschaltenSchleifringe Verschleiss
Schlechter WirkungsgradStabilität
Pendelmomente,Verluste, Geräusche,UmrichterleistungStillstandsbetrieb,Verluste, Geräusche,UmrichterleistungStromwender desGleichstrommotors
Anlaufprobleme,Eigenschwingungen,StabilitätStabilität, Schrittverlust,Anlauf, Eigenschwingungen
PendeldrehmomenteAnlauf, Stellbereich
Pendeldrehmomente,Stellbereich,Feldschwächbereich
Tabelle 3.1: Einsatzgebiete, Anwendungsgrenzen und -probleme von Motoren
technischen und physikalischen Grössen, wiez.B. elektrische Spannungen und Ströme, Wirk-und Blindleistung, Drehzahl, Drehmoment,Temperatur usw.
allgemeinen Merkmalen, wie z.B. dem Energie-verbrauch in einem Betrachtungszeitraum, derAusnutzung, der Lebensdauer der Wicklungenusw.
Modellen für die Beschreibung des mechani-schen, elektrischen und thermischen Verhaltensdes Systems bzw. seiner Komponenten.
Während die physikalischen Grössen mehr oder we-niger direkt gemessen und ermittelt werden könnenund im allgemeinen Durchschnitts- bzw. Momen-
tanwerte sind, erfordern die Ermittlung der Modelleund Merkmale ein komplexeres Vorgehen.
3.3 Messverfahren und Methoden
Bei den Messverfahren und Methoden, welche zurErmittlung der Antriebsmerkmale und -parameterverwendet werden, unterscheidet man:
Direkte Messverfahren, z.B. für Spannungen,Ströme, Leistungen, Drehmomente, Drehzahlenund Temperaturen,
Indirekte Messverfahren, z.B. für die Dreh-momentbestimmung, die Wirkungsgradbestim-
15
3 Messen an Elektrischen Antrieben RAVEL
mung aus der aufgenommenen Leistung, demDrehmoment und der Drehzahl oder aus denVerlusten,
l Parameteridentifikation aufgrund einer Reihevon Messgrössen und einer Modelldarstellung,
l Modellidentifikation aufgrund von Messungenund Modellkonzepten, z.B. für das Erwärmungs-verhalten einer elektrischen Maschine bei Be-lastung, bei einer Änderung der Umgebungs-verhältnisse, usw.
Die folgenden Abschnitte geben Hinweise, wie hierim einzelnen vorgegangen werden kann.
3.4 Ermittlung der Motorbelastung und
des Motorverhaltens
Bei der Ermittlung der Motorbelastung im sta-tionären oder dynamischen Betrieb und bei der Er-mittlung der Motorkenngrössen durch gezielte Ver-suche (siehe Kapitel 5) müssen sowohl elektrische,als auch mechanische und thermische Grössen ge-messen werden.
Kenngrössen Probleme
l ElektrotechnikSpannung U, Strom I keineWirk- und Blindleistung P,Q keineFrequenz f, keine
l MechanikDrehmoment M jaDrehzahl n, Schlupf s jaSchwingungen, Geräusche ja
l Kühlung, Erwärmung-Temperatur jaKühlmittelfluss ja
.Eneraieverbrauch ja
. Wirkunasarad keine
?
Bild 3.4: Ermittlung der Motorkenngrössen
Während beim Betrieb am Netz, mit sinusförmigenSpannungen und Strömen die Messung der elektri-schen Grössen mit analogen und digitalen Mess-geräten sehr genau erfolgen kann, kann bei Um-richterspeisung mit der üblichen Technik nur nochauf der Netzseite gemessen werden.
Zur Messung an den Motorklemmen können beiUmrichterspeisung nur noch Geräte verwendet wer-den welche analog bzw. digital mit einer geeigne-ten Abtastfrequenz Augenblickswerte verarbeitenund daraus Effektiv- und Mittelwerte bilden.
Die üblichen Definitionen für die Wirk- und Blind-leistung
P = J3uIcoscp Q = &JIsin<p
sind nur für zeitlich sinusförmig verlaufendeVorgänge gültig.
Bei nichtsinusförmiger Speisung kann nur einemittlere Leistung
über die m Phasen und die iV Oberschwingungenbestimmt werden.
Für eine direkte Messung des Drehmomenteswird ein Drehmomentaufnehmer entweder zwi-schen dem Motor und der Arbeitsmaschine oderam Aufstellungsort des Motors, zwischen Funda-ment und Stator benötigt.
Indirekt kann man das Drehmoment I@ derGleichstrom- und Drehfeldmaschinen aus der inne-ren Leistung Pi und der Winkelgeschwindigkeit R,des Drehfeldes bestimmen.
jpgs
An der Welle steht das um die Lager-, Reibungs-und Lüftermomente MR verminderte Drehmoment
M=M~-MR
zur Verfügung. Die innere Leistung Pi erhält man,wenn man von der gemessenen AufnahmeleistungP die Statorverluste VS abzieht
Die Statorverluste bestehen im wesentlichen ausden Stromwärmeverlusten in den Stator- bzw. An-kerwicklungen
V, = 3IiR, bei Drehfeldmaschinen
VS = IZR, bei Gleichstrommaschinen
Diese Überlegungen gelten auch für transiente
16
RAVEL 3.6 Ermittlung der Netzverhältnisse (Beeinflussungsprobleme)
und dynamische Vorgänge. Dafür müssen aber lau-fend die Augenblickswerte der inneren Leistung Piund der Verluste berechnet werden. Für diese Auf-gabe stehen heute Messgeräte zur Verfügung, wel-che im Kapitel 4 behandelt werden.
3.5 Ermittlung der Lastverhältnisse (Ar-beitsmaschine)
Die Kenntnis der Belastungsverhältnisse, d.h. dieAbhängigkeit des Lastmomentes ML der Arbeits-maschine von der Drehzahl n, der Zeit t und vomMassen-Trägheitsmoment J ist für die Auslegungdes Antriebes von grosser Bedeutung.
Darüberhinaus interessieren aber auch energetischeKenngrössen, wie z.B. der Prozesswirkungsgrad,der spezifische Energieverbrauch und die Verlustegemäss Tabelle 3.2.
Kenngrössen Probleme
l Mechanik-Lastmoment M(t)-Drehzahl n(t)-Massen+Trägheitsmomente-Schwingungen
l Energetik-Prozessverbrauch (kWh)-Verluste im Einzelnen
jajajaja
jaja
Tabelle 3.2: Probleme Arbeitsmaschine
Die Messung des Last-Drehmomentes II~L und desEnergieverbrauchs kann im allgemeinen nur indi-rekt erfolgen, wobei der Antrieb als Messgerät ver-wendet und das Drehmoment M des Motors, wie inKapitel 3.4 beschrieben, indirekt bestimmt wird.Die Ermittlung des Trägheitsmomentes J hinge-gen kann durch das Auswerten von dynamischenVorgängen ermittelt werden
J-=M-Mdt
L
wenn das Antriebsmoment M bekannt ist.
3.6 Ermittlung der Netzverhältnisse (Be-einflussungsprobleme)
Elektrische Antriebe belasten das speisende Netzund die Umgebung durch:
Betriebsfrequente Grössen, wie Ströme, Wirk-und Blindleistungen
Oberschwingungen, wobei der Antrieb alsOberschwingungsstrom- oder Spannungsquellewirkt
Hochfrequente, leitungsgebundene elektrischeSpannungen
Hochfrequente, elektromagnetische Felder
Geräusche und Schwingungen
Kenngrössen
l Niederfrequente Grössen
U, 1, P, Q- O b e r s c h w i n g u n g e n : In, U,
l Hochfrequente Grössen-U , E , H (Felder)
Probleme----1Nein
1ial Geräusche, Schwingunqen I ia I
Tabelle 3.3: Problem der Netzeinspeisung
Diese Grössen (siehe Tabelle 3.3) sind abhängigvon der Belastungssituation und vom Netzzustand.Abhängig von den Kopplungsverhältnissen könnensie andere Einrichtungen stören oder beschädigen,wie im Kapitel 9 ausführlich beschrieben wird.
Die zu ihrer Erfassung erforderliche Messtechnik istanspruchsvoll, jedoch verfügbar. Problematisch beiihrem Einsatz, insbesondere im mittel- und hoch-frequenten Bereich, ist die Berücksichtigung deräusseren Quellen, d.h. die Unterscheidung zwi-schen den Auswirkungen des Antriebssystems unddes Netzes. So wird z.B. eine Filter- und Kompen-sationseinrichtung, bestehend aus einer Konden-satoranlage mit Drosselspulen, sowohl die Ober-schwingungen des Antriebes als auch die Ober-schwingungen des Netzes aufnehmen.
17
4 Praktische Messverfahren R A V E L
4 . Praktische Messverfahren
Grundsätzliches:
l Die Antriebsdynamik hängt ausser vonder sich zeitlich ändernden Drehmo-mentsituation auch noch von den Mas-senträgheitsmomenten des Motors undder angetriebenen Arbeitsmaschine ab.
l Motor-Trägheitsmomente werden in Da-tenblättern der Hersteller ange-geben. Dagegen müssen Last-Trägheits-momente berechnet oder experimentellbestimmt werden.
l Dem klassischen Drehmoment-Mess-Prinzip liegt die mechanische Verfor-mung des Wellenstranges zugrunde.Dagegen kann bei neuen elektroni-schen Drehmoment-Messeinrichtungenauf mechanische Messwellen vollständigverzichtet werden.
l Die elektrischen und thermischen Pa-rameter einer elektrischen Maschinekönnen aufgrund einer Leerlauf-, Last-und Kurzschlussmessung und eines Last-Temperaturlaufes identifiziert werden.
4.1 Massenträgheitsmoment
Eine generelle Übersicht, welche die Abhängig-keit der Trägheitsmomente von Asynchronmoto-ren mit Kurzschlussläufern von der Nennleistungdarstellt, ist in Bild 4.1 gezeigt. Aus der Tat-sache, dass das Trägheitsmoment stärker ansteigtals die Nennleistung erklärt sich, dass sich dieAnlaufzeiten, mit der Typenleistung vergrössernund dass das Abführen der Verlustleistung beimAnlauf problematischer wird. Ein Vergleich zuGleichstrom-Nebenschlussmaschinen zeigt weiter,dass bei kleinen Nennleistungen die Trägheitsmo-mente der Asynchronmotoren um ca. 30% kleinersind, was sich aufgrund notwendiger Zusatzeinrich-tungen für die Stromwendung (Kommutator) beider Gleichstrommaschine erklären lässt.
Beim normalen Anlaufversuch, also dem Bewe-gungsvorgang vom Stillstand des Antriebsmotorsbis zum Erreichen der Nenndrehzahl n innerhalbder Zeit t,, gilt für das gesamte TrägheitsmomentJ die Gleichung
J,JL+JM=z
wobei JL dem Lastträgheitsmoment, JM dem Mo-torträgheitsmoment und iPlbrni dem mittleren Be-schleunigungsmoment entspricht. Um das Endedes Anlaufs exakt feststellen zu können, muss fürdie Ermittlung der Anlaufzeit t, die Drehzahl noder der Strom 1 überwacht werden. Das mitt-lere Beschleunigungsmoment A4brni kann aufgrundvon Herstellerangaben bestimmt werden. Die Er-mittlung des Lastmomentes iI.4~ und auch des Rei-bungsmomentes MR hingegen muss messtechnischerfolgen.
Die Trägheitsmomente von Arbeitsmaschinen da- Beim Anlaufversuch mit Hilfsschwungmasse, imgegen sind meist unbekannt und müssen entweder Vergleich zum normalen Anlaufversuch, ist es er-
Typenleistung P [kW] -
Bild 4.1: ASM Trägheitsmomente
berechnet oder experimentell ermittelt werden [8].Nachfolgend werden verschiedene Verfahren ange-geben, Lastträgheitsmomente zu bestimmen.
4.1.1 Messung von Trägheitsmomenten
Anlaufversuch
18
RAVEL 4.1 Massenträgheitsmoment
laubt das mittlere Beschleunigungsmoment Mbrni wenn vorausgesetzt wird, dass diese Momentezu eliminieren, wenn man es in beiden Fällen als während des Hochlaufs und des Auslaufs gleichgleich gross voraussetzt. bleiben, was meistens der Fall ist.
Man stellt zunächst die Anlaufzeit t, des normalenAnlaufversuches fest. Danach befestigt man aufder rotierenden Welle eine Hilfsschwungmasse mitbekanntem Trägheitsmoment Jhi und stoppt dieneue Anlaufzeit tahi. Drehzahlmesser oder Am-peremeter dienen dazu, das Ende des Anlaufvor-ganges festzuhalten.
Schaltversuch
Das Gesamt-Trägheitsmoment J = JL + JM erhältman dann nach folgender Gleichung
J = Jhit,
tahi - ta
Auslaufversuch
Beim ‘normalen Auslaufversuch, also dem Bewe-gungsvorgang nach dem Abschalten der Strom-zufuhr bis zum Stillstand des Antriebsmotors in-nerhalb der Bremszeit tbr, gilt für das Gesamt-Trägheitsmoment J die Gleichung
n[b, t brJ=p27m
Mit dem Schaltversuch kann das Trägheitsmomentschwieriger Körper aber auch ganzer Maschinenverhältnismässig einfach bestimmt werden. Er be-ruht darauf, dass die Beschleunigungsarbeit demTrägheitsmoment direkt proportional ist. Über ei-nen ausreichenden Zeitraum wird zunächst die Be-schleunigungsarbeit für den leer laufenden Motorund dann für den leer laufenden Gesamtantriebbestimmt. Für beide Fälle stellt man dazu diefür z Umschaltungen von Rechts- auf Linkslaufbenötigte Energie fest und zieht davon die Leer-laufenergie ab. Das durch die Arbeitsmaschine be-dingte Zusatzträgheitsmoment lässt sich dann nachfolgender Gleichung berechnen
_ _ / Wz--WO _\J = JM
\ w - WoM - l)ZM
in die die Grössen
wenn das Bremsmoment &!b, als bekannt voraus-gesetzt wird.
Bei einem unbekannten Bremsmoment wirdein Auslaufversuch mit Hilfsschwungmasse vonbekanntem Trägheitsmoment Jhi durchgeführt.Dazu koppelt man den Drehkörper mit dem An-trieb, lässt ihn ganz auslaufen und erhält so die
Auslaufzeit i&. Ein zweites Auslaufen ohne Hilfs-schwungmasse ergibt die Auslaufzeit i&. Wenn beibeiden Ausläufen zu Beginn die Drehzahlen gleichsind und sich das Reibungsmoment durch die Hilfs-schwungmasse nicht ändert, gilt für das Trägheits-moment J die Gleichung
WZ = Leerlaufenergie des Gesamtantriebesnach z Umschaltungen
WO = Leerlaufenergie des Gesamtantriebesohne Umschaltungen
WZM = Leerlaufenergie des Motorsnach z Umschaltungen
Woh4 = Leerlaufenergie des Motorsohne Umschaltungen
eingesetzt werden müssen. Am einfachsten lässtsich die für die Schaltvorgänge aufgewendete Ener-gie mit einem Elektrizitätszähler messen.
Drehkörper mit Pendel
J = Jhitb
tbhi - tb
Kombination Anlauf-/Auslaufversuch
Kombiniert man den Anlauf- und den Auslaufver-such, dann lässt sich das Last- bzw. Reibungsmo-ment eliminieren. Damit erhält man
Mit dieser Methode kann auch das Trägheits-moment von unregelmässig geformten, schwierigzu berechnenden und nicht im Schwerpunkt auf-gehängten Körpernbestimmt werden. Wie in Bild4.2 gezeigt, muss man dazu ein Pendel herstel-len, wofür der fast reibungslos gelagerte Rotor ei-ner elektrischen Maschine normalerweise geeignetist.
J =Mmitatb
27+, + tb)
Dazu verbindet man den Körper, dessen Trägheits-moment J bestimmt werden soll, mit dem Welle-nende des Antriebsmotors und befestigt daran auchein Pendel vom Gewicht m,g mit dem Abstand T
19
4 Praktische Messverfahren
Bild 4.2: Drehkörper mit Pendel
seines Schwerpunktes von der Motorachse. Durchdas bei der Auslenkung des Pendels entstehendeDrehmoment werden die trägen Massen bewegt.Das Zusatzträgheitsmoment J lässt sich dann nachder Formel
J = m,gr &( 1
2
- JM - Jp
berechnen wobei JM das Motorträgheitsmoment,Jp = r2mp (mp = Pendelmasse) das Trägheits-moment des Pendels, T die mittlere Schwingungs-dauer und g = 9.81[ms-2] die Erdbeschleunigungist.
4.1.2 Berechnung von Trägheitsmomenten
Wie in Bild 4;3 dargestel l t , t r i t t bei einerungleichförmigen Translationsbewegung eine Be-schleunigungskraft Fb auf während man bei ei-ner ungleichförmigen Rotationsbewegung von ei-nem Beschleunigungsmoment Mb spricht.
Nach Bild 4.4 überträgt sich das Trägheitsmomenteiner rotierenden Arbeitsmaschine bei einem zwi-schengeschalteten Getriebe (Übersetzungsverhält-nis i = 721/722) mit l/i2 auf die Motorseite. Für dasan der Motorwelle auftretende Beschleunigungs-Verzögerungsmoment ist die Energieflussrichtungmassgebend. Dabei ist die Winkelgeschwindigkeit
und das Beschleunigungsmoment auf die Motor-welle bezogen.
Translation Rotation
m = Bewegte Masse
$f = Geschwindigkeitsänderung
J = Gesamtträgheitsmomentdwx = Winkelgeschwindigkeitsänderung
Bild 4.3: Ungleichförmige Bewegung
EM = Elektrische MaschineG = Getriebe
AM = Arbeitsmaschine
Energiefluss Beschleunigungs-Verzögerungsmoment
l-
JAM = Trägheitsmoment ArbeitsmaschinerlC = Getriebewirkungsgrad .i = Getriebeübersetzung
Bild 4.4: Energiefluss bei Antrieben
4.1.3 Motor-Beschleunigungsmoment
Um das Motor-Beschleunigungsmoment Mb einerAntriebsmaschine zu ermitteln wird zunächst dieDrehwinkeländerung pp2 - cp1 mit Hilfe eines di-gitalen Decoders am Rotor-Wellenende gemessen.Um dabei Störeinflüsse weitgehend auszuschalten,wird die Anzahl der Pulse und deren absolute Zeit-dauer mit elektronischen Hilfsmitteln sehr genau fi-xiert wobei die Rotorgeschwindigkeit innerhalb desZeitintervalls At aus zwei Eingangs-Pulspaaren be-stimmt wird. Die zeitliche Änderung der Geschwin-digkeit wird mit einem KaIman-Filter gewonnen.Mit diesen beiden Messwerten kann das Motor-
20
RAVEL 4.2 Drehmomentmessung
Beschleunigungsmoment
M=Jdw=J&bR dt R dt2
sehr einfach berechnet werden, da das Mas-senträgheitsmoment des Rotors JR vom Herstellermeist angegeben wird.
4.2 Drehmomentmessung
Wirkt, wie im Falle rotierender Arbeitsmaschinen,eine Kraft zirkular um eine Rotationsachse, sospricht man von einem ‘Drehmoment’. Das präziseMessen von Drehmomenten rotierender Körper,z.B. für die Wirkungsgradbestimmung von Arbeits-maschinen, stellt in der Regel hohe Anforderungen.Viele Drehmoment-Messprobleme sind nur bei klardefinierter Aufgabenstellung und Einbeziehung al-ler Parameter lösbar. Nachfolgend werden prin-zipielle Möglichkeiten beschrieben, Drehmomentezu messen und dabei ihre charakteristischen Eigen-schaften genannt.
I-_-a----+
Bild 4.5: Reaktionskraft am Hebelarm
Probleme
l Dynamische Untersuchungen sind problema-tisch wegen der Trägheit der bewegten grossenMassen.
4.2.2 Verformung im Wellenstrang
4.2.1 Reaktionskraft am Hebelarm
Die Methode, die Reaktionskraft an einem Hebel-arm zu messen wird sehr häufig zur Drehmoment-bestimmung angewendet. Bild 4.5 zeigt schema-tisch eine Messanordnung mit pendelnd aufgehäng-tem Stator einer Antriebsmaschine was in den mei-sten Fällen durch aufwendige Mechanik realisiertwird. Die am Ende des Hebelarmes a wirkendeKraft F wird mit einem Kraftaufnehmer gemessen.
A n w e n d u n g s f ä l l e
l Leistungsermittlung bei Wirbelstrombremsen
l Viskositätsbestimmung eines Rührwerkes überdie Motor-Abstützkraft
l Reaktionsmoment Elektroschrauber
Störeinflüsse
Langzeit-Veränderung der Lagerreibung
Ausdehnung des Hebelarmes bei Tempera-turänderungen
Unterschiedliche Betriebsarten
Bei dieser Methode wird die durch Torsions-beanspruchung in der Welle auftretende elasti-sche Verformung unmittelbar gemessen, wodurchStörgrössen weitgehend eliminiert werden. Die Si-gnalgewinnung kann nach verschiedenen physikali-schen Prinzipien, wie z.B. hydraulisch oder pneu-matisch, erfolgen. Eine Verformung kann aberauch in eine Kapazitäts-, Induktivitäts-, Wider-stands-, Permeabilitäts- oder Phasenlagenände-rung umgesetzt werden. Am gebräuchlichsten sinddie zwei folgenden Typen von Drehmomentaufneh-mern.
DMS-Drehmomentaufnehmer
Wesentlicher Teil eines DMS-Drehmomentaufneh-mers ist ein zylindrischer Messkörper, der durchein auf ihn wirkendes Torsionsmoment Mt ver-drillt wird. Die dabei auftretenden mechanischenSpannungen und Dehnungen sind ein Mass fürdas Drehmoment. Diese werden mit Dehnungs-Mess-Streifen (DMS) erfasst, die gemäss Bild 4.6unter 45” zur Längsachse aufgeklebt und zu ei-ner Wheatstone-Messbrücke zusammengeschaltetsind.
21
4 Praktische Messverfahren RAVEL
\ w L
Bild 4.6: DMS-Drehmomentaufnehmer
Die Übertragung der Speisung und der Mess-Signale erfolgt über Schleifringe oder eine Tele-metrieanlage. Für DMS-Drehmomentaufnehmerkönnen folgende charakteristische Eigenschaftenangegeben werden.
Messbereich 10Nm - 100kNm
Hohe Messgenauigkeit 0.2 - 1.0%
Für dynamische Vorgänge geeignet
Störgrössen, z.B. Temperatureinflüsse, durchSchaltungsmassnahmen kompensierbar
Messfehler durch Driften der DMS-Verkle-bungen möglich
Elastisches Element zwischen Motor und Ar-beitsmaschine (kann zu Resonanzproblemenführen)
Induktive Drehmomentaufnehmer
Ihr Einsatzgebiet entspricht prinzipiell dem derDMS-Drehmomentaufnehmer. Sie haben jedocheine grössere Empfindlichkeit und die Messung sehrkleine Drehmomente (lO@Nm) ist möglich.
Kernstück des induktiven Drehmomentaufnehmersist ein Torsionsstab, dessen Verdrehung durch eininduktives Spulensystem gemäss Bild 4.7 erfasstwird. Wirkprinzipien: Tauchankerverschiebung ineiner Spule verstimmt eine Brückenschaltung oderbewegte Spule beeinflusst eine Trafoschaltung.
In jedem Fall entsteht am Ausgang eines Spulen-Systems eine elektrische Spannung die der Verdre-hung des Torsionsstabes und damit dem Drehmo-ment proportional ist. Charakteristische Eigen-schaften des induktiven Drehmomentaufnehmerssind:
l Messbereichsumfang 0.001Nm - 100kNm
nUEl
MW = Messwelle
nUE2
DD = DifferentialdrosselUE1 = Übertrager für Speisung 8kHz
UE2 = Übertrager für Messwerte
Bild 4.7: Induktive Drehmomentaufnehmer
Hohe Genauigkeit 0.2% -malwert
Statische und dynamischesung möglich
0 .5% vom Maxi-
Drehmomentmes-
Schleifringlos, deshalb wartungsfrei
4.2.3 Einbau von Drehmomentmesswellen
Drehmomentmesswellen werden vozugsweise mitAusgleichskupplungen in einen Wellenstrang einge-baut. Ausgleichskupplungen dienen primär dazu,geometrische Fehlanpassungen und damit Fehlbe-lastungen von der Drehmomentmesswelle fernzu-halten. Zu den geometrischen Fehlanpassungengehören Richtungs-, Fluchtungs-, Abstands- oderWinkelfehler [9].
Beim starren Einbau von Drehmomentmesswellenmüssen Fehlbelastungen durch exaktes Ausrich-ten der Wellenenden ausgeschlossen werden. BeiMesswellen mit Lagern darf dabei keinesfalls dasGehäuse starr befestigt werden.
Im praktischen Betrieb darf nicht übersehen wer-den, dass zum Teil stark überhöhte Drehmoment-werte bei Anfahr-, Brems-, oder Schaltvorgängenauftreten was bei der Auslegung von Drehmoment-messwellen berücksichtigt werden muss. Hohe,stossförmige Drehmomentbelastungen treten z.B.auch bei Stern/Dreieck Umschaltungen oder nicht-synchronisiertem Schalten eines Generators auf.
22
4.3 Drehzahlmessung
4.2.4 Indirekte Drehmomentbestimmung
Neuerdings werden elektronische Messeinrichtun-gen zur indirekten Drehmomentbestimmung ge-nutzt [10], [11]. Dabei wird nicht nur das innereelektrische Drehmoment einer Antriebsmaschinebestimmt, sondern auch die Wirk- und Blindlei-stung des Motors. Dieser kann sowohl in Stern alsauch in Dreieck geschaltet sein. Das Messprinzipberuht auf der von der Fachliteratur her bekann-ten Raumzeigertheorie [12] und setzt eine gewisseräumliche Feldverteilung im Luftspalt voraus.
Laut Messprinzip bleiben dabei die in den techni-schen Spezifikationen angegebenen Genauigkeits-klassen bei beliebiger Speisung gültig, d.h. die Ge-nauigkeit der Messung ist davon unabhängig, obdie Speisung sinusförmig ist oder mit einem Fre-quenzumrichter (hoher Oberwellenanteil) erfolgt.Damit kann das elektrische Drehmoment auch beitransienten Vorgängen bestimmt werden.
Für Motoren mit räumlich sinusförmiger Feldver-teilung im Luftspalt gewährleistet diese Methodedie genauesten Resultate. Da gemäss Bild 4.8die Zeitwerte der Klemmenspannungen und Strömegemessen werden, muss die Drehmomentanzeigewegen zu berücksichtigender Statorstrom-Wärme-Verluste korrigiert werden. Auf den elektronischenPrintplatten wird dies mit extern zu bestückendenWiderständen realisiert.
Statorspannung 41* Messung und
S t a t o r s t r o m i , , Data Acquis i t ion -Phase Ll
Statorspannung u,* Messung und
Data Acquisition - -
S t a t o r s p a n n u n g uwc Messung und
S t a t o r s t r o m iu Data Acquis i t ion -
Bild 4.8: Elektronische Drehmomentmessung
Der entscheidende Vorteil dieser neuen Drehmo-ment-Messmethode ist einfach die Tatsache, dassauf eine Drehmoment-Messwelle vollständig ver-zichtet werden kann und die mechanische Kopp-lung zwischen Antriebsmotor und Arbeitsmaschinenicht mehr unterbrochen werden muss. Die Be-stimmung des Drehmomentes fest eingebauter An-triebssysteme aber auch von mobilen Anlagen wirddadurch wesentlich vereinfacht.
Als Anwendungsbeispiel der indirekten Drehmo-mentmessung ist im Bild 4.9 das elektrische Dreh-moment und die Drehzahl während der Anlauf-phase eines 2.21cW Asynchronmotors gezeigt.
80 200 400 600 800 1000
Zeit [ms]
Bild 4.9: Drehmomentmessung ASM-Anlauf
4.3 Drehzahlmessung
~ 1 5 0 0:cE 1000i
: 500al
Für die Überwachung oder Steuerung von Antriebs-systemen ist die genaue Kenntnis der Drehzahl un-erlässlich. Unter Drehzahl n wird im allgemei-nen die Anzahl der Umdrehungen U eines rotieren-den Maschinenteiles in der Zeiteinheit t verstan-den. Die Winkelgeschwindigkeit w wird in diesemZusammenhang als der Quotient des von einem ra-dialen Strahl überstrichenen Winkels cp in der Zeit-spanne t definiert.
Da für die Drehzahlmessung verschiedene phy-sikalische Effekte genutzt werden können, wirdeine Vielzahl verschiedener Ausführungformen vonDrehzahlmessern angeboten. Deren mechanisch-elektrische Gebereigenschaften werden nachfol-gend im Überblick aufgezählt.
23
4 Praktische Messverfahren2RAVEL
4.3.1 Mechanisch-elektrische Geber Impulsverfahren
Tachometerdynamo
Diese Art von Drehzahlgeber kann je nach Verwen-dungszweck der Messwerte als Gleich- oder Wech-selstromgenerator ausgelegt sein. Wie im Bild4.10 gezeigt, ist eine möglichst lineare Charakteri-stik des elektrischen Mess-Signals U = f(n) dabeidie Hauptforderung.
Drehzahl n[min-‘1
Bild 4.10: Dynamo-Charakteristik
Im kritischen Bereich, um den Nullpunkt, werdenkompensierte Gleichrichter eingesetzt. Die Her-steller solcher Maschinen garantieren Fehlergren-zen unterhalb 1% selbst wenn die Ausgangsspan-nung U mit mehreren Messinstrumenten belastetwird.
Stroboskop
Ein mit der Frequenz fX umlaufender Körper trägtauf einem konzentrischen Kreis m, gleichartigeMarken mit gleichem Teilungsabstand voneinan-der. Eine Blitzlampe beleuchtet die Marken mitkurzen Lichtblitzen deren Frequenz f eingestelltwerden kann. Für f = f3c scheinen die Markenstillzustehen was jedoch auch der Fall ist, wenn derKörper nur während jeder i-ten Umdrehung ange-blitzt wird. Unter Berücksichtigung dieser Mehr-deutigkeit lässt sich die unbekannte Frequenz nachfX = if/mX berechnen. Technische Geräte be-sitzen Frequenzbereiche von 5Hz - 5kHz. DieHauptvorteile von Stroboskopen sind deren Rück-wirkungsfreiheit und minimale Einsatzzeit.
Werden am Umfang einer rotierenden Welle Im-pulsgeber angebracht, so ist die Impulsfrequenzproportional der Umlaufgeschwindigkeit und da-mit der Drehzahl. Solche Impulse können mecha-nisch, magnetisch, induktiv, kapazitiv oder photo-elektrisch gegeben werden. Je grösser die Impuls-zahl pro Umdrehung ist, desto kleiner ist die klein-ste noch messbare Drehzahl. Die erreichbare Ge-nauigkeit wird dabei umso grösser, besonders beisich schnell ändernden Drehzahlen. Dabei werdendie Impulse entweder pro Zeiteinheit gezählt oderman bildet deren Mittelwerte, um ein kontinuierli-ches Signal zu erhalten.
Für Photoelektrische Impulsgeber werden Photo-zellen, Photoelemente, Photodioden, Photowi-derstände oder Photohalbleiter verwendet. Pas-sive photoelektrische Impulsgeber verändern beiBeleuchtung ihren Durchgangswiderstand währendaktive Elemente bei Beleuchtung eine Spannungabgeben. Die Geber können als Reflexionsgeberdurch schwarze Markierungen auf der Welle aus-gebildet sein. Durch eine Optik muss allerdingsdafür gesorgt werden, dass die Markierung genauauf der lichtempfindlichen Stelle abgebildet wird.Für Schattengeber ist weiterer mechanischer Auf-wand in Form einer Lochscheibe nötig. In Bild4.11 ist das Impulsgeber-Messprinzip dargestellt.
ImpulsFormer
MiiidU”n””9
Bild 4.11: Impulsgeber-Signalverarbeitung
Für die weitere Verarbeitung der Impulse ist nur dieFolgefrequenz und nicht die Impulsform wichtig.Diese wird mit Hilfe einer Begrenzerschaltung ingleichartige Rechteckimpulse umgeformt, die wie-derum einen Kondensator aufladen. Der mittlereLadestrom ist dabei ein Mass für die Drehzahl.
Beim elektromechanischen Resolver, gemässWirkprinzip des Bildes 4.12, induziert ein mit derMotorwelle gekoppelter Dauermagnet DA4 odereine mit hochfrequentem Strom gespeiste Spulein einem orthogonalen Spulensystem SpannungenU~,ZQ, die sinusförmig bzw. kosinusförmig vomDrehwinkel cp abhängen. Die Periodendauer istdurch eine vollständige Umdrehung der Motorwellefestgelegt. Die Augenblickswerte dieser Signale
24
4.4 Bestimmung der elektrischen Maschinenparameter
werden abgetastet und dem Umrichter-Prozessorals Steuersignal zugeführt.
Bild 4.12: Elektromechanischer Resolver [Al
Für hochdynamische Regelvorgänge jedoch wer-den optische Inkrementalgeber eingesetzt derenFunktionsprinzip im Bild 4.13 dargestellt ist. DieGeber-Ausgangssignale verlaufen
Bild 4.13: Optischer Inkrementalgeber
sinusförmig in Abhängigkeit des Drehwinkeles cp.Die Basis für die Periodendauer ist aber nichtdie vollständige Umdrehung der Motorwelle, wiebeim elektromechanischen Resolver, sondern dasohnehin schon sehr kleine Winkelinkrement. DieAuswerte-Elektronik des Umrichters zählt die ab-gegebenen Inkremente der Geberspannung, zusätz-lich interpoliert sie aber auch mehrere tausend Zwi-schenwerte für den Drehwinkel aus Augenblicks-werten des abgetasteten Signals.
A u f l ö s u n g [Inform./Umdrehung]
8192 (4096) Schritte x 4096 Zwischenwerte
Bild 4.14: Vergleich Geber-Auflösungen
4.3.2 Indirekte Drehzahlbestimmung
Zur Bestimmung der Motordrehzahl werden neu-erdings die leicht messbaren Klemmengrössen Mo-torspannung und Motorstrom herangezogen. Bild4.15 zeigt das gefilterte Ankerstromsignal eines
1 Umdrehung
I I
- 0 . 1 I I I I 1, I10.0 15.0 20.0 [ m s ] 2510
Bild 4.15: Drehzahlmessung mit KaIman-Filter
Universalmotors. Die 50Hz-Netzfrequenz und de-ren Harmonische wurden mit Hilfe eines Hochpass-Filters vom Mess-Signal getrennt. Der verblei-bende Signalanteil ist durch die magnetischen Leit-wertschwankungen des Ankers als Folge der Nu-tung geprägt. Diese Polfühligkeit ist von der Am-plitude des Stromes abhängig. Bei bekannter An-kernutzahl kann deshalb aus der Nutfrequenz dieDrehzahl des Motors bestimmt werden.
4.4 Best immung der elektrischen Ma-schinenparameter
Das grundsätzliche Vorgehen sei am Beispiel derAsynchronmaschine erklärt.
4.4.1 Leerlaufmessung
Mit Hilfe des Leerlaufversuches können für Asyn-chronmaschinen die wichtigsten Kenngrössen desmagnetischen Kreises und die Verluste bestimmt
25
4 Praktische Messverfahren
werden. Der Leerlaufversuch wird bei Nenn-spannung, Nennfrequenz und Nenndrehzahl durch-geführt. Dabei wird dem Netz bei unbelasteterMaschine der Magnetisierungsstrom und die fürdie Eisen- und Reibungsverluste benötigte elektri-sche Leistung entnommen. Aus der gemessenenLeerlaufspannung U,, dem Leerlaufstrom IO undder Leerlaufleistung PO kann der Leistungsfaktorcos(p,, = P,/(U,&) errechnet werden. Der Ma-gnetisierungsstrom einer Asynchronmaschine wirdnach Ip = IOsin cp rechnerisch ermittelt. GemässBild 4.16 ergeben sich die Eisenverluste VF~ unddie Reibungsverluste VR aus der Differenz Po-V&wobei sich die Kupferverluste VC, aus dem ge-messenen Strangwiderstand Rst und dem Leerlauf-strom Io errechnen lassen.
1 C
Leerlaufspannung U, UN
Bild 4.16: ASM Leerlaufverluste
4.4.2 Kurzschlussmessung
Der Kurzschlussversuch wird bei blockiertem ASMRotor durchgeführt und dient der Bestimmungder Streureaktanzen und der Kurzschlussverluste.Dieser Versuch wird bei reduzierter Spannung ukdurchgeführt, wobei der Dauerkurzschlussstrom Ikauf die Höhe des Nennstromes begrenzt wird.Die Höhe des Kurzschlussstromes nach Bild 4.17hängt ab vom magnetischen Leitwert der Streu-wege. Je grösser die Streureaktanz ist, umso ge-ringere Kurzschlussströme treten auf. Eine weitereMessgrösse ist die dem Netz entnommene Kurz-schlussleistung Pk mit der sich der LeistungsfaktorCOS<pr, = Pk/(u,&) berechnen lässt
Mit diesen Grössen können die Parameter der Er-satzschaltung einer Asynchronmaschine (vgl. Bild5.8) identifiziert werden [13].
Kurzschluss-Spannung Uk Ukmax
Bild 4.17: ASM Kurzschlusskennlinie
4.5 Best immung der thermischen Ma-schinenparameter
Die Erwärmung einer Antriebsmaschine darf zu kei-ner Zeit zu einer Gefährdung der Betriebssicherheitführen. Für die Statorwicklung und für die benach-barten Eisenteile sind dafür bestimmte Grenztem-peraturen vorgeschrieben, die von den verschiede-nen Isolationsklassen, wie im Bild 4.18 gezeigt,abhängen.
Vulkanfiber, Holz, Formaldehyd-Kunstharz
WR bei Klasse Y. iedoch nach dem Embau
I IA 105Oc mit Natur- oder i(unstharzlacken, Schellackusw. getränkt, lackbehandelte Textilien,Drahtlacke auf Olharzbasis
E 120°c Drahtlacke verschiedener Art, Pressteile mitZellulosefiIllstoff. Papierschichtstoffe
B 130°c Glasfaser, Asbest, Glimmerprodukte, Pressteilemit mineralischen Füllstoffen
1 F ,I 155Oc Glasfaser, Asbest, Glimmerprodukte, Draht-lacke auf Imld-Polyesterbasis
hl 180°C Glasfaser, Asbest mit Silikon-Harzenbehandelt, Silikon-Kautschuk I
C über180'C Glimmer. Porzellan, keramische Stoffe, Glas,Quarz
Bild 4.18: Isolationsklassen
Die genaue Kenntnis der maschineninternen Tem-peraturvorgänge ist im Zusammenhang mit derthermischen Grenzleistung von Bedeutung, d.h.um wieviel eine vorgesehene Maschinenleistungheraufgesetzt werden kann bis eine zulässige Gren-zerwärmung erreicht wird. Diese liegt bei mittlerenMaschinen normalerweise weit unterhalb der Kipp-leistung.
26
RAVEL 4.5 Bestimmung der thermischen Maschinenparameter
4.5.1 Messmethoden
Die Messung der Temperaturen an interessieren-den Maschinenteilen geschieht in der Regel mitThermoelementen oder temperaturabhängigen Wi-derständen. Für eine einwandfreie Messung istein guter Wärmekontakt unerlässlich. Dieser kanndurch Verwendung von Wärmeleitpaste verbessertwerden. Meist ist das Hauptaugenmerk auf dieschnellveränderliche Wicklungserwärmung und diedamit gekoppelte Lebensdauerabschätzung gerich-tet. Die Erfassung der Rotorerwärmung, auf dieim nächsten Paragraphen eingegangen wird, stelltdabei eine besondere Herausforderung dar.
Praktischer Temperaturlauf
Vor Beginn des Temperaturlaufes wird die Ma-schine an verschiedenen Stellen mit Thermoele-menten oder temperaturabhängigen Widerständenausgerüstet. Dabei kann die Gehäusetempera-tur bei geschlossenen Maschinen an der Kran-Öse oder anderen geeigneten Schrauben abge-griffen werden. Die Temperatursensoren in denWickelköpfen sollen dagegen möglichst tief ein-geführt werden. Wegen der unterschiedlich ho-hen Verluste der Eisenteile und Wicklungen errei-chen beide die Enderwärmung zu verschiedenenZeiten. Für die automatische Aufzeichnung derMaschinenerwärmung bei unterschiedlichem Last-spiel werden Temperaturschreiber eingesetzt. DerTemperaturlauf ist dann abgeschlossen wenn sichdie Erwärmung der Maschinenkomponenten ge-genüber Raumtemperatur nicht mehr ändert.
Telemetrieanlage
Bild 4.19: Telemetrieanlage
Für die Erfassung der Rotortemperaturen wer-den ebenfalls Thermoelemente oder tempera-turabhängige Widerstände eingesetzt. Die Über-
tragung der Messwerte von den rotierenden Ma-schinenteilen kann mit Schleifringen erfolgen, wasin der Regel jedoch mit erhöhtem mechanischenAufwand verbunden ist. Heutzutage stehen Tele-metrieanlagen zur Verfügung deren Funktionsprin-zip auf elektromagnetischer Strahlung oder einerInfrarot- Übertragungstechnik beruht. In den Bil-dern 4.19 und 4.20 ist die Wirkungsweise einerTelemetrieanlage schematisch dargestellt.
Komponenten der Telemetrie-Anlage
Netzteil U = 5....12VDCI z 40mA (abhäng.: Spannung, Kanalzahl)Option: Spannungsquelle durch HF-Einspeisung
Multiplexer (8 Kanäle maximal)
PT100
Netzteil R Signal -anpassung
spannungs-
AU- Ld
FrequenzWandler
_ -1oOc . . . . . 250°CI
aaerfreawz-Tastung
Kanal 1 (f,) Kanal 2 (f2) Kanal 3 ($)
MA,l MAW /M tt
&nT= konst.1
Bild 4.20: Funktionsprinzip Telemetrieanlage
HF Sender (433A~!Hz), Trägerfrequenz-TastungHF Sendeleistung (= 40mW)Option: Infrarot-Signalübertragung
Empfänger (Ausgangsspannung lOmV/‘C)Frequenz/Spannungs Wandler, MultiplexerKanalaufteilung, Anzeige, PC Interface
Messung des Statorwiderstandes
Der Motor wird kurzzeitig vom Netz getrenntund die Statorwicklung mit einer Widerstands-Messbrücke verbunden. Es wird der zeitliche Ver-lauf des Widerstandes gemessen und durch Ex-trapolation erhält man den temperaturabhängigenWiderstand der Statorwicklung. Nachdem derStrangwiderstand gemessen wurde wird der Motorwieder ans Netz geschaltet. Dieser Vorgang wirdnach einer angemessenen Zeitdauer wiederholt.
5 Erfassung der Motorbelastung RAVEL
5 Erfassung der Motorbelastung
Grundsätzliches:
l Die Energiekosten eines Antriebssystemswerden nach der elektrischen Wirkleis-tungsaufnahme berechnet, die deshalbgenau gemessen werden sollte.
l Ein Mass für die Effizienz der elektro-mechanischen Energiewandlung ist derWirkungsgrad, den man entweder direktoder über die rechnerische Berücksichti-gung der Einzelverluste ermittelt.
l Mechanische Beanspruchungen wie La-gerkräfte und Vibrationen, die durch dieAnsteuerung oder das dynamische Last-verhalten bedingt sind, verkürzen die Le-bensdauer von Antriebsmotoren.
l Um das thermische Speichervermögenvon Antriebsmotoren besser zu nutzen,werden Temperaturen gemessen. Dabeimuss für die Erhöhung des Wirkungsgra-des ein Verlust an Lebensdauer in Kaufgenommen werden.
5.1 Elektrische Beanspruchung
Die Wirkleistungsaufnahme elektrischer Antriebs-systeme muss besonders genau gemessen werden,weil danach nicht nur die Energiekosten bemessenwerden, sondern weil sie auch zu den Garantiedatenelektrischer Maschinen gehört, wonach sich wie-derum die elektrischen Verluste und der Wirkungs-grad richten.
5.1.1 Leistungsmessung
In einem Drehstromsystem mit beliebiger Bela-stung der drei Phasen ist die gesamte Wirklei-stungsaufnahme gleich der Summe der in jederPhase umgesetzten Wirkleistung. Deshalb isteine Leistungsmessung grundsätzlich mit drei Lei-stungsmessern möglich. Dabei fliesst der zur Lei-stung gehörige Strom stets durch den Strompfaddes Leistungsmesser während die zugehörige Span-nung am Spannungspfad des Wattmeters liegt.
Zwei-Wattmeter Leistungsmessung
Betrachtet man ein Drehstrom-Dreileitersystem alsStromversorgung mit zwei Leitern und einen ge-meinsamen Rückleiter, so reichen zwei Wattme-ter aus um den Zeitwert der gesamten Drehstrom-Wirkleistung anzuzeigen (Aronschaltung). Bei
symmetrischer Last gilt das Zeiger-Diagramm desBildes 5.1. Das trifft auch für unsymmetrische Be-lastung zu. Dabei können pl und F$ auch negativeWerte annehmen.
IJ1 = Ulcos(cp + 30°) P2 = Ulcos(cp - 30°)
Pl + P2 = P = J3uIcoscp
Zusätzlich lässt sich aus der Differenz der beidenWattmeter-Anzeigen die Blindleistung und damitder Phasenwinkel ermitteln.
Q = &(P, - pl)
Qtancp = F = 1/3
p2 -pl
9 + p2
b)u2A21 22
U3ut 23
1 3
Bild 5.1: Zwei-Wattmeter Leistungsmessung
Bei veränderlichem Phasenwinkel cp aber konstan-ter Scheinleistung S = &lJI kann darüberhinausbei symmetrischer Last die Energierichtung eindeu-tig bestimmt werden.
28
%RAVEL 5.1 Elektrische Beanspruchung
Moderne Leistungsmessgeräte 5.1.2 Wirkungsgradbestimmung
Breitbandige Leistungs-Analyse-Geräte werden alsEinphasen- und Dreiphasen Spannungs-, Strom-und Leistungsmesser angeboten [14], [15]. Op-timale Messgenauigkeit über einen grossen Fre-quenzbereich (1Hz...500kHz), auch bei extremenKurvenformen, wird durch abtastende Messver-fahren und digitale Berechnung der gewünsch-ten Grössen aus den Strom- und Spannungs-Momentanwerten sichergestellt. Zur Minimierungder Winkelfehler und zur Gleichtaktunterdrückungüber den gesamten Frequenzbereich erfolgt dieStrommessung über Breitband-Shunts mit pro-grammierbaren Shunt-Faktoren.
In der elektrischen Antriebstechnik versteht manunter dem Wirkungsgrad das Verhältnis der nutz-baren, abgegebenen Leistung Pah zur insgesamtzugeführten Leistung P,, gemäss 7 = P,b/P,,.Die verschiedenen Verfahren den Wirkungsgrad zubestimmen, können dabei grundsätzlich den zweinachfolgenden Gruppen zugeordnet werden.
1. Direkte Wirkungsgradbestimmung
Bei diesem Verfahren wird der Wirkungsgrad q vonAntriebsmotoren aus der gemessenen, abgegebe-nen mechanischen Leistung P& und der gernesse-nen zugeführten elektrischen Leistung P,, direktbestimmt. Die Messgrössen zur Ermittlung der me-chanischen Leistung sind dabei das Drehmoment&r und die Drehzahl n und auf der Seite des spei-senden Netzes, die zugeführte elektrische Gesamt-leistung P,,. Bei der Bestimmung der Messgrössenfür die elektrische Spannung, Strom, Leistung,Drehzahl und Drehmoment liegen die Messfehlermeist zwischen 0.2% . . . . 0.5% wobei sich der to-tale Messfehler aus der Summe der Einzelfehler er-gibt. Damit kann die Genauigkeit des Verfahrensauf höchstens 1% abgeschätzt werden. Die Me-thode der direkten Wirkungsgradbestimmung wirdmeist bei kleinen Maschinen mit erwartungsgemässschlechtem Wirkungsgrad eingesetzt.
Aus
0
l
Abtastwerten (bis 12 Kanäle) können
Spitzen-, Mittel-, Effektiv- u. Gleichrichtwert
Wirk-, Blind- und Scheinleistung, Leistungs-faktor, Phasenwinkel
Wirk-, Blind- und Scheinwiderstand
Effektiv- und Gleichrichtwerte verketteterSpannungen (mehrere Kanäle)
Zeit-Messwertsummierung (Wh, Ah, etc.)
(+,-,*,/) Verknüpfungen beliebiger Grössen
berechnet werden, die nach entsprechender Mittel-wertbildung über optische Anzeigen oder Druckerausgegeben werden können. Häufig werden weitereOptionen wie
Effektivwerte der verketteten Spannungen imDrehstromnetz und der Grundwellenanteilevon Strom, Spannung und Wirkleistung in dendrei Phasen
Klirrfaktoren von Spannungen und Strömen
Oberwellenanalyse bis zur 50. Harmonischen
Leistungskorrektur für kornorientierte Bleche
angeboten. Leistungsfähige Geräte verfügen heuteüber graphikfähige Benutzeroberflächen und sinddeshalb mittels Bildschirm-Menüsteuerung einfachzu bedienen. Der vielfältige Einsatz ist durchAnalog/Digital- Ausgänge, eingebaute Drucker-und Datenspeicher-Module und anderen komforta-blen Ein- und Ausgabehilfen gewährleistet.
2. Indirekte Wirkungsgradbestimmung
Bei der indirekten Wirkungsgradbestimmung ist dierechnerische Ermittlung der Einzelverluste von be-sonderer Bedeutung. Die Einzelverluste werden un-terschieden in
0 Leerlaufverluste PL~- Eisenverluste
(Ummagnetisierung, Wirbelströme)- Reibung (Lager- und Luftreibung)
i Erregerverluste PI+.- Stromwärmeverluste der Erregerwicklung
0 Lastverluste PL~- Stromwärmeverluste durch Lastströme
0 Zusatzverluste Pzu- Strom- oder spannungsabhängige Verluste
durch Maschinenkonstruktionsteile
29
5 Erfassung der Motorbelastung RAVEL
Bei der Ermittlung dieser Verluste geht man da-von aus, dass im Leerlauf ausser den meist sehrgeringen Stromwärmeverlusten durch den Leerlauf-strom keine Lastverluste vorliegen. Dagegen sindim Kurzschlussversuch nur die Last- und’ die Zu-satzverluste zu berücksichtigen. Der Wirkungsgradkann somit gemäss der Zusammenhänge
Pab
’ = Pah + (PL~ + PET + PLa + PZU)
oder
rl=p,, - (PLe + PET + ha + pZu>
Pzu
rechnerisch bestimmt werden. Die Genauigkeit die-ses Verfahrens ist wesentlich höher als bei den di-rekten Verfahren, da die Unsicherheit und Unge-nauigkeit bei der Bestimmung der Verluste nar alsSekundär-Fehler, in Erscheinung tritt.
0
/ Nennleistung
I 1 I I I I I IAbgegebene Leistung Pah
Bild 5.2: Wirkungsgrad-Kennlinie
Wie im Bild 5.2 gezeigt, werden die zu den einzel-nen Lastpunkten ermittelten Wirkungsgrade nor-malerweise über der abgegebenen Leistung darge-stellt.
5.1.3 Oberschwingungsanalyse
Für die Oberschwingungsanalyse umrichtergespeis-ter Antriebssysteme stehen heute Messgeräte undumfangreiche Software von verschiedenen Firmenzur Verfügung [16] welche Spannungen und/oderStröme verarbeiten.
Als Beispiel einer Oberwellenanalyse werden hierTest-Ergebnisse [17] für einen umrichterbetriebe-nen Asynchronmotor angegeben der über einen
3 /450kVA Netz-Transformator betrieben wird unddessen Oberschwingungsverhalten bei Nennlast mitund ohne Netzdrossel untersucht wurde. Bild 5.3zeigt die Ergebnisse im Vergleich zu den nach SEVNorm 3600 vorgegebenen Werten.
l? 3.5
2g
3.0
2Q
2.5
= 2.00-O 1.5be
- SEV Norm 3600
1.0
0.5
0.02 3 4 5 6 7 6 9 10 11121314 1516 171619 20
Oberschwingung
Bild 5.3: Netztrafo Oberschwingungsanalyse
Die Testergebnisse zeigen, dass für diese An-wendung bei genügend grosser Scheinleistung desNetztransformators, die nach Norm zulässigenHöchstwerte der Oberschwingungs-Spannungen[18] massiv unterschritten werden.
Eine Netzdrossel ist immer dann notwendig, wenndas Verhältniss Netzscheinleistung zu Scheinlei-stung des Frequenzumrichters kleiner als 1:10 ist.Es ist jedoch empfehlenswert immer eine Netzdros-sel einzusetzen um die Zwischenkreiskondensato-ren vor schnellen Änderungen der Netzspannungzu schützen.
5.2 Mechanische Beanspruchung
Auf die Lebensdauer elektrischer Maschinen wir-ken sich besonders die nachfolgend aufgeführtenBetriebs- und Umgebungsbedingungen aus
l Belastungsspiele, Schalthäufigkeit
l Drehzahländerungen, Reversiervorgänge
l Wellenbelastung (axial und radial)
l Thermische Überlastung, Temperaturspiele
l Verschmutzung, Feuchtigkeit, Erschütterung
30
RAVEL 5.2 Mechanische Beanspruchung
die haupsächlich die folgenden mechanischen Be-anspruchungen bewirken:
Lagerbeanspruchung
Die weitaus meisten Ausfälle elektrischer Maschi-nen sind auf Lagerschäden zurückzuführen. Füreinen gesicherten Betrieb ist deshalb eine Lager-schadenfrüherkennung wünschenswert.
Vibrationen und Geräusche
Im Zuge von Umweltschutzmassnahmen kommtder Lärmkontrolle eine immer bedeutendere Rollezu. Lärmschutzmassnahmen werden gefordert, umAntriebsanwender vor all zu hohen Lärmemissio-nen zu schützen. Für Maschinenhersteller bedeutetdas, die Lärmquellen ihrer Antriebsmaschinen zuidentifizieren und geeignete Massnahmen zu ergrei-fen, diese zu eliminieren. Die für Maschinenlärm
verantwortlichen Vibrationen können zu einemGrossteil reduziert werden wenn verhindert wird,dass die während des Betriebes produzierten Kräftenicht zu Resonanzeffekten führen. Die Laufei-genschaft und die damit verbundene Geräuschent-wicklung verschlechtert sich drastisch, wenn eineMaschinen-Eigenfrequenz mit der erregenden Fre-quenz nahezu übereinstimmt. Für Maschinenher-steller ist deshalb die genaue Kenntnis der in An-triebsmaschinen wirkenden Kräfte und das mögli-che Resonanzverhalten von sehr grosser Bedeu-tung. Die Übersicht des Bildes 5.4 zeigt typischeLärmquellen elektrischer Maschinen und deren Ent-stehungsursache [19].
Schlechtes Auswuchten des Rotors, magnetischeUnsymmetrien oder auch schnelle Lastwechselkönnen zu unerwünschten Vibrationen und da-mit zu einem gestörten Laufverhalten einer An-triebsmaschine führen. Die objektive Anzeige. vonSchwingungen kann mit Vibrographen oder Tast-sctiwingschreibern erfolgen.
KategorieVentilation elektro-
Breitband Sirene Heulen magnetischmechanisch
rotierende Relativ- Resonanz- durch Eisen Rotor nichtMotorteile bewegung anregung bedingte ausgewuchte
in Luft zwischen inWie der rotierenden Hohlräumen
magnetischeFluss-
Lärm Luftwirbel und PulsationenLager-
gerauscheentsteht? stationären
Motorteilennicht-
periodische periodische periodischeÄnderung Anderung Anderung
des des desLuftdruckes Luftdruckes Luftdruckes
Lärmart Geräusch reine Töne reine Töne reine Töne reine Töne
‘requenzdrehzahl- d r e h z a h l - Nutzahl drehzahl-abhängig abhängig Netzfrequenz abhängig
Drehzaht
Bild 5.4: Entstehung von Maschinengeräuschen
31
5 Erfassung der Motorbelastung
5.3 Thermische Beanspruchung
Thermische Überbeanspruchung von Antriebsmo-toren wird meist durch rechtzeitiges Abschaltenvermieden bevor kritische Motorbauteile, wie zumBeispiel die Statorwicklung, unzulässig hohe Tem-peraturen erreichen. Die vorgegebenen Grenztem-peraturen sind für verschiedene Motorkomponen-ten unterschiedlich hoch und liegen je nach Isolati-onsklasse in der Regel zwischen 100°C und 200°C.
Für den Normalbetrieb ist die kurzzeitige Über-lastung der Isolation durch schnelle Erwärmungs-vorgänge, wie zum Beispiel während des Anlau-fes von Asynchronmotoren, von Bedeutung. In-nerhalb gewisser Grenzen erlauben Motorherstel-ler solche Übertemperaturen die jedoch auf Kostender Wicklungs-Lebensdauer gehen. Diesem Aspektsollte bei der Projektierung von Antrieben die glei-che Priorität zukommen wie zum Beispiel Ausle-gungskriterien im Zusammenhang mit der Bestim-mung der Nennlast.
Ob jedoch das durch den Maschinentyp vor-gegebene thermische Speichervermögen, beson-ders bei den höheren Betriebsarten, voll aus-genutzt wird bleibt heute in der Praxis meistnur einer Abschätzung, bestenfalls einer gro-ben Überschlagsrechnung vorbehalten. Die op-timale Ausnutzung des vorhandenen Wärme-Speichervermögens von Antriebsmaschinen bis zu.den erlaubten thermischen Grenzwerten führt zueiner besseren Maschinen-Ausnutzung und unterUmständen zu einer Erhöhung des Wirkungsgra-des, was durch die Anwendung geeigneter thermi-scher Modelle simuliert werden kann. Dafür ist eineauf Messresultate gestützte Identifizierung relevan-ter Modellparameter vorzunehmen.
5.3.1 Thermische Ersatzbilder
Eine elektrische Maschine hat mehrere Wärme-quellen. Deren Wärmeströme können sich aufverschiedene Wege aufteilen und dabei auchnoch gekopp.elt sein, wodurch ein vermaschtesWärmequellen-Netz entsteht. Je mehr Stützstellenein Wärmequellen-Netz aufweist, umso höher istder Aufwand diese zunächst unbekannten Knoten-Temperaturen zu berechnen. Für die meisten An-
wendungsfälle genügt ein Zwei-Körpermodell (Sta-tor, Rotor). Bessere Simulationsergebnisse lie-fert ein Drei-Körper Modell (Stator, Statorwick-lung, Rotor) mit dem bereits ein gute Üereinstim-mung von simulierten und gemessenen Tempera-turverläufen, auch für die höheren Betriebsarten,erzielt werden kann.
Wärmewiderstände
Die Berechnung der Erwärmung elektrischer Ma-schinen erfolgt in Analogie zum elektrischenStrömungsfeld und wird meist für die NennleistungPN der elektrischen Maschine durchgeführt. Ent-sprechend der Definition des ohmsehen Widerstan-des im elektrischen Strömungsfeld kann man einenthermischen Widerstand
&h =Temperaturdifferenz
Verlustleistung= ,Ati/P,
definieren. Bei Wärmeleitung innerhalb einesQuerschnittes Q der Länge 1 und der Wärme-leitfähigkeit pth berechnet sich der thermische Wi-derstand zu
1Rth = -
QPth
Für die Wärmeabgabe über eine Oberfläche 0 kannder thermische Widerstand
1Rth = -
Oath
mit der Wärmeübergangszahl oth[W/(m*K)] an-gegeben werden.
Wärmekapazitäten
Die elektrischen Verluste P, und somit die Wärme-quellen entstehen in der Maschine räumlich ver-teilt und unterliegen je nach Betriebszustand einerdynamischen Änderung. Die in den verschiedenenMotorkomponenten gespeicherte Wärmeenergie istden jeweiligen Wärmekapazitäten
cth =Wärmemenge Q
Temperaturdifferenz = Ä8
und der Temperaturänderung A6 proportional.Die nach aussen abgeführte Wärmemenge ist eineFunktion der Wärmeabgabefähigkeit X und der
32
RAVEL 5.3 Thermische Beanspruchung
fl(t)& ___-__$-----------_
/’ I,/’ I
i_
,’ I
-l9* 1 ?qt) = & + (zg,T9&+mit r=C/h und A&=P,
7 t
Bild 5.5: Temperatursimulation
Temperatur 19 des Körpers, so dass nach dem Ener-giesatz der Zusammenhang des Bildes 5.5 herge-stellt werden kann. Die Zeitkonstante eines MotorsT, die durch seine Wärmekapazität und Wärmeab-gabefähigkeit bedingt ist, hängt von der Konstruk-tion und den Kühlungsverhältnissen ab.
5.3.2 Identifizierung thermischer Parameter
Eine Methode der thermischen Parameteridentifi-zierung soll hier an einem bewusst einfach gewähl-ten Modell erläutert werden. Zum Beispiel kanndem Rotor einer Asynchronmaschine das thermi-sche Modell des Bildes 5.6,Wärmeleitwert AR und einerzugeordnet werden.
ASM Rotor
bestehend aus einemWärmekapazität CR,
\V_R
$u = Umgebungs-temperatur
‘i& hR q CR
Bild 5.6: Thermisches Rotormodell
Mit den im Rotor erzeugten elektrischen VerlustenVR kann damit, bei Betrachtung der über ein Zei-tintervall tl 5 t 5 t2 integrierten thermischenVorgänge, die Beziehung
c [fl(t2) - fl(h)] + x s”’ 19dt = s”’ VRdtt1 t1
abgeleitet werden, in der die Integrale messbare pv2 = S(Pl - PVl - Pv3)
Grössen darstellen. Die unbekannten Parameter k2u = Zusatzverluste durch Flusspulsation
AR und CR können bei einer dynamischen Rech-nung, durch Anwendung dieser Betrachtung, auszwei verschiedenen Zeitintervallen bestimmt wer-den. Die andere Möglichkeit der statischen Rech-nung geht von der Annahme dti/dt = 0 aus.
Das im Bild 5.7 gezeigte reduzierte Wärmequel-lennetz, ein sogenanntes Dreikörper-Temperatur-Simulationsmodell [20], garantiert bei richtiger-Wahl der Modellparameter Temperaturverläufe,die innerhalb sehr hoher Genauigkeitsanforderun-gen liegen.
Ständer-wicklung Läufer
Bild 5.7: Dreikörper-Temperaturmodell
Generell muss das für die Simulation der Asyn-chronmaschine verwendete elektrische Ersatz-schaltbild Bild 5.8 die in Wärme umgesetzten Ver-lustleistungen der am Netz betriebenen Maschinedem Temperaturmodell des Bildes 5.7 möglichstgenau als Eingangsgrössen zur Verfügung stellen.
Für die Berechnung der Verlustleistungen werdenzunächst die benötigten Grössen Hauptfeldspan-nung uh und Läuferstrom 1; bestimmt. Ausdem elektrischen ASM-Ersatzbild können dann dieStromwärmeverluste der Ständerwicklung Pvl undder Läuferwicklung Pv2 sowie die Ummagnetisie-rungsverluste für das Hauptfeld ermittelt werden.
Die Verlustleistungen werden mit Hilfe der Bezie-hungen
PVl = RI(Ii + 1; + I$)
uh = Spannung die das Hauptfeld erzeugt
pv3 = 3 i&Ij+(@) - k2,lJu;
IF~(U~) = Abhängigkeit der Eisenverluste
33
5 Erfassung der Motorbelastung RAVEL
berechnet, wobei 4 der an den Klemmen einge-speisten Leistung entspricht. Danach werden dieseaufgrund der Zusammenhänge
Vi = PVl
mit
v2 = Pv2 + Icauu;
v3 = 3UhIFe + k31If - k2i&$
k3I = Faktor für stromabhängige
Zusatzverluste
dem Differentialgleichungssystem des Temperatur-Simulationsmodelles [X] . [t9] = [V] mit
[
x -Al2 -h3 -h0
11
fl1
192K
-x20 JG -x23 -x20 . 1 [ 1
XI v2
-Al3 -x23 Xi -x30G3
&Jv3
XT = xlo+x12+x13+cld
und x; = ~20+~12+h3+c2-
G
;= A30+&2+h3+C3dj:
zur Berechnung der Maschinentemperaturen 81, 82u.nd 03 zugeführt.
Als Beispiel werden gemessene und die mit demDreikörper-Modell berechneten Temperaturwerteeines 1 0 k W Induktionsmotors gegenübergestellt.Die fast identischen Temperaturverläufe des Bil-des 5.9 beweisen die hohe Güte des verwendetenModelles für die praktische Berechnung von Mo-tortemperaturen.
Bild 5.9: Gemessene (. . . . ..) und berechnete
( ) Temperaturverläufe
Bild 5.8: Verlustleistungs-Simulationsmodell
34
RAVEL
6 Modellgestützte Messtechnik
Grundsätzliches:
In den Konstruktionsprozess von An-triebssystemen werden immer mehr Er-gebnisse der modellgestützten Mess-technik einbezogen.
Die Parameteridentifikation von An-triebsmodellen dient der Vorausberech-nung des dynamischen Verhaltens undder Bestimmung der durch Messung we-niger leicht zugänglichen Kenngrössen.
Betriebsprobleme und Motorfehler wer-den mit einem lernenden Diagnose-system zuverlässig erkannt. Dabei steigtdie Fähigkeit der Schadensfrüherkennungproportional mit der Erweiterung derSystem Knowledge-base an.
Die Einbindung der Antriebssimulation [21], [22] inden Entwicklungs- und Konstruktionsprozess hängtentscheidend von der modellgestützten Antriebs-Messtechnik ab und wird immer häufiger zu ei-ner zwingenden Voraussetzung bei der Antriebspla-nung. Bild 6.1 zeigt das generelle Vorgehen beider Antriebsrealisierung. Dabei werden sowohl diean definierten Orten durchgeführten Messungen alsauch Antriebs-Erfahrungswerte berücksichtigt. Solassen sich z.B. bereits in der Planungs- und Kon-zeptphase mit Hilfe der Antriebssimulation relativpräzise Angaben über die zeitabhängigen Vorgängemachen.
Mit dem Problem, wie man aus leicht messba-ren Grössen wie Betriebsstrom oder Klemmenspan-nung eines Antriebsaggregates zusätzliche Informa-tionen, z.B. über mechanische Systemparameter
Planung
Problemstellung/Pflichtenheft
I
Entwurf und Detaillierung
Hilfsmittel(konstruktionskataloge)
CAD System
L-
tVORDIMENSIONIERUNG
- Auslegung von MaschinenelementenEigenfrequenzen und Schwingungsformenev. Simulation (Näherung)
+ 4
MODELLABSTIMMUNG
I3 I I I
experimentelleUntersuchungen anMaschinen, Anlagenund Prüfständen
(Erfahrungswerte)
1 II
Generierung des umfassendenSimulationsmodellesBerücksichtigung von Effekten
I
_ ) e i n z e l n e Simulations-rechnungen
H__pAbänderung einzelner Effekte 1
lJ
Bild 6.1: Antriebsentwicklungsprozess
IlII
__l
35
6 Modellgestützte Messtechnik RAVEL
gewinnen kann, befasste man sich schon voretwa zehn Jahren. Das erstrebenswerte Ziel wardie Realisierung eines kostengünstigen Prüf- oderDiagnose-Systems für elektrische Antriebe, z.B.zur Sicherung der Qualität von Kleinmotoren amEnde eines Massen-Fertigungsvorganges. Dabeihoffte man, auf herkömmliche Hilfsmittel wie Be-lastungsmaschine, Drehzahl- und Drehmoment-Messeinrichtung verzichten zu können. Prüfsys-teme dieser Art sind heute schon realisiert, nichtzuletzt wegen erhöhter Rechnerleistungen und dervielfältigen Möglichkeiten moderner Techniken inder Datenverarbeitung.
Die Lösung dieses Messproblems wurde unter Ein-beziehung des Wissens über die einzelnen Antriebs-maschinen in Form von mathematischen Model-len gefunden. Der Anwendungsbereich ist jedochnoch auf Antriebe mit besonders hohem Sicher-heitsrisiko oder hohen Zuverlässigkeitsforderungenbeschränkt.
6.1 Parameteridentifikation
Das Verfahren der modellgestützten Parameter-identifizierung besteht darin, Koeffizienten einesgeeigneten, von der Struktur des Prüflings abhängi-gen, mathematischen Modells so zu bestimmen,dass bei gleicher Eingangsanregung die Modellaus-gangsgrösse möglichst gut mit der Prüflingsaus-gangsgrösse übereinstimmt. Diese Modellparame-teranpassung ist in Bild 6.2 verdeutlicht und ba-siert auf der Differenz der Ausgangsgrössen vonPrüfling und Modell.
Anregung Messgrössen-2 Prüfling SQ
-=D Modell
Bild 6.2: Prozessmodell-Parameteranpassung
Die Modellkoeffizienten haben dabei einen direk-ten Bezug auf die physikalischen Parameter des
Prüflings, wie z.B. Reibmoment, Wicklungswider-stand oder magnetischer Fluss. Das Ziel die-ses Verfahrens ist es, diese durch Messung weni-ger leicht zugänglichen Grössen auf rechnerischemWege zu ermitteln. Bis auf die wenigen direktbenötigten Messwerte, z.B. Strom und Spannungan den Anschlussklemmen werden die übrigen Pa-rameter indirekt über das mathematische Modellidentifiziert. Zum Beispiel lässt sich das Betriebs-verhalten eines Universalmotors mit Hilfe der Glei-chungen
und den 5 Modellparametern
R = elektrischer Widerstand\Ir = magnetischer FlussR = WinkelgeschwindigkeitJ = Trägheitsmoment
A4!r = Reibmoment
mathematisch formulieren. Linearisiert man dienichtlineare Magnetisierungskennlinie u(i) im Ar-beitspunkt für einen definierten Motorstrom, sokönnen die übrigen Modellparameter aus elektri-schen Messwerten identifiziert werden. Die An-passung der Modellparameter geschieht im Sinneder kleinsten Fehlerquadrate nach Gauss. Bei Be-schleunigungsvorgängen stellt das Testobjekt durchseine Massenträgheit eine dynamische Last dar, sodass sämtliche im normalen Betrieb vorkommendenBetriebspunkte durchlaufen werden können.
Es existiert natürlich eine Vielzahl von Modell-ansätzen, die jedoch alle nur ein Ziel verfolgen,nämlich zusätzliche Informationen über die innerenZusammenhänge eines Prozesses zu gewinnen.
6.2 Signalanalyse
Die Analyse von gemessenen Signalen dient demZweck, Merkmale zu gewinnen, mit denen sichPrüflingseigenschaften beschreiben lassen [23].Besonders kritische Motorfehler, wie Wicklungs-schlüsse, erhöhte Reibungsverluste, Bürstenfeuer,Vibrationen, Geräusche oder unzureichende Dreh-momentproduktion sollen dabei zuverlässig erkanntwerden. Auf Körperschallsignale angewendet sol-len damit z.B. die mechanischen Fehler lokalisiert
36
RAVEL 6.4 Lernendes Diagnose-System
werden die zu einem charakteristischen Schwing-verhalten führen. Die Analyse des Stromsignalesgibt zum Beispiel Hinweise auf elektrische Feh-ler, wie das Kommutierungsverhalten einer Gleich-strommaschine. Wie im Kapitel 4.3 gezeigt, kannmit hoher Genauigkeit aus dem gemessenen Strom-signal auch die Motordrehzahl ermittelt werden.
6.3 Geräuschanalyse
Konventionelle Motorprüfstände verfügen oft nichtüber ein System zur Geräuschmessung. Bei Be-darf wird dann meist nur mit einer Pegelmessein-richtung gearbeitet. Oftmals jedoch ist der Um-gebungslärm dabei so hoch, dass eine Prüfung be-sondere Massnahmen erfordert, wie z.B schalltoteKammern. Für den Anwender ist es jedoch we-niger interessant welche störenden Geräusche einPrüfling auf einem Prüfstand produziert, sondernvielmehr welche Geräusche er im eingebauten Zu-stand (z.B. als Lüfter) erzeugt.
bI.-E0 0.5Z
0.0
Motor schlecht
Motor gut
I
LALLl *s!o 3510,
Bild 6.3: Motor Körperschallsignale
Das Geräuschbild des Prüflings wird mit zuvor ge-messenen Fehlerbildern verglichen und beurteilt.Bild 6.3 zeigt Körperschallsignale eines guten Mo-tors und eines Motors mit ‘Kommutator-Rattern’.
Mit speziellen, nichtlinearen Filtern für die Am-plitudenmodulation wird die Tonmodulation starkhervorgehoben, so dass die Fehlererkennung beson-ders einfach wird.
6.4 Lernendes Diagnose-System
Bei der Qualitätsprüfung von Elektromotoren wer-den elektrische und akustische Signale des laufen-den Motors analysiert. Dabei ermittelt das Systemim Falle eines schadhaften Motors
l die Fehlerart,
l den Fehlerort und
l die Fehlerursache
womit das Prüfsystem zu einer komplettenDiagnose-Einrichtung [24] wird. Es wird einVergleich mit vorher durchgeführten Trainigsmes-sungen geeigneter Referenzmotoren unternommen.Zur Lösung dieser Aufgabe eignen sich klassischeMustererkennungsverfahren, insbesondere die sta-tistische und die geometrische Klassifikation.
Lernbetrieb 1 , Prüfbetrieb
Bild 6.4: Lernendes Motor Diagnose-System
Die statistische Klassifikation nutzt die Vertei-lungsdichte der Referenzklassen, um ein vorliegen-des Muster der Klasse mit grösster Wahrschein-lichkeit zuzuordnen. Die geometrische Klassifika-tion beruht auf einem Vergleich der geometrischenAnordnung von Merkmalsmustern im sogenanntenMerkmalsraum. Neuerdings werden auch neuro-nale Netze zur Lösung dieser Mustererkennungs-aufgaben angewendet.
37
7 Einsatzprobleme stromrichtergespeister Antriebe RAVEL
7 Einsatzprobleme stromrichtergespeister Antriebe
Grundsätzliches:
l Der ständig wachsende Einsatz von Fre-quenzumrichtern verlangt die genaueKenntnis der verschiedenen Umrichter-schaltungen, deren Anwendungsmöglich-keiten und Einflüsse auf die Motoren unddas speisende Netz.
l Der stromrichtergespeiste Asynchronmo-tor wird durch zusätzliche Schaltbean-spruchungen belastet. Dabei tretenfrequenzabhängige Zusatzverluste unddrehzahlabhängige Geräusche auf.
l Zusätzliche Verluste und Netzbelastun-gen können durch den gezielten Einsatzvon Filtern und Saugkreisen reduziertwerden.
7.1 Anwendungsbereichestromrichtergespeister Antriebe
Drehzahlveränderbare, stromrichtergespeiste An-t r i e b e [25], [26] werden heute in allen Berei-chen der Industrie, in der Kraftwerkstechnik undin Transport- und Verkehrssystemen eingesetzt.Der Leistungsbereich geht dabei von einigen mWbei Uhren bis zu einigen lOA4W bei Pumpenund Kompressoren. Der Drehzahlbereich erstrecktsich von einigen Umdrehungen bei Walzwerk-Hauptantrieben bis zu einigen 100’OOOmin-l beiUltrazentrifugen.
Bei einer direkten Speisung des Motors aus demDrehstromnetz ist nur eine stufige Anpassung derDrehzahl an den Arbeitsprozess möglich.
Ein drehzahlveränderbarer Antrieb erlaubt eine op-timale Anpassung der Antriebsdrehzahlen an dieErfordernisse der Arbeitsmaschine. So können Pro-dukte wirtschaftlich erzeugt werden, wie z.B. beider Zerspanung in Werkzeugmaschinen. Der An-triebsprozess kann energiesparend betrieben wer-den, wie z.B. bei der Anpassung der Drehzahl einerPumpe oder eines Ventilators an die Bedürfnissedes Prozesses, Getriebe zwischen Antrieb und Ar-beitsmaschine können entfallen.
Durch die Möglichkeit, die Drehzahlen und die An-triebsmomente den Belastungsänderungen anpas-sen und Schwankungen der Netzspannung ausglei-chen zu können, wird eine hohe Qualität des Pro-zesses erreicht.
Antreiben und Bremsen bei wechselnden Drehrich-tungen, d.h. Vierquadrantenbetrieb, ermöglichteine effiziente Ausnützung der Energie und dieRückführung der in den rotierenden Massen ge-speicherten Energie beim Bremsen ins elektrischeNetz.
Grundsätzlich können Motoren in Gruppen odereinzeln gespeist werden. Bei der Einzelspeisungist es möglich, mit Hilfe der Stromrichtertechnikden exakten Gleichlauf bezüglich der Drehzahl undder Winkellage zwischen verschiedenen Antriebenzu erreichen.
Die Besonderheiten drehzahlveränderbarer An-triebe stellen aber auch sehr vielfältige Anforde-rungen an die Antriebstechnik:
Die Belastung und Beanspruchung des Motorsdurch den Stromrichter muss minimiert werden.Der Stromrichter darf nicht zu Drehmoment-Pulsationen und zu einer Vergrösserung des Motor-geräusches führen. Die Belastung des Netzes durchdie Blindleistung und durch die Oberschwingun-gen des Stromrichters muss möglichst klein sein.Stromrichterspeisungen müssen eine hohe elektro-magnetische Verträglichkeit aufweisen, damit siesich nicht gegenseitig stören oder andere elektro-nische Einrichtungen beeinflussen.
Im folgenden wird der Begriff “Stromrichter” alsÜberbegriff für die Gleich-, Wechsel- und Umrich-tung verwendet. Gleichrichter erzeugen aus Wech-selspannungen eine Gleichspannung. Wechselrich-ter wandeln eine Gleichspannung in Wechselspan-nungen um. Umrichter setzen ein Wechselspan-nungssystem mit einer Frequenz fl und einer Pha-senzahl ml in ein Wechselspannungssystem miteiner Frequenz f2 und einer Phasenzahl m2 um.Gleich- oder Wechselstromsteller verändern nur dieAusgangspannung.
38
RAVEL 7.2 Elemente und Schaltungen der Stromrichterantriebstechnik
7 . 2 E l e m e n t e u n d S c h a l t u n g e n d e rStromrichterantriebstechnik
Elektrische Maschinen für Stromrichteran-triebe
Für drehzahlveränderbare Antriebe werdenGleichstrom-, Drehfeld- und Reluktanz-Maschineneingesetzt. Im einzelnen:
Fremderregte Gleichstrommaschinen mit Lei-stungen bis zu 2000 kW,
Dauermagneterregte Gleichstrommaschinen mitLeistungen bis zu 100 kW,
Drehstrom-Asynchronmaschinen mit Käfigläu-fern mit Leistungen bis zu 20 MW,
Drehstrom-Asynchronmaschinen mit Schleif-ringläufern mit Leistungen bis zu 12 MW,
Drehstrom-Synchronmaschinen mit Erregungüber externe Stromrichter oder rotierendeGleichrichter mit Leistungen bis zu 80 MW,
Dauermagneterregte Drehstrom-Synchronma-schinen von Leistungen bis zu 100 kW, mit Ro-torlagegeber: Elektronikmotoren, “Brushless-DC-Motoren”
Drehstrom-Synchronmaschinen mit Reluktanz-rotoren und Anlaufkäfigen mit Leistungen bis zu10 kW,
Reluktanzmaschinen, mit und ohne Dauerma-gneterregung, mit Leistungen bis zu 1 kW, ohneRotorlagegeber: Schrittmotoren, mit Rotorlage-geber: “Switched-Reluctance”-Motoren, “Ma-gnetmotoren”.
Damit lassen sich im Prinzip alle Aufgaben derAntriebstechnik lösen. Dabei stellt sich aber beider Stromrichterspeisung gegenüber dem Betrieban einem Gleich- oder Drehstromnetz mit konstan-ten, idealen Spannungs- und Stromverhältnissen,ein verändertes Betriebsverhalten ein.
Betriebsverhalten, Regelung
Beim Betrieb der Maschinen mit Stromrichterspei-sung [27] ist zu unterscheiden zwischen dem ge-stellten und dem geregelten Betrieb.
Im gestellten Betrieb zeigt der Antrieb seininhärentes Verhalten, welches bei den Gleichstrom-
und Asynchronmaschinen als Nebenschlussverhal-ten gekennzeichnet wird. Dabei geht die Drehzahlbei einer Belastung abhängig von der Steigung derDrehmoment-Drehzahlkennlinie zurück. Das Kipp-moment wird durch die Spannungs- / Frequenzver-hältnisse, bzw. durch die Begrenzung des Maschi-nenstromes bestimmt (vgl. Bild 7.1).
Im geregelten Betrieb wird dagegen die Drehzahldurch die Regelung in einem grossen Bereich kon-stant gehalten bzw. den Sollwerten angepasst, dieStrombelastung, bzw. das Drehmoment des Mo-tors wird überwacht, so dass der Motor auch beimHochfahren nicht überlastet werden kann.
Für den Schutz des Antriebs ist eine Strom- undSpannungserfassung erforderlich. Die Regelungbenötigt, abhängig von der Aufgabenstellung eineDrehzahl- und Lagemessung. Nur der Elektro-nikmotor, die vektorgeregelte Asynchronmaschineund der Reluktanzmotor haben eine eingebaute Ro-torlageerfassung zur lagegerechten Einprägung derStatorströme durch den Stromrichter.
Der Drehzahlbereich eines Antriebs wird im Falleder Gleichstrommaschine durch die maximaleSpannung und im Falle der Drehfeldmaschinendurch die maximale Frequenz festgelegt.
Durch Feldschwächung, d.h. durch eine Vermin-derung des magnetischen Flusses in der Ma-schine, welche bei der Gleichstrommaschine durcheine Verminderung des Erregerstromes und beiden Drehfeldmaschinen durch eine Vergrösserungder Speisefrequenz bei konstanter Maschinenspan-nung hervorgerufen wird, kann der Drehzahlbe-reich grundsätzlich erweitert werden. Bei Feld-schwächung bleibt die Leistung der Gleichstrom-maschine konstant, wenn der Ankerstrom und dieAnkerspannung konstant gehalten werden. DasDrehmoment nimmt dann umgekehrt proportionalzur Drehzahl ab.
Dagegen muss bei den Drehfeldmaschinen wegender quadratischen Abhängigkeit des Drehmomen-tes vom magnetischen Fluss bei Feldschwächungmit einem überproportionalen Abfall des Drehmo-mentes gerechnet werden.
Bei Gleichstrommaschinen kann daher ein Feld-schwächbereich von 1:10 bei den Drehfeldmaschi-nen nur ein Bereich 1:3 realisiert werden, wenn
39
7 Einsatzprobleme stromrichtergespeister Antriebe RAVEL
SollwerteSTR -x3 Strom
f u
M )a
AM
Betriebsbereich: ASM, SM, GM Feldschwächbereich
\
BremseBremse
0 >n
GeneratorMotor
F‘ Stromgrenze
Gestellter Betrieb Geregelter BetriebBild 7.1: Drehmoment-Drehzahlverhältnisse im gestellten und im geregelten Betrieb
nicht besonders streuarme Drehfeldmaschinen ein-gesetzt werden. Bei einer Dauermagneterregungist der Fluss grundsätzlich vorgegeben und nur ineinem sehr eingeschränkten Bereich zu vermindern.
Sowohl im gestellten als auch im geregelten Be-trieb muss zwischen der Spannungs- und der Stro-m einprägung, bzw. -begrenzung unterschiedenwerden.
Bei der Spannungseinprägung werden Speisespan-nung und Frequenz vom Umrichter proportionalvorgegeben (Ulf - Regelung). Der magnetischeFluss ist in diesem Fall annähernd konstant, wobeibei kleinen Frequenzen noch der ohmsche Span-nungsabfall an der Statorwicklung zu kompensie-ren ist. Die Maschinen zeigen dann unterhalb ihrerStromgrenze ihr “natürliches” Verhalten.
Bei der Stromeinprägung wird dieses ‘natürliche’Verhalten aufgehoben. Gibt man den Speisestromund die Speisefrequenz vor, so stellt sich der Flussund die Speisespannung abhängig vom Belastungs-zustand ein. Damit in diesem Fall die Maschineflussmässig nicht überlastet wird, muss zusätzlichdurch eine Vorgabe des Winkels der Magneti-
sierungsstrom eingeprägt werden (feldorientierteRegelung).
Leistung, Ausnützung, Grenzen
Die Leistungsfähigkeit einer elektrischen Maschinewird begrenzt durch:
l Die elektrische Beanspruchung (Spannung,Strom, Frequenz, bzw. Induktion B, Strom-belag A, Wicklungsfaktor S), welche sichdurch eine Ausnutzungsziffer C (Drehmo-ment / Volumeneinheit):
bzw. durch den(Kraft / Oberfläche):
D r e h s c h u b fs
fs=2C
ausdrücken lässt.
Übliche Werte für die Ausnützungziffer C sind: .2 + 7 kW min/m3 für Gleichstrammasch.,1 + 4 kW min/m3 für Asynchronmaschinen,
3 3 + 8 kW min/m,3 für Synchronmaschinen.
40
RAVEL 7.2 Elemente und Schaltungen der Stromrichterantriebstechnik
F3.E01
AlBIC>
ruchung Kritische Drehzahl
50-Ill = Realisierungsbereich
0I
103 104
102
IO'
100
IO-'
IO-2
Drehzahl [ l/min]
Bild 7.2: Grenzkurven für 100 kW - Asynchronmaschinen
Realisierte Antriebe:o Synchronmaschinenl Asynchronmaschinen
104 105
Drehzahl [ 1 /Min.]
SM 1) Netzkommutierter I-UmrichterASM, speziellere Bauarten 2) Zwangskommutierter I-UmrichterASM, RM, HPM (Massivrotoren) 3) GTO-Thyristor-U-Um richter
4) Transistor-U-Umrichter
5) Parallele Transistor-U-Umrichter
Bild 7.3: Leistungs-Drehzahlgrenzen schnellaufender Antriebe
41
7 Einsatzprobleme stromrichtergespeister Antriebe-
Die mechanische Beanspruchung des Rotorsdurch die Zentrifugalkräfte.
Die kritischen Drehzahlen des Rotors, welchevon der Konstruktion des Rotors und der Stei-figkeit der Lager abhängen.
Die Rotorverluste, welche durch die betriebs-frequenten Felder und deren Oberschwingungenverursacht werden.
Die Rotorkühlungsbedingungen.
Die Begrenzung des Ankerstromes durch dieKommutierung bei Gleichstrommaschinen.
Diese Beschränkungen sind vor allem bei denGrenzleistungsmaschinen voll wirksam, insbeson-dere dann, wenn Antriebe mit sehr grossen Dreh-zahlen realisiert werden müssen. Das Bild 7.2zeigt den Realisierungsbereich einer schnellaufen-den, 100 kW-Drehstrom-Asynchronmaschine, wel-che in ihrer Drehzahl bei ca. 40’000min-1 durchdie obengenannten Bedingungen begrenzt ist.
Das Bild 7.3 zeigt im Überblick den Realisierungs-bereich verschiedener elektrischer Maschinen, zu-sammen mit den Leistungsgrenzen verschiedenerStromrichterlösungen (vgl. auch die Tabelleauf Seite 54).
8.1
- --T--
ti II_3- 3-= 3-
Gleichrichter Direktumrichter
Wechselrichter
7.3 S t r o m r i c h t e r
Für drehzahlveränderbare Gleich- und Drehstrom-antriebe stehen heute Stromrichter mit sehr un-terschiedlichen Schaltungen und Eigenschaften zurVerfügung (vgl.Bild 7.4).
Stromrichter für Gleichstromantriebe
Zur Speisung werden netzgeführte Thyristorstrom-richter oder selbstgeführte Transistor-Gleichstrom-steller eingesetzt.
Netzgeführte Thyristorstromrichter bestehen, ab-hängig von den Betriebserfordernissen, aus halb-oder vollgesteuerten Brückenschaltungen für denEinquadrantenbetrieb oder aus vollgesteuerten,gegenparallelgeschalteten Brückenschaltungen fürden Mehrquadrantenbetrieb.
Für die Auswahl einer geeigneten Schaltung sinddie Anforderungen an die Energiewandlung (Ein-oder Mehrquadrantenbetrieb), die Belastbarkeitdes speisenden Netzes und bei Antrieben mit Dreh-momentrichtungswechsel, die maximale zulässigeDauer der drehmomentfreien Pause massgebend.Einphasige Speisung werden nur bei kleinen Leis-
T
c-+--JASM
iiSM
U-/l-Umrichter Stromrichterkaskade
Bild 7.4: Stromrichter Hauptgruppen
42
RAVEL 7.3 Stromrichter
tungen benutzt. Bei höheren Leistungen werden 6-oder 12-pulsige Brückenschaltungen verwendet.
Bei den selbstgeführten Transistor-Gleichstromstel-lern wird die Gleichstrommaschine aus einer ge-steuerten H-Brücke gespeist, welche wiederum aneinem Gleichstromzwischenkreis angeschlossen ist.Die Taktfrequenz beträgt einige kHz, so dasseine sehr schnelle Steuerung und Regelung rea-lisiert werden kann. Der Gleichstromzwischen-kreis, dessen Spannung mit einem Stützkonden-sator geglättet wird, wird im einfachsten Fall(Einquadrantenbetrieb) von einem ungesteuertenGleichrichter aus dem Netz gespeist. Für Mehr-quadrantenbetrieb muss der netzseitige Umrichterauch als Wechselrichter betrieben werden können,wegen der Energie-Netzrückspeisung.
Netzgeführte Gleich- oder Wechselrichter werdenfür einfache Antriebe und für grosse Leistungen ein-gesetzt. Gleichstromsteller kommen in Industriean-trieben und Fahrzeugen zum Einsatz.
Stromrichter für Drehfeldmaschinen
1. Drehstromsteller
Beim Drehstromsteller wird die Statorspannungüber antiparallele Thyristoren durch Anschnitt-Steuerung beeinflusst (verzögert eingeschaltet)(vgl. Bild 7.5). Dadurch ergibt sich eine qua-dratisch von der Spannung abhängige Absenkungder Drehmoment-Drehzahlkennlinie. Die Drehzahldes Antriebs kann bei einer festen Speisefrequenz
Drehstromnetz
“k
Lastseite (Motor)
Bild 7.5: Drehstromsteller
in gewissen Grenzen geregelt werden, wenn derVerlauf der Drehmomentkennlinie der Arbeitsma-schine stark von der Drehzahl abhängig ist oderwenn durch eine Vergrösserung des Rotorwider-standes (Schlupfmotoren) die erforderlichen Vor-aussetzungen vorhanden sind. Da wegen der da-bei auftretenden Vergrösserung des Schlupfes imLäuferkreis erhebliche Verluste auftreten können,eignet sich diese Speisung vorzugsweise für denAnlauf- oder Aussetzbetrieb und für überdimensio-nierte Motoren kleiner Leistung. (5 1OIcW).
In neuerer Zeit wird der Drehstromsteller auch alssogenannter ‘Energy-Saver’ eingesetzt. Dabei wirdabhängig von der Belastung des Motors die Sta-torspannung abgesenkt, so dass die Maschinenver-luste kleiner werden. Dabei können allerdings In-stabilitäten auftreten. Die Praxis zeigt, dass nichtjeder Asynchronmotor dafür geeignet ist.
2. Direktumrichter
Beim Direktumrichter wird das Primärnetz überDrehstromsteller direkt auf den Antrieb geschaltet.Die gewünschte Spannung und Frequenz auf derMotorseite wird aus den netzseitigen Spannungenzusammengesetzt (vgl. Bild 7.6). Dadurch ist diemaximale Frequenz auf ca. 45 % der Frequenz desspeisenden Netzes begrenzt. Bezüglich der Steue-rung unterscheidet man Hüllkurvenumrichter undPhasenanschnittsteuerung.
Mit Direktumrichtern können ohne weiteren Auf-wand Vierquadrantenantriebe realisiert werden. Siesind allerdings wegen der hohen Anzahl der Ven-tile (für ein 3-phasiges Sekundärnetz sind insge-samt mindestens 36 Ventile erforderlich), nur fürgrössere Leistungen wirtschaftlich. Der Netzstromdes Direktumrichters enthält neben dem Grund-schwingungsanteil auch Oberschwingungsströme.
Direktumrichter sind besonders für die Speisunghochpoliger, langsamlaufender Drehfeldmaschinengrösserer Leistung mit kleinen Drehzahlen geeig-net. Die Drehmomentwelligkeit ist gering, infolgeder annähernd sinusförmigen Speisespannung.
3. Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis
Beim Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis wirdder Motor über einen Stromrichter aus einerGleichstrom- oder Spannungsquelle gespeist, wel-
7 Einsatzprobleme stromrichtergespeister Antriebe
Drehstromnetz 3 - l//,
r
Lastseite (Motor)
Bild 7.6: Direktumrichter, u = Ausgangsspannung Phase L1, TI = l/fi, T2 = l/f2, w = 2nfl
che über einen netzseitigen Stromrichter versorgtwird. Im Motorbetrieb arbeitet der netzseitigeStromrichter als Gleichrichter und der maschinen-seitige Stromrichter als Wechselrichter. Zwischen-kreisumrichter werden sehr häufig eingesetzt, dasie eine Entkopplung der Motorspeisung von derNetzspeisung und damit ein beliebiges Frequenz-verhältnis ermöglichen. Im Vierquadrantenbetriebmuss der netzseitige Stromrichter auch als Wech-selrichter arbeiten können.
4. l-Umrichter
Beim l-Umrichter (vgl.Bilder 7.7 und 7.8) wirdder Strom im Zwischenkreis durch eine Indukti-vität mehr oder weniger konstant gehalten. DieGrösse dieses Stromes wird durch den netzsei-tigen Stromrichter eingestellt. Der maschinen-seitige Stromrichter verteilt diesen Zwischenkreis-strom durch die Steuerung der Ventile auf die ein-zelnen Stränge der Maschine, so dass sich das er-forderliche Drehmoment ergibt.
Der l-Umrichter hat die folgenden Merkmale:
l Die Motor-Speisefrequenz ist unabhängig vonder Netzfrequenz.
l Der netzseitige Stromrichter kann netz- oderselbstgeführt kommutieren.
l ’ Der motorseitige Stromrichter kann last- oderselbstgeführt kommutieren.
Durch die Aussteuerung des netzseitigenStromrichters in den Wechselrichterbetriebist eine Umkehr der Zwischenkreisspannungmöglich, so dass bei fester Stromrichtung einZweiquadrantenbetrieb gefahren werden kann.
Wegen des eingeprägten Motorstromes eignetsich die Schaltung nicht für den Parallelbetriebmehrerer Motoren.
Vortei!e des I-Umrichters:
l Der maschinenseitige Stromrichter kommutiertnetzgeführt, wenn als Motor eine Synchronma-schine verwendet wird.
44
RAVEL 7.3 Stromrichter
I GR ZK WRBild 7.7: Prinzipdarstellung l-Umrichter
id 7
iv1 iv2 iV3-
idwt
iV5 903 iv4
id
l-liL1
ot
Lr-wt
Bild 7.8: Stromrichter mit eingeprägtem Zwi-schenkreisstrom
l Bei Überlast oder Fehlern auf der Motorseitewird die Beanspruchung auf den Zwischenkreis-strom begrenzt.
Nachteile des I-Umrichters:
Die Motorspannung enthält Schaltspannungen,welche die Wicklungsisolation beanspruchen.
In Drehfeldmaschinen mit Kurzschluss- oderDämpferwicklungen im Rotor treten hohe Zu-satzverluste auf, wenn die Motorspannungnicht durch eine lastseitige Filterung (LC-Glied)geglättet wird.
Für die Regelung ist eine Drehzahlmessung er-forderlich.
0
5.
Der l-Umrichter ist der Betriebscharakteristikdes Motors anzupassen. Die Streureaktanzdes Motors muss möglichst klein sein damitdie Spannungsbeanspruchung der Wicklung be-grenzt bleibt.
U-Umrichter
Dieser besteht, wie das Bild 7.9 zeigt, aus ei-nem netzseitigen Gleichrichter, einem lastseiti-gen Wechselrichter und einem Gleichspannungs-Zwischenkreis mit einem Stützkondensator, wel-cher dem Wechselrichter eine möglichst konstanteSpannung zur Verfügung stellt. Die Kommutie-rung des Wechselrichters kann maschinengeführterfolgen, wenn eine übererregte Synchronmaschinegespeist wird. Bei der Speisung einer Asynchron-maschine muss die Kommutierung zwangsweise er-folgen.
GR ZK WRBild 7.9: Prinzipdarstellung U-Umrichter
Bezüglich der Ansteuerung des Wechselrichters un-terscheidet man:
l Vollblockaussteuerung (vgl. Bild 7.10)l Pulsbreitenmodulierte Aussteuerung
(vgl. Bild 7.11)
Bei der Vollblockaussteuerung sind die Zündim-pulse um 120” phasenverschoben, die Maschinen-spannung besteht aus Rechteckblöcken mit einerBreite von 120” und einer Spannungsamplitude dievon der Zwischenkreisspannung bestimmt wird.
Da im Nennbetriebsbereich der magnetische Flussim Motor, d.h. das Verhältnis U/f konstantgehalten werden soll, muss bei der Vollblock-aussteuerung die Zwischenkreisspannung drehzahl-und lastabhängig über einen gesteuerten Gleich-richter eingestellt werden. Bei der Vollblockaus-steuerung treten neben der Grundschwingung auchOberschwingungen auf, von denen insbesondere dieniedrigste Harmonische mit der Frequenz 6 f Ursa-che für Drehmomentpendelungen des Motors seinkann. Abhilfe bringt hier die pulsbreitenmodulierte
4 5
7 Einsatzprobleme stromrichtergespeister Antriebe RAVEL
‘d
+‘d
-‘d I I
Bild 7.10: Umrichter mit eingeprägterkreisspannung, Ausgangsspannung beiaussteuerung
Zwischen-Vollblock-
‘d- -2 H
Potentialverlauf am Wechselrichterausgang
+!&-2
Aussteuerung. Die Vollblockaussteuerung wird nurfür einfache Antriebe oder sehr schnellaufende An-triebe eingesetzt, wobei die Motorfrequenz f2 inder Grössenordnung der Umrichter-Schaltfrequenzliegt.
‘d-2
Potentialverlauf am Wechselrichterausgang
Bei der pulsbreitenmodulierten Aussteuerung wer-den, wie im Bild 7.11 dargestellt, aus der kon-stanten Zwischenkreisspannung Impulse veränder-licher Breite derart ausgeschnitten, dass die Grund-schwingung dieser Impulsfolge, welche an der Ma-schinenwicklung anliegt, die gewünschte Frequenzund Amplitude aufweist und der Oberwellengehaltmöglichst klein ist. -‘dl
Aussenleiterspannung Ll-L2 (Wechselrichterausgang)
Ll
L2
Vorteile der U-Umrichter-Speisung:
Es können Asynchron-Normmotoren eingesetztwerden, wobei eine Reduktion der Leistungum 5-10 % zu berücksichtigen ist wegen dererhöhten Verluste im Umrichterbetrieb.
Für die Gleichrichtung der Zwischenkreisspan-nung können Diodengleichrichter verwendetwerden, wenn keine Energierückspeisung durch-zuführen ist. Damit ergibt sich ein Grundwellen-leistungsfaktor auf der Netzseite in der Grössen-Ordnung von Eins.
Bild 7.11: Umrichter mit eingeprägter Zwischen-kreisspannung, Ausgangsspannung bei pulsweiten-modulierter Aussteuerung
Bei Antrieben mit hohen Massenträgheitsmo-menten kann eine Überlastung durch ein geführ-tes Verhalten des U-Umrichters vermieden wer-den.
Es wird kein Drehzahl- oder Rotorlagegeberbenötigt.
46
7.4 System technische Aspekte
l An einem Umrichter können mehrere Motorengleichzeitig betrieben werden.
Nachteile der U-Umrichter-Speisung:
Vierquadrantenbetrieb erfordert einen Umkehr-stromrichter auf der Netzseite, oder als Be-helfslösung für kurzzeitigen Bremsbetrieb ei-nen gesteuerten Widerstand im Zwischen-kreis. Energierücklieferung ohne eine der bei-den Massnahmen führt zum Ansteigen derZwischenkreisspannung infolge Aufladung derGlättungskondensatoren.
An den Motorwicklungen können Schaltüber-spannungen auftreten, welche zu Teilentladun-gen und Spannungsbeanspruchungen in denWicklungen führen, insbesondere dann wenn derMotor über längere Kabel gespeist wird.
Stromrichterkaskade
Die im Rotor einer Asynchronmaschine anfal-lende Schlupfleistung kann mittels eines Strom-richters mit Strom- oder Spannungszwischenkreisins Drehstromnetz zurückgespeist werden, wenndie Asynchronmaschine als Schleifringläufer aus-geführt wird. Im untersynchronen Betrieb arbeitetder motorseitige Stromrichter als Gleichrichter undder netzseitige Stromrichter als netzkommutieren-der Wechselrichter im Falle eine Stromzwischen-kreises. Es können auch pulsweitenmodulierteStromrichter eingesetzt werden, wenn der Zwi-schenkreis spannungsgestützt wird. Damit könnenzusätzlich die Oberschwingungen minimiert undder Leistungsfaktor verbessert werden.
Vorteile der Stromrichterkaskade :
l Schlupfleistung wird ans Netz zurückgegeben.
l Der Aufwand für die Stromrichtertechnik wirdvon der Schlupfleistung PT = s/(l - s) P be-stimmt. Dabei sind s der Schlupf und P dieabgegebene Leistung.
Nachteile der Stromrichterkaskade :
l Das Drehmoment enthält Oberschwingungen,insbesondere die Frequenz 6 fl.
l Netzbelastung durch Oberschwingungen unddurch die Blindleistung des Stromrichters
Dabei bestimmt die Zwischenkreis-Spannung, wel-che über den netzseitigen Wechselrichter einge-stellt wird, die Drehzahl der Asynchronmaschine.
7.4 Systemtechnische Aspekte
Maschinenprobleme umrichtergespeisterAntriebe
Eine Drehfeldmaschine setzt grundsätzlich nur dieelektrische Grundschwingungsleistung in mecha-nische Leistung um. Oberschwingungen in denStatorspannungen und -strömen oder Unsymme-trien verursachen zusätzliche Verluste im Rotor,Pendelmomente und erhöhte elektromagnetischeGeräusche, insbesondere dann wenn die anregendeFrequenz mit der mechanischen Resonanzfrequenzdes Maschinengehäuses zusammenfällt.
Grundsätzlich führen verschiedene Wege aus die-sem Konflikt heraus:
a) Drehfeldmaschinen mit Kurzschlusswicklungenim Rotor, wie z.B. die Asynchronmaschine oderdie schnellaufende Synchronmaschine mit Dämp-ferkäfig oder mit massivem Rotor, müssen miteinem Drehstromsystem gespeist werden, dessenOberschwingungsgehalt möglichst klein ist. Dieseskann erreicht werden durch
einen pulsweitenmodulierten Umrichter mitgrosser Taktfrequenz (2 10 kHz) und Strom-sollwertvorgabe (U-Umrichter),
durch eine LC-Filterung der Motorspannung(1-/U-Umrichter),
durch eine vielsträngige Statorwicklung, z.B.2x3-strängig, mit 30” Phasenverschiebung(l-Umrichter).
b) Drehfeldmaschinen, welche im Rotor keineDämpferwicklungen oder massive Eisenteile enthal-ten, können grundsätzlich mit einem, der innereninduzierten Spannung optimal angepassten Strom-system, gespeist werden. Man erhält so die grössteAusnützung der Maschine und einen gleichmässi-gen Drehmomentverlauf. So werden z.B. dauer-magneterregte Synchronmaschinen (Elektronikmo-toren), welche eine rechteckig verlaufende indu-zierte Spannung aufweisen, auch mit entsprechendblockförmig verlaufenden Strömen gespeist.
Die Frage, ob Norm-Asynchropmotoren in jedemFall für den Stromrichterbetrieb geeignet sind, lässtsich nicht allgemein beantworten. Im allgemeinenmuss man sich mit den folgenden Problemen aus-einandersetzen:
47
7 Einsatzprobleme stromrichtergespeister Antriebe RAVEL
Es können zusätzliche Rotorverluste auftreten.
Der Geräuschpegel kann vergrössert werden(vgl. Bild 7.12).
Die impulsartige Beanspruchung der Wicklungim U-Umrichter-Betrieb (vgl. Bild 7.13) kannzu Teilentladungen und zu einer Zerstörungder Wicklungsisolationen im Laufe der Zeitführen. Die Schaltspannungsfestigkeit derWicklung sollte daher mindestens 4 UN + 4 kVbetragen.
Beim Betrieb mit veränderlicher Drehzahl,müssen die Kühlungsverhältnisse angepasst wer-den, insbesondere wenn der Motor nur mit Ei-genbelüftung ausgestattet ist.
Probleme der Arbeitsmaschinen beiStromrichterspeisung
Die mit dem Motor gekoppelte Arbeitsmaschine,wie z.B. eine Pumpe, ein Ventilator oder irgendeinAntrieb, bilden ein komplexes, schwingungsfähiges,mechanisches System, welches durch die Kräfteund Drehmomente des Motors zu Torsions- undBiegeschwingungen angeregt werden kann. DieseProblemstellung kann in allgemeiner Form nur da-durch gelöst werden, dass
die Drehmomentpulsationen des Motors mög-lichst kleingehalten werden,
durch eine schwingungsdämpfende Ankupplungdes Motors an die Arbeitsmaschine die Übertra-gung der Oberschwingungen vermieden wird,
durch systemtechnische Untersuchungen dasschwingungstechnische Verhalten des Antriebs-stranges abgeklärt wird.
Netzprobleme stromrichtergespeister Antriebe
Stromrichtergespeiste Antriebe beeinflussen dasNetz und die Umwelt durch:
Eingeprägte Strom-Oberschwingungen, verur-sacht durch den netzseitigen Stromrichter.
Variable, induktive Blindleistungsanteile,, wel-che von der übertragenen Wirkleistung und demSteuerwinkel des Stromrichters abhängen.
Hochfrequente elektromagnetische, leitungsge-bundene und sich frei ausbreitende elektro-magnetische Störungen (Spannungen, Ströme,
elektromagnetische Felder), welche von den sehrschnell ablaufenden Kommutierungsvorgängenverursacht werden.
Die Rückwirkung dieser Vorgänge kann durchgeeignete Filter- und Kompensationseinrichtun-gen, durch eine elektromagnetische Schirmung derStromrichter, bzw. eine getrennte Führung der Zu-leitungen vermindert werden.
7.5 Motor- und Kabelbelastungen durchUmrichter
Im Leistungsbereich der Stromrichterantriebe vonetwa O.lkW bis 200kW dominiert der U-Umrichter-gespeiste Asynchronmotor. Bezogen auf die An-zahl der ausgeführten Stromrichterantriebe, sind indiesem Leistungsbereich auch die häufigsten An-wendungen zu finden. Die U-Umrichter dieser Lei-stungsklasse sind nahezu ausschliesslich mit IGBTs(insulated gate 1p0 ar transistor) ausgerüstet, vorb’ Iallem wegen der Fähigkeit hohe Pulsfrequenzen(typisch 3kHz b’IS zu 20kHz) bei Schaltleistungenbis zu 500kVA zu realisieren. Diese hohen Pulsfre-quenzen erlauben es,
die Asynchronmotoren mit 100% bei etwa glei-chen Wirkungsgraden wie am Sinus-Netz auszu-nutzen,
das pulsfrequente, magnetisch erregte Motor-geräusch in den unempfindlichen Hörbereich desMenschen zu legen (bei einer Pulsfrequenz vontypisch grösser als 8kHz ist das Motorgeräuschnahezu wie am Sinus-Netz),
ein möglichst glattes Drehmoment zu erzeugen(typische Drehmomentwelligkeit < 5 bis S%,ausgedrückt als halber Spitze-Spitze Wert, be-zogen auf das Nennmoment, gemessen bei klei-ner Drehzahl, z.B. bei 20min-l).
Diese hohen Pulsfrequenzen sind nur möglich, weildie IGBTs sehr schnell schalten (Anstiegszeit tsder Spannung von 0 auf die volle Zwischenkreis-Spannung Ud typisch 100ns bis 400ns). Diesesteilen Schaltflanken (grosser Spannungsanstiegdu/dt) führen aber bei einer langen Verbindungs-leitung zwischen Motor und Umrichter - was in derPraxis häufig der Fall ist - zu Problemen, die mitälteren Umrichtern (Anstiegszeit im Ps-Bereich)nicht auftraten.
48
RAVEL 7.5 Motor- und Kabelbelastungen durch Umrichter
85-
60
550 10 15 20 25 30 3-5 4ö 4-5 5-o
Grundschwingungsfrequenz fl [Hz]
Bild 7.12: Rechenergebnisse zur Geräuschentwicklung von Asynchronmotoren bei Speisungdurch:- Sinusgenerator,* Stromzwischenkreis-Umrichter,l Spannungszwischenkreis-Umrichter
Bild 7.13: Strom- und Spannungsverläufe an den Wicklungsklemmen eines Asynchronmotors,gespeist durch einen mit IGBT-Halbleiterschaltern bestückten Pulsumrichter
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7 Einsatzprobleme stromrichtergespeister Antriebe RAVEL
Die Verbindungsleitung ist nämlich mit einem Ka-pazitätsbelag CL (typisch 150pF/m) und einem In-duktivitätsbelag LL (typisch 0.3pH/m) behaftet.Daraus resultieren folgende typische Probleme:
Umrichterbelastung durch Leitungs-ladeströme
Die Leitungskapazität C, = CLZ, (1, = einfacheLeitunglänge) wird pulsfrequent umgeladen, wo-bei der Ladestromimpuls In während der Anstiegs-zeit t, gemäss i, = C,(du/dt) ‘rechnerisch ab-geschätzt werden kann. Beispiel: Netzspannung
UN& = 4OO&ff 1 Ud = d2)UNetz = 5 6 5 VZwischenkreisspannung, t, = 400ns, 1, = lOOm,C, = 15nF, du/dt = Ud/t, = 1.4. lO’V/s, Lade-stromimpuls i, = 21A.
Schon diese grobe rechnerische Abschätzung zeigt,dass der Umrichter nicht nur durch den Motor-strom, sondern auch durch den Ladestrom bei einerlangen Leitung erheblich belastet wird. Die Folgeist, dass die Umrichterstromgrenze erreicht wird,ohne den Motor mit Nennlast fahren zu können.
Abhilfe:
Umrichter überdimensionieren (teuer)
Verlustarme Drosseln am Umrichterausgangerhöhen die Spannungsanstiegszeit t, und ver-ringern so die Umladeströme auf unkritischeWerte.
Bei kleineren Leistungen: Vermeidung von lan-gen Leitungen durch Kombination von Motorund Umrichter als sogenannter Kompaktantrieb(Umrichter z.B. im Klemmenkasten des Motorsintegriert)
Reflexionsbedingte Spannungsspitzen
Spannungsspitzen bedingt durch Leitungsreflexio-nen belasten das Isolationssystem des Motorszusätzlich. Die steilen Spannungsflanken und diemit ihnen verbundenen elektrischen Felder breitensich vom Umrichter zum Motor als Wanderwellenmit der Geschwindigkeit
%h = &
aus (bei 150nF/m u n d 0.3pH/m ist l-'ph =
150 . 106m/s, also ca. halbe Vakuum-Lichtgeschwindigkeit). Da der Wellenwiderstand
des Motors 2, deutlich grösser ist als jener derLeitung Z,, kann das Leitungsende motorseitig als“offen” betrachtet werden, so dass die Reflexio-nen (Reflexionsfaktor T) die Klemmenspannung amMotor ULLA auf ca. den doppelten Wert der Zwi-schenkreisspannung erhöhen.
ULLm = (l++&
Beispiel: l.lkW Norm-Asynchronmotor, Netz-s p a n n u n g UN& = 4OOV,ff, .&/z, = 1 6(Messwert), T = 0.88, ULLA = 1.88Ud = 106OV,mi t t, = 100n.s : du/dt = ULLm/ts = 106OOV/ps(21-facher Wert des Richtwertes aus der NormVDE0530/1, siehe unten).
In Bild 7.14 sind schematisch die Umrichterspan-
nung ULLA und die reflexionsbedingte Klemmen-spannung ULLA für unterschiedlich kurze Zeiten t,(bezogen auf die Wellenlaufzeit t, = &./Vph) dar-gestellt.
0 4 8 t/t,
Bild 7.14: Umrichter- und Motorklemmen-Span-nungsverlauf für unterschiedliche Spannungssteil-heiten und Leitungslängen [28]
.Bei genügend kleinem du/dt oder genügend kurzerLeitung (strichlierter Verlauf) wird der Maximal-wert (1 + T)ud nicht mehr erreicht, weil die Refle-xion der Wellenfront länger dauert als die Laufzeitder Wellenfront vom Umrichter zum Motor, die Re-flexion wird ungefährlich. Dieser Sachverhalt wirddurch die kritische Leitungslänge Zc,crit = (2$&)/2ausgedrückt. Ist die Leitung länger als dieser Wert,tritt die Reflexions- Spannungsspitze in voller Höhean den Motorklemmen auf.
50
7.5 Motor- und Kabelbelastungen durch Umrichter
Beispiel: t, = lOOns...400ns, Lcrit = wert bei Sinusbetrieb 565V) somit mit einem7.5...30m. Bild 7.15 zeigt den gemessenen Span-nungsverlauf beim Überschreiten der kritischen
Wechselanteil UL, = (r+O.5)Ud (typisch 850V am400V-Netz bei Umrichterspeisung und langer Lei-
Leitungslänge für einen 2.2kW-Asynchronmotor, tung), also um 50% höher beansprucht wird, wird4.1kVA-U-Umrichter und den Kenngrössen t,/t, = i.a. die Einsetzspannung für Teilentladungen in der0 .6 , t, = 200ns, 1, = 50m, lc,cr;t = 15m u n d Wicklung überschritten. Die Wicklung kann durchUd = 555V. Phasen-, Windungs- oder Masseschluss ausfallen.
Abhilfen:
Kombination von Motor und Umrichter alsKompaktantrieb
Umrichter und Motor vom gleichen Herstel-ler (optimierte Komponentenabstimmung: z.B.umrichterfester Motor)
Unterschreiten der kritischen Leitungslängenach Tabelle 7.1a
. 0 2 Zeit t [ps] 4
Bild 7.15: Motorklemmen-Spannungsverlauf beimÜberschreiten der kritischen Leitungslänge [28]
In der Norm VDE0530/1 (“Leitfaden für den Ein-satz umrichtergespeister Induktionsmotoren mitKäfigläufer”, 1991, Beiblatt 2, Seite 9) wird ausge-sagt, dass bei Spannungsspitzen ULLA < 1OOOVund duldt < 5OOV/ps die Lebensdauer des Iso-liersystems erfahrungsgemäss nicht beeinträchtigtwird. Umfangreiche Messungen [29] haben er-geben, dass physikalisch nicht allein der Maxi-malwert ULLERN, sondern der eng damit zusam-menhängende pulsfrequente Wechselanteil Ui, derMotorklemmenspannung für die in der Wicklungeinsetzenden Teilentladungen gemäss Bild 7.16verantwortlich ist (Die Reflexionen sind dort alsSpitzen dargestellt). Da ein 400V-Motor (Spitzen-
Einsatz eines du/dt-Filters zur Verlangsamungdes Spannungsanstieges auf die in der NormVDE0530/1 angegebenen Werte (Filterauf-bau: RL-Kombination umrichterausgangsseitiggemäss Tabelle 7.1b)Einsatz eines Sinusfilters (LC-Kombination mittypisch 1500Hz Knickfrequenz)
Vorteilel Sinusförmige Ströme und Spannungen, da-
her Verhalten wie am Sinusnetz bezüglichMotorgeräusch, Motorausnützung, Mo-mentenwelligkeit.
l Geringe EMV-Probleme durch die Motor-leitung (ungeschirmte Leitung möglich)
l Längere Leitungen als bei du/dt-Filtermöglich (Tabelle 7.1b)
Nachteilel Grossvolumig und teuer
l Spannungsverlust an der Drossel (typischUmot = o.guNetz >
Umrichterfeste Motoren: Durch Verbesserungenam Isoliersystem (aber nach wie vor Niederspan-nungswicklung) wird z.B. erst ab Netzspannun-gen von typisch > 550V bei langer Leitung eindu/dt-Filter erforderlich.
ULL
U LLmax
Ud T
NLI,-t
Bild 7.16: Motorklemmen-Spannungsverlauf beimÜberschreiten der kritischen Leitungslänge (Zeit-achse gerafft) [28]
51
Lange Leitung wirkt als Störsender
Die pulsfrequenter und infolge der Reflexionenauch hochfrequenten Spannungsimpulse der Lei-stungskabel können parallelgeführte Geberleitun-gen o.ä. elektromagnetisch stören.
7 Einsatzprobleme stromrichtergespeister Antriebe RAVEL
a) Maximal anschliessbare Leitungslängen
Umrichter/ StandardWechselrichterBaugrösse ungeschirmte Leitungen
4kW bis 37kW 50m *
45kW bis 200kW 15Om
Standard
geschirmte Leitungen
35m1 OOm
rb) Maximal ansc
Umrichter/WechselrichterBaugrösse
74kW
‘.5kW15kW37kW45kW bis 200k!A
Iliessbare Leitungslängenmit Optionen
$JjQ$
Tabelle 7.1: Maximale Leitungslängen für Umrichter mit IGBT-Modulen [30]
Abhilfen.
Schirmen des Störsenders (geschirmte Leis-tungskabel, vollflächig aufgelegter Schirm anbeiden Leitungsenden). Dabei ist zu beach-ten, dass geschirmte Kabel einen grösserenKapazitätsbelag aufweisen, was höhere Lade-ströme und niedrigere kritische Leitungslängenzur Folge hat.
Verwendung von Sinusfiltern
7.6 Entwicklungstendenzen
Grundsätzlich ist der stromrichtergespeiste An-trieb eine seit Jahren bewährte Lösung zur Verbes-serung der Arbeitsprozesse. Dabei sind folgendeEntwicklungstendenzen festzustellen:
1. Die umrichtergespeiste Gleichstrommaschinebehält ihre Stellung, insbesondere dann, wennbezüglich der Gleichförmigkeit des Drehmomen-tes und der Regelfähigkeit hohe Anforderungen ge-stellt werden. Sie stellt auch bei grösseren Leistun-gen immer noch die kostengünstigste Lösung
dar, da sie im Vergleich zur Drehfeldmaschinenur einen Stromrichter benötigt. 2 . Im Be-reich der Mittel- und Kleinmaschinen Wird dieumrichtergespeiste Drehfeld- oder Reluktanzma-schine die Gleichstrommaschine in zunehmendemMasse ablösen. Dabei wird es zu einer Integrationdes Stromrichters mit der Maschine kommen, sodass der Anwender nur noch eine Einheit zu be-treiben hat. 3. Permanentmagneterregte Synchronmaschinen(Elektronikmotoren) werden im Kleinmaschinen-bereich die umrichtergespeisten Asynchronmaschi-nen ersetzen.
4. Die Möglichkeiten der stromrichtergespeistenAntriebe, insbesondere ihre Freiheitsgrade: Dreh-zahl und Drehmoment führen zu neuartigen Inte-gralantrieben, wie z.B. schnellaufende, gekapseltePumpen und Ventilatoren, welche z.B. direkt ineine Gasleitung eingebaut werden können, Ener-giespeichersysteme mit Schwungrädern, Hochge-schwindigkeitsbearbeitungsmaschinen, aber auchHeizungsumwälzpumpen.
52
RAVEL 8.1 Vorgehen beim Einsatz stromrichtergespeister Antriebe
8 Projektierung und Einsatz stromrichtergespeister Antriebe
Grundsätzliches:
Die Grenzen. der Frequenzbereiche derheute zur Verfügung stehenden Strom-richter-Antriebe werden von der Schalt-frequenz der eingesetzten Stromrichter-Bauelemente bestimmt.
Stromrichtergespeiste Antriebe habengrundsätzlich einen schlechteren Wir-kungsgrad und damit höhere Verluste alsnetzgespeiste Antriebe
Obwohl die Asynchronmaschine eine bil-lige Antriebslösung darstellt, werden beigrösseren Leistungen die Stromrichter-Kosten bestimmend sein.
8.1 Vorgehen beim Einsatz stromrichter-gespeister Antriebe
Stromrichtergespeiste Antriebe sind dann sinnvolleinzusetzen wenn:
Drehzahl, Geschwindigkeit, Fördermenge, Lei-stung, Drehmoment usw. einer Arbeitsmaschinein einem gewissen Bereich stetig eingesteiltoder geregelt werden muss, z.B. bei Lüftern,Pumpen, Verarbeitungsmaschinen, Krananla-gen, Aufzügen.
Einzelantriebe koordiniert gestellt oder geregeltbetrieben werden müssen, z.B. bei Förderanla-gen, Verarbeitungs- und Wickelmaschinen.
Massen beschleunigt und gebremst werdenmüssen, u.U. mit Energierückgewinnung, z.B.bei Krananlagen, Aufzügen und Zentrifugen.
Antriebe mit Getriebe durch Direktantriebe er-setzt werden können.
Stromrichtergespeiste Antriebe haben:
l
l
grundsätzlich einen schlechteren Wirkungsgrad(h”h V Io ere erluste als netzgespeiste Antriebe,
Nebenwirkungen, welche bei netzgespeisten An-trieben nicht auftreten, sind:Zusatzverluste im Motor, Drehmomentpulsatio-nen, Stromrichter-Oberschwingungs- und
l
l
Blindleistungs-Belastung des Speisenetzes,Überspannungsbeanspruchung der Wicklungen,
nur eine Brems- und Energierückspeisefähigkeit,wenn der Stromrichter dafür ausgelegt ist,
einen grösseren Aufwand für die Planung, Pro-jektierung und Inbetriebsetzung.
Erforderliche Angaben für die Beschaffung strom-richtergespeister Antriebe:
Motordaten:
Belastungskennlinie M(n) des Motors, bzw.Widerstands-Drehmoment der Arbeitsmaschine:konstantes, quadratisch zunehmendes, fallendesDrehmoment,
Arbeitsbereich: Motor, Bremse, Generator,vorwärts, rückwärts drehend,
Drehzahlstellbereich: maximale und minimaleDrehzahl,
ivlax. mechanische Leistung, Nenndrehmomentbei Nenndrehzahl,
Drehmomente bei der maximalen und minima-len Drehzahl,
Massenträgheitsmomente: Motor und Last, mi-nimale Anlaufdauer
Belastungsart (S1S10): dauernd, intermit-tierend, Umgebungsbedingungen,
Schutzart: offen, geschlossen,
Bauart,
Zusätzliche Motorkühlung bei niedrigen Dreh-zahlen,
Motorschutz.
Stromrichter:
Strom richterart:U-/l-/Zwischenkreis-/Direktumrichter,
Bypass-System für den Betrieb bei Stromrich-terausfall, direkt, Stern-Dreieck,
Schutzart, Bauart,
Aufstellung, Platzbedarf,
Kühlung, Verlustabfuhr,
53
8 Projektierung und Einsatz stromrichtergespeister Antriebe RAVEL2
Spannungsbeanspruchungder Wicklungen *
Stromrichter-Elemente
Motorgeräusch
Thyristor
klein
GT0Transistor
mittel
GT0Transistor
gross
Thyristor
klein
Regelung f/l+Grenzen
Tabelle 8.1:
U/f+Grenzen Feldorientiert f/l+GrenzenU/f+Grenzen
Eigenschaften stromrichtergespeister Antriebe mit Drehfeldmaschinen,ASM = Asynchronmaschine, SM = Synchronmaschine, (PM) = Synchron-maschine mit Dauermagneterregung, Filter = LC-Glied (Motorklemmen)
Netzbelastung durch Blindleistung und Ober-schwingungen,
Oberschwingungsfilter, Blindleistungskompen-sation,
Netzanschluss, Schaltgeräte,
Art der Regelung: Lage, Drehzahl, Moment,Leistung, Menge, Sollwerte, Grenzwerte, Ge-nauigkeit,
Steuerung, Instrumentierung, Rechnerinter-face,
Automatischer Anlauf, gesteuertes Anhalten,Wiedereinschalten,
Schutz gegen Überlast, Kurzschluss,
Tabelle 8.1 zeigt im Überblick die Möglichkei-ten und Grenzen der heute zur Verfügung ste-henden Stromrichter-Antriebe. Dabei ist folgen-des zu berücksichtigen: Die Grenzen der Fre-quenzbereiche werden durch die Schaltfrequenzder zur Verfügung stehenden Stromrichterbauele-mente [31] bestimmt. Diese nehmen mit stei-gender Leistung ab und unterliegen einer lau-fenden technischen Entwicklung. Ein Kostenver-gleich der Antriebsvariante kann nicht in allgemei-ner Form durchgeführt werden. Grundsätzlich istfestzustellen, dass Asynchronmaschinen die bil-ligste Antriebslösung darstellen, andererseits aberdie Stromrichterkosten bei grösseren Leistungenbestimmend sind.
54
RAVEL 8.2 Auswahl, Dimensionierung und Programmierung von Frequenzumrichtern
8.2 Auswahl, Dimensionierung und Pro-grammierung von Frequenzumrich-tern
A) Definition Motor/Frequenzumrichter
Zur Einleitung und Aufrechterhaltung eines Bewe-gungsvorganges ist mechanische Energie erforder-lich. Diese Energie wird zu einem grossen Teilüber elektromechanische Energiewandler (elektri-sche Maschinen, Elektromagnete etc.) aus demelektrischen Versorgungsnetz bezogen. FolgendeGrundaufgaben resümieren daraus für die elektri-sche Antriebstechnik:
Elektromechanische Energiewandlungzur Durchführung des technologischen Prozes-ses mit möglichst geringen Verlusten,
Erzeugen der Drehmomente und Geschwindig-keiten nach den Vorgaben der Arbeitsmaschine,
Informationserfassung und -Verarbeitung dermechanischen Grössen, so dass der technologi-sche Prozess effektiv abläuft.
Diese drei Grundaufgaben umfassen das gesamteArbeitsgebiet der elektrischen Antriebstechnik. Siewiederspiegeln aber auch die Komplexität der Ar-beitsmaschine, die in enger Verbindung zu denErkenntnissen der Technologien des Maschinen-baus, der Elektrotechnik, der Elektronik und derAutomatisierungstechnik steht. Bei der Auswahlund Dimensionierung eines Antriebssystems musszur Erfüllung dieser Forderungen immer von denmöglichst genau ermittelten Grössen des Bewe-gungsvorganges im Rahmen einer Prozessanalyseausgegangen werden.
Daraus resultieren die folgenden sieben Punkte fürdie Auslegung von Motor und Frequenzumrichter:
Bestimmung der benötigten Kraft
Als erstes muss die maximale Kraft in Newton be-stimmt werden. Zur Überwindung einer Kraft Fbei einer Geschwindigkeit 2, ist nach Bild 8.1 diemechanische Leistung P erforderlich. Die Kraft Ftritt beispielsweise als Gewichtskraft, Reibkraft undals Luftwiderstand auf.
Wird eine Masse m geradlinig beschleunigt, so darfdie Beschleunigung nicht vernachlässigt werden.Wird eine Masse entgegen der Erd- bzw. Fallbe-
schleunigung angehoben, dann muss noch der Fak-tor g = 9.81[m/s2] berücksichtigt werden.
Berechnen der Antriebsleistung
Entscheidend für die Feslegung der Antriebslei-stung ist der Bedarf der Arbeitsmaschine an me-chanischer Leistung, die sich mit den Gesetzen derMechanik bestimmen lässt. Es muss das Drehmo-ment J4 von der Antriebswelle auf die Arbeitsma-schine übertragen werden. Die Umfangskraft Fgreift am Hebelarm T an. Aus der Drehzahl n derAntriebswelle errechnet sich die Winkelgeschwin-digkeit R und die Umfangsgeschwindigkeit 2/ amRadius T. Aus diesen Zusammenhängen ergibt sichfür die Drehbewegung nach Bild 8.1 die notwen-dige mechanische Leistung
tFJ
I
47 gm,
/tq jRn1 .
_ -- _-L_~_______ _‘i !Lw+ = y
F,v
Bild 8.1: Bestimmung der Antriebsleistung
Analog zur geradlinig beschleunigten Bewegungmuss man bei der beschleunigten Drehbewegungdas Beschleunigungsmoment errechnen. Last- undBeschleunigungsmoment werden dann addiert.
.
Dynamische Anwendung
Werden von der Arbeitsmaschine kurze Beschleu-nigungs- und Bremszeiten gefordert, darf der Un-terschied der Massenträgheiten von der Arbeits-
55
8 Projektierung und Einsatz stromrichtergespeister Antriebe RAVEL
maschine und dem Rotor des Motors nicht zugross sein. Die Massenträgheit der Arbeitsma-schine sollte den 5-fachen Wert der Massenträgheitdes Rotors nicht übersteigen.
häufig ist es notwendig, das Motordrehmoment andie Bedingungen der Arbeitsmaschine anzupassen.
Befindet sich eine Untersetzung zwischen der Ar-beitsmaschine und dem Motor, reduziert sich dieMassenträgheit der Arbeitsmaschine quadratischam Untersetzungseingang n1 im Verhältnis zur Un-tersetzung.
Das Drehzahlverhalten wird von der Arbeits-maschine gefordert, z.B. müssen Drehzahlverstel-lung, Steuerung, Regelung und Drehrichtungsum-kehr möglich sein.
Betriebsart
Die Schutzart, die Art der Kühlung bzw. Belüftungsowie die Art der mechanischen Kraftübertragungsind die massgebenden Faktoren für die Auswahlder Bauform des Motors.
Das Betriebsverhalten eines Motors wird nach demDrehmoment-Drehzahl Verhälten beurteilt. Greiftman nur einen bestimmten Betriebszustand, z.B.Stillstand, Leerlauf oder Nennbetrieb heraus, sospricht man dabei auch von einem statischen Be-triebsverhalten. Sind dagegen Übergangszuständezu beurteilen, z.B. Anlauf oder Bremsen, so istdas Betriebsverhalten dynamisch. Nach VDE 0530Teil1 werden typische Betriebsarten festgelegt, diefür die Auslegung und Berechnung des Antriebsmo-tors von grosser Bedeutung sind. Das Erwärmungs-verhalten des Motors wird damit an die Anfor-derungen des Betriebes angepasst, d.h. der Mo-tor wird entsprechend den tatsächlichen Betriebs-bedingungen möglichst nahe bis zur zulässigenErwärmungsgrenze ausgenützt.
Für den drehzahlvariablen Betrieb mit Frequen-zumrichtern müssen noch zusätzlich einige Punkteberücksichtigt werden. Die Eigenbelüftung desNormmotors kann bei reduzierter Drehzahl un-genügend sein, weil die Luftmenge mit der drit-ten Potenz im Verhältniss zur Drehzahl abnimmt.Bei grossem Drehzahlstellbereich und konstantemDrehmoment wird ein Fremdlüfter benötigt unddie eingebauten Temperaturfühler überwachen dieErwärmungsgrenze. Benötigt die Arbeitsmaschineim Stillstand ein Haltemoment, so wird in der Re-gel eine Elektromagnetbremse am Motor angebaut.Drehgeber und Analogtacho sind weiteres mögli-ches Zubehör das bei der Motorauswahl berück-sichtigt werden m uss.
Die Möglichkeit, dass der Motor kurzzeitigüberlastet werden darf, sollte genutzt werden!
Auswahl des Motors
Für die Bestimmung des Motors sind im wesentli-chen vier Gesichtspunkte massgebend:
l die Leistung,
l die Betriebsart,
l die Erwärmung und
l die Grenzübertemperatur.
Vierpolige Normmotoren eignen sich besondersgut für den Betrieb mit einem Frequenzumrich-ter. Diese Motoren können mit doppelter Nenn-frequenz betrieben werden. In der Planungsphasesollte die Möglichkeit einer höheren Ausgangsfre-quenz mit dem Frequenzumrichter genutzt werdenwodurch der Drehzahlstellbereich erweitert werdenkann. Dabei sind jedoch einige Punkte zu berück-sichtigen
Für Normmotoren sollte die maximale Drehzahlvon 3600 Umdrehungen pro Minute nicht über-schritten werden.
Wird der Motor aus vermeintlicher Vorsicht zugross ausgelegt, ergeben sich höhere Gestehungs-und Betriebskosten. Je nach Betriebsart muss derBeschleunigungsarbeit besondere Beachtung ge-schenkt werden.
Das Lüftergeräusch wird über der Nenndrehzahlzunehmen und der Wirkungsgrad verschlechtertsich.
Der Motor muss den Drehmomentbedarf für denAnlauf, für periodisch schwankende Belastung undfür den Bremsvorgang aufbringen können. Sehr
Wird der Motor über seiner Nennfrequenz be-trieben, nimmt das Drehmoment infolge derFeldschwächung ab. Bei doppelter Ausgangs-frequenz kann nach Bild 8.2 noch etwa mitdem halben Nenndrehmoment gerechnet wer-den. Noch höhere Ausgangsfrequenzen sollten
RAVEL 8.2 Auswahl, Dimensionierung und Programmierung von Frequenzumrichtern
mit Vorsicht angewendet werden, da das Kipp-moment quadratisch mit der Drehfrequenz ab-nimmt.
Es gibt jedoch eine Möglichkeit den Drehmo-mentverlust in Grenzen zu halten, indem derMotor in Dreieck 230V geschaltet wird unddas V/Hz-Verhältnis am Frequenzumrichter auf87Hz/400V eingestellt wird (vgl. Bild 8.3).Man erzielt dadurch eine um den Faktor fihöhere Leistung des Motors. Wegen der Drei-eckschaltung erhöht sich der Motorstrom eben-
falls um diesen Betrag. Deshalb muss der Fre-quenzumrichter für diesen Motornennstrom di-mensioniert sein.
M(%180
0'I
150'0I I
750 2250 3000mh
Bild 8.2: Drehmomentgrenzkurven für einen 4-poligen Normmotor im Normalbetrieb
,‘-,/
I 1
0' 750 I 261brniri’ 1
1500
Bild 8.3: Drehmomentgrenzkurven für einen4-poligen Normmotor mit V/Hz-Verhältnis undDreieckschaltung
Auswahl des Frequenzumrichters
Ist der Motor bestimmt, kann der Frequenzum-richter ausgewählt werden. Der Frequenzumrich-ter wird nach dem Motornennstrom ausgelegt. Die
übliche Festlegung der Frequenzumrichter nachden Leistungsangaben kann irreführend sein. Inbesonderen Fällen, wie grosser Polzahl, Sonder-wicklung und Mehrmotoren-Betrieb wird der Mo-torstrom grösser sein als der Frequenzumrichter-Nennstrom. Die heutigen Frequenzumrichter er-lauben es kurzzeitig den Nennstrom zu überschrei-ten, womit es keinen Grund gibt den Frequenzum-richter überzudimensionieren.
Bremsenergie
Beim Hochlaufen auf die Arbeitsgeschwindigkeitwird kinetische Energie im Antriebssystem gespei-chert und beim Abbremsen bis zum Stillstandwieder freigesetzt. Drehzahländerungen im An-triebssystem bewirken stets ein “Aufladen” oder” Entladen” von kinetischer Energie. Motoren dieam Versorgungsnetz angeschlossen sind, liefern dieBremsenergie zurück ins Netz. Wird der Motorvon einem Frequenzumrichter angesteuert wird dieBremsenergie im Zwischenkreis des Frequenzum-richters gespeichert. Übersteigt die Bremsleistungdie Verlustleistung des Frequenzumrichters, erfolgtein Anstieg der Zwischenkreisspannung. Um eineGefährdung des Frequenzumrichters zu vermeiden,muss die Zwischenkreisspannung begrenzt werden.Dies geschieht bei kleinen Bremsleistungen durchdas Zuschalten eines Bremswiderstandes. Dadurchwird die oft nur kurzzeitig anfallende Bremsener-gie in Wärme umgesetzt. Bei grösseren Brems-leistungen lohnt sich der Aufwand für eine Rück-speisung der Bremsenergie in das Versorgungsnetz.Dies geht beim U-Frequenzumrichter nur über ei-nen antiparallel zum Frequenzumrichter geschalte-ten steuerbaren Rückspeiseumrichter..
B) Inbetriebnahme und Programmierung vonFrequenzumrichtern
Installation und Ansteuerung
Ist der Frequenzumrichter mit allen Schutz-massnahmen wie Erdung, Netzfilter, Netzdrossel,abgeschirmte Motorleitung oder Sinusausgangsfil-ter installiert, werden den Anforderungen der Ar-beitsmaschine entsprechend, die Steuereingängeund Steuerausgänge verdrahtet. Mit der Program-mierung des Frequenzumrichters kann der Antrieban die Forderungen der Arbeitsmaschine angepasstwerden. Die meisten Hersteller liefern die Frequen-zumrichter mit Standardeinstellungen aus, dass ein
57
E
8 Projektierung und Einsatz stromrichtergespeister Antriebe RAVEL ;
leistungszugeordneter, vierpoliger Normmotor mitseiner Nennspannung und 50Hz ohne weitere Ein-stellungen betrieben werden kann.
Reproduzierbare Betriebswerte
Auf den Baugruppen der mikroprozessorgesteu-erten Frequenzumrichter gibt es keine Trimmpo-tentiometer mehr. Mit der analogen Einstellungkonnte nicht gewährleistet werden, dass die wich-tigen Funktionen, wie V/Hz-Kennlinie, max. Fre-quenz und Drehmomentanhebung, genau den An-forderungen des Motors entsprachen. Mussten zu-gleich mehrere Frequenzumrichter eingestellt wer-den, gab es Abweichungen der einzelnen Parame-terwerte. Heute wird die Einstellung der Betriebs-werte digital über die Programmierung vorgenom-men. Die Parameter-Werte werden exakt reprodu-zierbar in numerischen LED-Anzeigen ersichtlich.
Programmieren und Speichern
Die Art der Dateneingabe ist je nach Hersteller-philosophie unterschiedlich. Am weitesten verbrei-tet ist die Dateneingabe über die Bedieneinheit desFrequenzumrichters. Immer öfter werden mit Un-terstützung von herstellerspezifischen Programmenfür Personal Computer die Betriebswerte festge-legt und über eine serielle Schnittstelle eingelesen.Die Frequenzumrichtereinstellung kann abgespei-chert werden und steht für gleiche Anforderungenjederzeit wieder zur Verfügung. Andere Herstellerbieten eine Kopiereinheit an, in der die Betriebs-werte festgelegt und abgespeichert werden. Eineweitere Möglichkeit bieten Chipkarten als Daten-speicher, für die zunächst jedoch die Betriebswerteauf einer Bedieneinheit eingegeben werden müssen.
Programmieren nach den Forderungen des Be-triebsablaufes
Die Programmierstruktur der Frequenzumrichterwird nach der Gewichtung der Funktionen aufge-teilt. Zuerst werden Grundeinstellungen eingege-ben, wie Parameter für die Betriebsart, Motorda-ten, max. Ausgangsfrequenz, Hoch- und Tieflauf-zeit sowie Drehmomentanhebung. Danach werdendie Funktionen der Ein- und Ausgangsklemmen,der analogen und digitalen Ausgangssignale, spezi-elle Funktionen für die Vektor-Kontrolleinstellungsowie die zweiten Motordaten eingegeben.
Das Eingeben der einzelnen Funktionsparameter
setzt voraus, dass der Betriebsablauf und die Be-triebsbedingungen der Arbeitsmaschine bekanntsind. Die Frequenz-Sollwertvorgabe kann analogoder digital sein und die Betriebsart kann externoder intern von der Betriebseinheit gesteuert wer-den. Die maximale Ausgangsfrequenz, die Motor-frequenz und die Motorspannung sind die nächstenwichtigen Parameter die bekannt sein müssen. DieBetriebsanforderung bestimmt die Werte für dieDrehmomentanhebung und die Hoch- und Tief-laufzeit. Damit sind die Anforderungen für einenersten, erfolgreichen Start des Motors bestimmt.Dabei muss berücksichtigt werden, dass die Ar-beitsmaschine nicht in Betrieb genommen werdendarf, bevor die Schutz- und Sicherheitsanforderun-gen gemäss der Maschinenrichtlinien erfüllt sind.
Danach gilt es, den Antrieb zu optimieren, d.h.den Feinabgleich der eingestellten Funktionen vorz-unehmen, sowie alle zusätzlichen Funktionen einzu-geben, so dass die Arbeitsmaschine den gewünsch-ten Anforderungen gerecht wird. Sicherheitsfunk-tionen, wie z.B. elektronischer Motorschutz oderWiederanlauf nach Netzunterbruch, werden erstam Schluss der Einstellungen inkraftgesetzt, damitkeine unerwünschten Schutzabschaltungen beimAustesten der Arbeitsmaschine auftreten.
Die Zusatzfunktionen sind bei modernen Frequen-zumrichtern so umfangreich, dass es sinnvoll ist,bei einer Neukonstruktion der Arbeitsmaschine, fürdas optimale Ausnützen des Frequenzumrichters,einen Frequenzumrichter-Fachmann beizuziehen.
Einfache Handhabung durch interaktive Be-dieneinheit
Wie vorgängig beschrieben, gibt es unterschiedli-che Philosophien für die Eingabe der Betriebswerte.Diese Eingaben sind nur ein kleiner Teil des Fre-quenzumrichterbetriebes. Ist die Inbetriebnahmeerfolgreich abgeschlossen, erwartet man vom Fre-quenzumrichter auch Informationen über die Be-triebsdaten. Für diese Mitteilungen ist die Be-dieneinheit vorzüglich geeignet. Die abnehmbareBedieneinheit ermöglicht mit einem Verbindungs-kabel eine problemlose Fernbedienung der Frequen-zumrichter. Durch die interaktive Bedieneinheit istdie Handhabung der Frequenzumrichter so einfach,dass im Normalfall auf die Betriebanleitung ver-zichtet werden kann.
58
RAVEL 8.3 Energiesparen mit umrichtergespeisten Antrieben
Die Betriebsdaten, wie Ausgangsfrequenz, Aus-gangsstrom, Ausgangsspannung und gerechne-tes Drehmoment werden digital angezeigt. Beider Schutzabschaltung wird auf dem Display derFehler-Code angezeigt mit zusätzlich Informatio-nen zum Zeitpunkt des Fehlers. Eine wertvolleHilfe zur Ermittlung der Fehlerursache ist die Feh-leranalyse und die Ein- und Ausgangsbedingungen,die am Display abgerufen werden können.
8.3 Energiesparen mit umrichtergespeis-ten ‘Ant r ieben
Grundsätzlich kann sich eine Stromrichterspeisungpositiv und negativ auf den Energieverbrauch einesAntriebs auswirken.
Energiesparend wirken Stromrichterspeisungen nurdann, wenn:
l Der Motor durch eine angepasste Frequenz- undSpannungssteuerung mit minimalem Schlupfund minimalen inneren Verlusten arbeitet.
l Der Arbeitsprozess durch die Anpassung derDrehzahl des Antriebs an den Bedarf verbessertwird, wie z.B. im Falle eines Pumpenantriebes,wenn die Drossel- oder Drallregelung durch eineDrehzahlregelung ersetzt wird.
Verlusterhöhend und wirkungsgradverschlechterndwirken:
l Drehstromsteller mit Phasenanschnittsteuerungzur Speisung von Asynchronmaschinen,(Drehzahlstellung via Spannung).
l Stromrichter mit Zwangskommutierung und ho-hem Oberschwingungsgehalt in der Ausgangs-spannung und im Strom.
l Unsymmetrien im speisenden Drehspannungs-system oder Verzerrungen, welche dann in an-deren Antrieben des Netzes zusätzliche Rotor-Verluste erzeugen.
Besonders vorteilhaft ist die Stromrichterspeisungbei Antrieben, welche instationär betrieben wer-den und grosse Schwungmassen, bzw. Trägheits-momente haben. Beim Hochfahren des Antriebsmuss elektrische Energie zur Beschleunigung derSchwungmassen zugeführt werden. Dabei treten
in den antreibenden Maschinen mehr oder weni-ger grosse Verluste auf, abhängig von der Art desMotors und der Speisung.
Beim Abbremsen muss den rotierenden Massendiese Energie entzogen werden. Diese kann ent-weder im Motor in Wärme umgesetzt oder durchNutzbremsung dem Energiesystem zurückgeliefertwerden.
Besonders ungünstig verhält sich in dieser Bezie-hung die direktgespeiste Asynchronmaschine, beiwelcher aufgrund der Leistungsaufteilungsgesetzeim Rotor stets die Energie der Schwungmassen inWärme umgesetzt wird.
Damit ist die einzuschlagende Richtung des Ener-giesparens bei Antrieben mit instationären Be-triebsverhältnissen vorgezeichnet:
Die Masse, bzw. das Trägheitsmoment der z ubeschleunigenden Arbeitsmaschinen ist so kleinwie möglich zu halten.
Zusatzverluste, welche im Motor beim Beschleu-nigen und Bremsen auftreten, sind zu minimie-ren, z.B. durch den Einsatz von:
1. polumschaltbaren Asynchronmaschinen,
2. umrichtergespeisten Asynchron- oderSynchronmaschinen mit drehzahlabhängi-ger Spannungsfrequenzspeisung und Nutz-bremsung.
59
9 Elektromagnetische Verträglichkeit RAVEL
9 Elektromagnetische Verträglichkeit
Grundsätzliches:
l Typische EMV-Probleme im Zusammen-hang mit dem Einsatz von Frequenzum-richtern sind, hochfrequente Netzbela-stungen aufgrund hoher Spannungssteil-heiten und Fehlanpassungen des SystemsFrequenzumrichter - Kabel - Motor.
l Für komplexe Antriebssysteme ist be-reits im Planungsstadium der Ein-satz von EMV-förderlichen Komponen-ten und Massnahmen vorzusehen.
l EMV-Normen dienen der Bewertung derKonformität von elektrischen Antrie-ben mit den Anforderungen der EU-Richtlinien.
9 .1 Übers icht
Systeme zur Erzeugung, zur Übertragung und zurNutzung von elektrischer Energie stehen, wie inBild 9.1 schematisch dargestellt, mit anderen tech-nischen Systemen aber auch mit Personen und der
Umwelt in einer Wechselbeziehung [32]. Du rch
Überschreitung bestimmter Grenzwerte im be-einflussten System kann es zu Personen- undSachschäden, zum Versagen von Schutz- undSteuereinrichtungen oder zu Belästigungen ande-rer Art kommen, wie zum Beispiel unerwünschteGeräusche. Wegen des breiten Beeinflussungsspek-trums, insbesondere auf elektronische Komponen-ten und Systeme, hat man deshalb für die
” Fähigkeit einer elektrischen Einrichtung, inihrer elektromagnetischen Umgebung zufrie-denstellend zu funktionieren, ohne diese Um-gebung, zu der auch andere Einrichtungengehören können, unzulässig zu beeinflussen”(VDE 0870)
den Begriff ” Elektromagnetische Verträglich-keit” (EMV) [33] eingeführt. Diese kann sowohlfür die beeinflussende Quelle als auch für die bein-flusste Senke definiert werden, wobei für den Ein-satz von praktischen Präventiv-Massnahmen diegenaue Beschreibung der Beeinflussungen erforder-lich ist.
Rundfunk Funkdienste Fernmeldeanlagen
Entladung Statischer Elektrizitat Aussenden Elektromedizin__-- ---_/y 27 -.
Blitz NEMP
Rundsteuertechnik
Schaltnetzteile
‘\S t r o m r i c h t e r \,,
- T I -
// ’ Elektrische Antriebe‘. /’
Zundeinsatz- ---;&(r~~----&halter S c h a l t a n l a g e nSteuerung
Lichtbogenofen Netz-Betriebsmittel
Bild 9.1: Wechselbeziehungen zwischen den elektrischen Systemen
60
9.2 EMV Kopplungsmechanismen
9.2 EMV Kopplungsmechanismen
A) Galvanische Kopplung
Wenn zwei Betriebs-Stromkreise, wie in Bild 9.2gezeigt, ein gemeinsames Leitungsstück besitzen,so erzeugt Stromkreis I (Störer) an der Kopp-lungsimpedanz 2, einen Spannungsabfall der sichim Stromkreis II (gestörtes System) dem Nutzsi-gnal überlagert, z.B. 50Hz-Brumm. Diese soge-nannte Erdschleifenkopplung kann durch eine Ver-bindung in einem gemeinsamen Bezugspunkt ver-mieden werden. Weitere hilfreiche Massnahmen
4ZL1
I
1 1 I b)ZL1 ’
Bild 9.2: Galvanische Kopplung
gegen diese Kopplungsart sind:
Impedanz der Stromzuführungen reduzierendurch Abstandsverkleinerung, Verdrillen oderEinsatz von Multi-Layer Leiterplatten
Möglichst hohe Versorgungsspannung wählenund Anwendung von Schaltreglern prüfen
Stützkondensatoren richtig bemessen
Separate Stromversorgungsleitungen für die ein-zelnen Verbraucher vorsehen
Getrennte Netzteile einsetzen, wenn grosser Un-terschied in der Leistungsaufnahme
Zwei unmittelbar benachbarte Stromkreise derenLeiter sich auf verschiedenen’ Potentialen befin-den, z.B. 220V-Lichtnetz und KO-Messleitung,sind aufgrund der sich ausbildenden elektri-
B) Kapazitive Kopplung Bild 9.4: Induktive Kopplung
l Verkleinerung der Gegeninduktivität durchmöglichst kurze parallele Leitungsführung
l Schleifenabstand vergrössern und Schleifen or-thogonal anordnen
schen Felder kapazitiv gekoppelt. Gemäss Bild9.3 kann diese Kopplung durch Streukapazitätennachgebildet werden. Die Netzspannung treibtdurch diese Kapazitäten einen Strom der überdie Innenwiderstände des Stromkreises 2 un-erwünschte Störspannungen erzeugt. Folgende Ge-genmassnahmen werden praktiziert:
Verkleinern der Streukapazitäten durch kurzeparallele Leitungen, Leiterabstand erhöhen oderSchirmung einsetzen
Verkleinern der Impedanz des Stromkreises 2
Vermeidung von Schirmströmen
Kleine Schirm-Kopplungsimpedanz
Ul“‘I-”Bild 9.3: Kapazitive Kopplung
C) Induktive Kopplung
Durch hohe Ströme in der Leiterschleife 1 des Bil-des 9.4 werden veränderliche Magnetfelder erzeugtdie nach dem Faraday’schen Induktionsgesetz imbenachbarten Stromkreis 2 Störspannungen verur-.Sachen. Diese Kopplung kann durch eine Gegen-induktivität nachgebildet werden: Um der induk-tive Kopplung entgegenzuwirken, werden folgendeMassnahmen realisiert:
61
9 Elektromagnetische Verträglichkeit RAVEL
l Niederstrom-Schleife verdrillen oder schirmen
l Reduktionsleiter vorsehen
In der Praxis sind jedoch meist mehrere Kopplungs-arten gleichzeitig wirksam was die Analyse auftre-tender Störspannungen beträchtlich erschwert.
9.3 Gegentakt- und Gleichtaktstörung
Die durch die oben beschriebenen Koppelme-chanismen auftretenden Störspannungen werdenals das in der EMV-Technik übliche BegriffspaarGegentakt- und Gleichtaktstörung unterschieden.
Gegentaktstörspanurigen werden zwischen Hin-und Rückleitern von Stromkreisen oder an denEingangsklemmen des gestörten Systems gemessenund entstehen meist durch induktive Kopplung. Sieliegen wie im Bild 9.5 verdeutlicht in Reihe mitdem Nutzsignal und verursachen daher Fehlfunk-tionen oder Messfehler.
U Nutz +Gg ZL
Bild 9.5: Gegentakt-Störung
Bild 9.6: Gleichtakt-Störung
Gleichtaktstörspannungen entstehen wie im Bild9.6 gezeigt, durch das Auftreten einer durchdie Kopplungsart bestimmten Störspannungsquellezwischen einzelnen Leitern und dem Masse-Bezugspotential. Aufgrund unsymmetrischerStromkreis- Impedanzen kann es jedoch auch zueiner Gleichtakt/Gegentakt-Konversion kommen.
Die Einkopplung auf Steuerkabel kann also auf zweiArten erfolgen:
l im sogenannten Gegentakt-Modus d.h. zwi-schen den Adern eines Paares
l im sogenannten Gleichtakt-Modus d.h. zwi-schen dem Kabel und der Erde
Die Gegentakt-Einkopplung wird dank der Verdril-lung, entsprechend der Anzahl Schläge pro Meter,mehr oder weniger stark reduziert:
Über ca. 1 MHz sind die einzelnen Adern eines Ka-bels untereinander so gut gekoppelt, dass die Ein-kopplung praktisch ausschliesslich im Gleichtakt-Modus erfolgt. Ein Störfeld induziert auf sämtlicheAdern des Kabels einen Störstrom, der entwederüber galvanische Verbindungen oder (zumindest imhochfrequenten Bereich) über die verteilten Streu-kapazitäten zur Erde fliesst.
Rolle der Endgeräte
Datenendgeräte sind im allgemeinen störempfind-lich. Die Beeinflussungen erfolgen vor allem durchdie Störströme, die von den Kabeln “eingefangen”werden. Diese Aussage gilt entsprechend den Ab-messungen der Geräte für den Frequenzbereich un-ter ca. 100 MHz. Über dieser Frequenz könnendirekte Störeinkopplungen auf die Signalleiterbah-nen und die Verdrahtung im Innern der Geräte er-folgen. Die Schaltkreise reagieren allerdings beiFrequenzen über 100 MHz meist nicht mehr miteiner grossen Empfindlichkeit.
Die Gleichtaktstörströme, welche in die Kabel ein-gekoppelt werden, fliessen, wenn keine Schutz-massnahmen getroffen werden, in die Endgerätehinein und über die Schaltungen zur Erde ab. Sieerzeugen auf den Leiterplatten Spannungsabfälleund Störfelder, die zu Fehlfunktionen der Logikführen.
62
RAVEL 9.3 Gegentakt- und Gleichtaktstörung
Schutzmassnahmen
Mit hochfrequenten Gleichtaktstörströmen ist im-mer und überall zu rechnen. So werden z.B. beijeder Ausschaltung von induktiven Lasten (Schütz-spulen, Relaisspulen, Leuchtstofflampen, usw.)einige Dutzend pulsförmige Störfelder, die einStörspektrum bis über 100 MHz aufweisen, ausge-sendet. Es ist deshalb absolut notwendig, entspre-chende Schutzmassnahmen zu treffen. FolgendeMöglichkeiten stehen zur Verfügung:
1. Filterung
Die Filterung besteht darin, zwischen jeder Aderder Anschlusskabel und dem Gehäuse oder derHF-Potentialausgleichsfläche des Endgerätes einenKondensator kleinen Wertes oder ein Tiefpass-Filter zuzuschalten. Dadurch werden die hoch-frequenten Störströme direkt beim Eintritt in dasGehäuse zur Erde abgeleitet. Diese Massnahme istjedoch nur möglich, wenn die Bandbreite des Nutz-signals nicht zu gross ist, da sonst das Nutzsignaldurch das Filter ebenfalls gedämpft wird. Deshalbist diese Lösung für Netzwerke mit hohen Taktfre-quenzen nicht zu empfehlen.
2. Galvanische Trennelemente
Galvanische Trennelemente wie Trenntransforma-toren, Optokoppler, Relais usw. verhindern nur imniederfrequenten Bereich das Fliessen von Gleich-taktströmen. Im hochfrequenten Bereich (über ei-nigen 100 kHz) stellen sie, bedingt durch die Streu-kapazität zwischen Primär- und Sekundärkreis, ge-genüber Gleichtaktstörungen praktisch einen Kurz-schluss dar.
3. Baluns
Bild 9.7 zeigt das Prinzip einer symmetrischenÜbertragung mit Baluns. Die Störspannungen,die durch Gleichtaktstörströme an beiden leitungs-seitigen Wicklungen des Baluns entstehen, hebensich theoretisch auf, da sie gegensätzlicher Po-larität sind. Bedingung dafür ist, dass die bei-den Symmetrierwicklungen des Baluns total iden-tisch sind. Praktisch ist dies sehr schwer zu rea-lisieren. Man erreicht wegen dieser Unsymme-trie in den besten Fällen Gleichtaktunterdrückungs-verhältnisse von ca. 1 zu 1’000.
Eine niedrige Impedanz zwichen dem Erdungsan-schluss des Baluns und dem Gerätegehäuse istvon entscheidender Bedeutung. Vor allem imhochfrequenten Bereich bewirkt eine hohe Er-dungsimpedanz des Baluns eine starke Verschlech-terung des Gleichtaktunterdrückungsverhältnisses.Die Erdung der Balune an beiden Leitungsendenführt zur Entstehung einer Erdschleife. DurchErdrückströme oder bei Blitzschlägen kann es zurZerstörung der Balune kommen. Balune bieten denVorteil, dass sie gleichzeitig der Impedanzanpas-sung dienen.
i Signal
i Stör i Stör-
I IL___--_-_____-------______---____J
Bahn 1Bild 9.7: Signal-Übertragung mit Baluns
4. Geschirmte Kabelsysteme
Der Schirm eines geschirmten Kabels muss, damiteine Schutzwirkung erzielt wird, an beiden Endengeerdet sein. Der Schirm stellt zwischen beidenEndgeräten praktisch einen Kurzschluss dar undverhindert so die Entstehung einer Störspannungbei den Endgeräten.
Die Art der Erdung des Schirms ist dabei vongrösster Bedeutung. Er muss direkt mit demGehäuse der Endgeräte kontaktiert werden. Dieskann mittels metallischen Steckergehäusen, PG-Verschraubungen oder Befestigungsbriden er fo l -gen. Für die Erdung von Kabelschirmen sind Litzenunbrauchbar, da ihre Induktivität bei hohen Fre-quenzen eine hohe Impedanz darstellt.
63
9 Elektromagnetische Verträglichkeit RAVEL
Besonders wichtig ist auch, dass der Schirmüber die ganze Länge einer Verbindung, inklu-sive Zwischenstecker, die Adern des Kabels kon-’zentrisch umschliesst. Zu diesem Zweck mussder Schirmungsqualität der Stecker grosse Sorg-falt gewidmet werden. Die Schirmungsqualität derStecker und der Kabel wird durch die sogenannteKopplungs-lmpedanz bestimmt.
Ein geschirmtes System mit einem guten Stecker-material, das richtig installiert wurde, stellt nachdem heutigen Stand der Technik für Hochge-schwindigkeitsdatennetzwerke, auf Grund der ho-hen Bandbreite der Nutzsignale, die beste Schutz-massnahme gegen Gleichtaktstörströme dar.
5. Verkleinerung der Schleifenfläche
Die Höhe der Gleichtakstöreinkopplung hängthauptsächlich von der Schleifenfläche zwischen denKabeln und der Erde ab. Diese Fläche sollte injedem Fall, parallel zu den anderen besproche-nen Schutzmassnahmen wie Filterung, symmetri-sche Übertragung oder Abschirmung, so stark wiemöglich reduziert werden. Für sich allein ist dieseMassnahme ungenügend.
Die beste Art, die Schleifenfläche zu reduzieren, be-steht darin, die Kabel in metallischen oder leitfähi-gen, geerdeten Kanälen zu verlegen.
6. Ferrit-Ringe
Durch Erhöhung der Impedanz der Schleife, die ausdem Kabel, den Gehäusen der Endgeräte und derErde besteht, kann der eingekoppelte Störstrom re-duziert und somit die Beeinflussung der Endgeräteverringert werden. Ferrit-Ringe sind Elemente, die,wenn sie um das ganze Kabel plaziert werden, eineErhöhung der Schleifenimpedanz bewirken. Aller-dings ist die Erhöhung von einigen lOOR, die damiterreicht werden kann, meist ungenügend. DieseMassnahme sollte dementsprechend nur punktuellund in Ergänzung zu anderen Mitteln bei gestörtenAnlagen zum Einsatz kommen.
Blitzschutz
Wegen der bereits erwähnten grossen räumli-chen Ausdehnung, sind Datennetzwerke bei Blitz-schlägen besonders gefährdet. Der Blitzstossstromkann, wenn keine besonderen Schutzmassnahmen
getroffen werden, in die Schleifenflächen zwischenden Kabelgruppen sowie zwischen Kabeln und Erdetransiente Überspannungen bis über 100 kV in-duzieren. Diese Überspannungen können mit ei-nem geschirmten Kabelsystem und einem einwand-freien Blitzschutz- und Potentialausgleichskonzeptsehr stark reduziert werden, so dass sich in man-chen Fällen der Einsatz von Überspannungsschutz-elementen (Varistoren, Gasableiter, usw.) erübrigt.
Die EMV-Anforderungen von Datennetzwerken[34] sind sehr vielfältig. Entgegen der oft verbreite-ten Meinung, dass vor allem das verwendete Kabel-system die EMV-Eigenschaften beeinflusst, mussfestgehalten werden, dass es vielmehr die Date-nendgeräte sind, die diese Eigenschaften massge-bend bestimmen. Es liegt in der Verantwortung derHersteller, an den Endgeräten Schutzmassnahmenzu treffen, die einen störsicheren Betrieb gewähr-leisten. Bezüglich EMV besteht die Rolle des Ver-kabelungssystems “lediglich” darin, in bestimmtenFällen (z.B. wenn es geschirmt ist) die Störsicher-heit der Endgeräte zu erhöhen.
9.4 EMV und Antriebstechnik
Eine geregelte, stromrichtergespeiste Asynchron-maschine lässt sich prinzipiell auf das Regelsystemdes Bildes 9.8 reduzieren. Diese besteht aus
der Regeleinrichtung: Drehzahl- oder Stromreg-ler und Leistungsstellglied (Stromrichter)
der Regelstrecke: Asynchronmotor und Arbeits-maschine
und dem Messgeber: Drehmoment/Drehzahl(Tachogenerator)
Bild 9.8: Antriebs-Regelsystem
Der Regeleinrichtung wird eine Führungsgrösse w(z.B. Drehzahlsollwert) vorgegeben. Es ist Auf-gabe der Regeleinrichtung mittels der Stellgrössey (z.B. ASM-Erregerstrom) so auf die Regel-strecke einzuwirken, dass bei einer Änderung der
64
RAVEL 9.5 Installationshinweise
Störgrösse .z (z.B. Laständerung der Arbeitsma-schine) die sich ergebende Differenz zwischenFührungsgrösse w und Regelgrösse 2 (z.B. Dreh-zahl) schnell und schwingungsarm wieder zu Nullgemacht wird.
Auswirkungen bekannter Störgrössen wie Netz-spannungsschwankungen, Temperatur- oder Wi-derstandsänderungen lassen sich aufgrund dervorgegebenen Anlagenspezifikationen abschätzen.Störgrössen können aber auch als elektromagneti-sche Beeinflussung auf Verbindungsleitungen undBaugruppen des Regelsystems einwirken. Deshalbist sicherzustellen, dass zwischen Antriebssystemund Umgebung elektromagnetische Verträglichkeitbesteht.
Bei der Entwicklung und dem Einsatz von elek-trischen Antriebssystemen ist z.B. darauf zu ach-ten, dass die durch das Schalten der Stromrich-ter ausgelösten transienten Vorgänge die eigeneSteuer- und Regelelektronik nicht stören. Typi-sche Massnahme dagegen ist die Verringerung die-ser Netzrückwirkungen durch lokale Einzelkompen-sation mit Saugkreisen und Filtern.
Bereits im Planungsstadium komplexer Antriebs-systeme sollten EMV-Aspekte umfassend berück-sichtigt werden. Der gezielte Einsatz EMV-förder-licher Komponenten und Massnahmen (z.B. EMV-Plan) lässt nach Bild 9.9 bei anfänglich höheremPräventiv-Aufwand Kp spätere EMB-Probleme(EMB = Elektromagnetische Beeinflussung) mitnur geringer Wahrscheinlichkeit auftreten und da-mit geringe Nachbesserungskosten KN anfallen.
x
t
EMB-Wahrscheinlichkeit - W EMB
Bild 9.9: Kostenvergleich
9.5 Installationshinweise
Mit geeigneten Massnahmen [35], [36] könnenStörgrössen im Bereich Funkentstörung und Störfe-stigkeit elektronischer Systeme auf ein verträgli-ches Mass reduziert werden. Die Kombination vonErdungs/Schirmungs-Massnahmen mit Entstörfil-tern erlaubt einen sicheren Betrieb. Durchgute Erdung müssen asymmetrische Störströmemit möglichst geringer Impedanz zur Störquellezurückgeführt werden.
Bei der Montage von Frequenzumrichtern undFiltern ist die beste Erdungsmöglichkeit aus-zuwählen
Einzelne Komponenten sind grossflächig zukontaktieren (Skin-Effekt), Wenn erforderlichLackierung entfernen.
Leitfähige Gehäuseteile miteinander verbinden
Zentralen Erdungspunkt fixieren (Potential-Ausgleichsschiene)
Die Beeinflussung benachbarter elektronischer An-lagen durch abgestrahlte Störenergie kann durchgute Schirmung verhindert werden.
Leistungselektronische Baugruppen hoher Leis-tung metallisch kapseln
Kabel zwischen Umrichter und Motor schirmen
Steuerleitungen geschirmt verlegen
Den Schirm digitaler Steuerleitungen beidseitigund grossflächig mit Erde verbinden
Den Schirm analoger Steuerleitungen hoher Im-pedanz einseitig und mit Erde verbinden
In jedem Fall grossflächige Schirmung sicherstel-len
Hochfrequente Störgrössen die über Netzkabel aufbenachbarte Baugruppen einwirken müssen durchFilterung eliminiert werden.
Einbauhinweise der Lieferfirmen befolgen
Filter und Umrichter auf gemeinsamer metalli-scher Platte montieren
Filter möglichst nahe am Umrichter montieren
Filter können Ableitströme erzeugen und sinddeshalb gut zu erden
65
9 Elektromagnetische Verträglichkeit RAVEL
9 . 6 E M V - N o r m e n
EMV-Normen der obersten Ebene sind Empfehlun-gen der CISPR (Comite International Special desPertubations Radioelectriques) die ausschliesslichdem Schutz der Funkdienste dienen und durch lan-desspezifische Zusätze ergänzt werden.
EMV-Normen auf europäischer Ebene (CEBEKECund EFTA) dienen der Angleichung der Rechtsvor-schriften der Mitgliedstaaten über die Elektroma-gnetische Verträglichkeit (Amtsblatt L139/19) wo-bei der Schutz des Verbrauchers im Vordergrundsteht. Schutzziele und Vorgehesweise für die EMVwurden definiert.
Richtlinien der Europäischen Union
Die wichtigsten Ziele der EWG-Richtlinien [37] imBereich der Technik können folgendermassen zu-sam mengefasst werden:
l
l
Realisierung der technischen Harmonisierung
Angleichung der Rechtsvorschriften der Mit-gliedstaaten
l
l
Bereitstellung von Instrumenten für die Be-wertung der Konformität
Ermöglichung der gegenseitigen Anerkennungder Konformität
Ermöglichung der gegenseitigen Anerkennungder Allgemeinzulassungen
Die meisten Richtlinien bezwecken die Gewährlei-stung der Sicherheit von Personen, die Verhin-derung von unzulässigen Emissionen auf die Um-welt (z.B. Richtlinie 89/336 ElektromagnetischeVerträglichkeit (EMV)), den Schutz der Konsu-menten oder das Verhindern von Monopolen (z.B.Endeinrichtungen der Telekommunikation).
Der Inhalt der Richtlinien umfasst im Prinzip alswichtigste Punkte:
die allgemeinen Anforderungen, welche dieProdukte erfüllen müssen,
die für die Konformitätsbewertung anzuwen-denden Verfahren.
Die Richtlinien der EU werden durch den Ratder Europäischen Gemeinschaften erlassen undim Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaftenveröffentlicht.
Die Mitgliedstaaten müssen die erforderlichenMassnahmen treffen, um diesen Richtlinien nach-zukommen. Dies erfolgt, soweit notwendig, indemsie ihre bestehende Gesetzgebung anpassen odereine entsprechende neue Gesetzgebung schaffen.
Akkreditierte Steilen
Eine akkreditierte Stelle ist eine Stelle, die übereine Akkreditierungsbescheinigung verfügt, bzw.welche die EN 45000 Normenreihe erfüllt.
Die Akkreditierungsbescheinigung wird erteilt,wenn eine Stelle beweist, dass sie über die not-wendigen Kenntnisse, Personal, Ausrüstung, Un-parteilichkeit und Unabhängigkeit verfügt (EN45001), um eine bestimmte Prüfaufgabe normge-recht durchführen zu können. Sie muss dazu auchein Qualitätssicherungssystem (im Prinzip auf derBasis der europäischen Norm EN 29003) unterhal-ten.
In der Schweiz ist das Eidgenössische Amt fürMesswesen (EAM) für die Akkreditierung vonPrüflaboratorien zuständig. Die Volksabstimmungvom 6. Dezember 1992 hat keinen direkten nega-tiven Einfluss auf die Akkreditierung.
Zuständige Stellen
Einzelne Richtlinien (z.B. die Richtlinie 89/336über EMV) verlangen für den Fall, dass der Herstel-ler die harmonisierten europäischen Normen nichtangewandt hat, dass er einen technischen Berichtoder eine Bescheinigung einer zuständigen Stellezur Verfügung der zuständigen Behörden hält. Eshandelt sich um eine zusätzliche Stufe zwischender Akkreditierung und der Notifizierung. Die An-erkennung der Zuständigkeit muss auf eine der fol-genden Arten geschehen:
über eine Akkreditierungsstelle, die durch diezuständige Behörde des Mitgliedstaates aner-kannt wird;
durch eine Stelle, welche die zuständigeBehörde des Mitgliedstaates vertritt.
66
RAVEL 9.6 EMV-Normen
Die Schweiz hat, seit der Abstimmung vom 6. De-zember 1992, keine Möglichkeit zuständige Stellenzu ernennen. Es erscheint jedoch denkbar, dassschweizerische akkreditierte Prüflaboratorien vonzuständigen Behörden in EWR-Mitgliedstaaten alszuständige Stellen anerkannt werden können.
Zuständige Behörden
Die Ämter die in den einzelnen Mitgliedstaaten da-mit beauftragt sind, die Verpflichtungen gegenüberder EU zu vollziehen, werden als zuständigeBehörden bezeichnet. Sie sind es, die die Notifi-zierung der benannten Stellen vornehmen.
Aufgaben der Hersteller
Die Konformitätsbewertungsmodule definie-ren nicht nur den Beizug und die Aufgaben vonbenannten (notifizierten) Stellen, sondern sie spe-zifizieren auch die Verpflichtungen der Hersteller inBezug auf die Konformitätsbewertung.
Demnach werden den Herstellern, je nach Modul,folgende Arten von Aufgaben auferlegt:
l
l
l
l
die technischen Unterlagen zur Verfügung dereinzelstaatlichen Behörden zu halten;
die Konformität mit den grundlegenden An-forderungen der Richtlinien zu erklären;
die CE-Kennzeichnung anzubringen;
der benannten Stelle ein Baumuster zu unter-breiten;
l die Konformität mit der zugelassenen Bauartzu erklären;
l ein zugelassenes Qualitätssicherungssystem zuunterhalten;
l
l
die technischen Unterlagen vorzulegen;
das Produkt vorzuführen;
Die meisten Richtlinien sind in hohem Masse aufdie Selbstverantwortung der Hersteller ausgerich-tet.
EG-Konformitätserkrung
Sämtliche Module verlangen vom Hersteller oderseinem in der Gemeinschaft niedergelassenen Be-vollmächtigten, dass er beim Inverkehrbringen ei-nes Produktes eine EG-Konformitätserklärung aus-stellt. Diese Erklärung muss den zuständigenBehörden während eines Zeitraumes von zehnJahren nach dem letzten Inverkehrbringen zurVerfügung gehalten werden.
Die schweizerischen Hersteller können die EG-Konformitätserklärung selbst ausstellen. In diesemFall gilt allerdings die Pflicht des zur Verfügung-haltens der Unterlagen während zehn Jahren fürdenjenigen, der das Produkt im EWR in den Ver-kehr bringt. Das kann ein Vertreter oder der Kundeselbst sein.
CE-Kennzeichnung
Die CE-Kennzeichnung nach Bild 9.10 wird aufdem Produkt, der Verpackung, der Bedienungsan-leitung oder dem Garantieschein angebracht. Fälltdas betreffende Produkt unter mehrere Richtlinien,so weist diese Kennzeichnung auf die Übereinstim-mung mit den Anforderungen sämtlicher Richtli-nien hin. Es kann gegebenenfalls mit dem Kurz-zeichen der gemeldeten Stelle, welche die Baumus-terbescheinigung ausgestellt hat, ergänzt werden.Gewisse Richtlinien verlangen, dass zusätzliche An-gaben wie z.B. der Name des Herstellers, die Be-zeichnung des Produktes, der Typ der verwendetenelektrischen Versorgung, die Kategorie des Gerätesund/oder die beiden letzten Zahlen des Jahres indem die CE-Kennzeichnung angebracht wurde, aufdem Produkt stehen.
Bild 9.10: CE-Kennzeichnung
67
9 Elektromagnetische Verträglichkeit RAVEL
Die CE-Kennzeichnung muss vom Hersteller oderseinem im EWR ansässigen Bevollmächtigten an-gebracht werden. Damit ist zu verstehen, dass dasEG-Konformitätszeichen in der Schweiz angebrachtwerden kann.
Europäische Normen
Die europäischen Normen bilden das eigentliche“Werkzeug” für die Bewertung der Konformität ei-nes Produkts mit den Anforderungen der Richt-linien der EU. Im Prinzip werden bereits vorhan-dene internationale Normen möglichst so wie siesind oder mit leichten nderungen als europäischeNormen übernommen. Mit der Zeit sollten somitüberall auf der Welt die gleichen oder sehr ähnlicheNormen zur Anwendung kommen.
Europäische Normen müssen harmonisiert sein, da-mit sie für die Konformitätsbewertung verwendetwerden können. Harmonisierte europäische Nor-men wie z.B.
EWG Nr. 89/336Elektromagnetische’Verträglichkeit (EMV)Übergangsbestimmung ab 1. Januar 1992Endgültige Anwendung ab 1. Januar 1996
sind Normen, deren Fundstelle im Amtsblattder Europäischen Gemeinschaften veröffentlichtwurde.
Anwendung der EU-Richtlinien
Während der Übergangsfrist hat der Hersteller dieWahl zwischen der Anwendung der alten nationalenBestimmungen (im allgemeinen in jedem Mitglied-staat unterschiedlich) und der Anwendung der Be-stimmungen, welche in den Richtlinien der EU defi-niert werden. Wählt er die zweite Lösung, so musser die Konformität mit den Richtlinien erklären unddie CE-Kennzeichnung anbringen.
Harmonisierte europäische EMV-Normen
Bei der “Fundstelle der Spezifikationen” handeltes sich um die harmonisierten europäischen EMV-Normen, nach denen geprüft werden muss. Diezum heutigen Zeitpunkt bereits harmonisiertenEMV Normen sind nachfolgend zusammengefasst.Für die meisten Hersteller sind die Fachgrundnor-men (auch “Generic” Normen genannt) EN 50081-x und 50082-x von grösster Bedeutung.
EN 500651 Übertragung von Signalen in elektri-schen Niederspannungsnetzen im Frequenzbereich3kHz bis 148,5 kHz
EN 55011 Grenzwerte und Messverfahren fürFunkstörungen von industriellen, wissenschaft-lichen und medizinischen Hochfrequenzgeräten(ISM-Geräten)
EN 55013 Grenzwerte und Messmethoden für dieFunkstöreigenschaften von Rundfunkempfängernund angeschlossenen Geräten
EN 55014 Grenzwerte und Messverfahren fürFunkstörungen von Elektrohaushaltsgeräten, hand-geführten Elektrowerkzeugen und ähnlichen Elek-trogeräten
EN 55015 Grenzwerte und Messverfahren fürFunkstörungen von Leuchtstofflampen
EN 55020 Grenzwerte und Messverfahren derStörfestigkeit von Rundfunkempfängern und ange-schlossenen Geräten
EN 55022 Grenzwerte und Messverfahren fürFunkstörungen von informationstechnischen Ein-richtungen
EN 60555-2 Rückwirkungen in Stromversorgungs-netzen, die durch Haushaltsgeräte und ähnlicheelektrische Einrichtungen verursacht werdenTeil 2: Oberschwingungen
EN 60555-3 Rückwirkungen in Stromversorgungs-netzen, die durch Haushaltsgeräte und ähnlicheelektrische Einrichtungen verursacht werdenTeil 3: Spannungsschwankungen
EN 50081-1 Elektromagnetische VerträglichkeitFachgrundnorm StöraussendungenTeil 1: Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebe-reiche sowie Kleinindustrie
EN 50082-1 Elektromagnetische VerträglichkeitFachgrundnorm StörfestigkeitTeil 1: Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebe-reiche sowie Klein-industrie.
68
RAVEL 9 . 6 EMV-Normen
Terminplan und Übergangsbestimmungen
Der Mangel an harmonisierungsfähigen EMV-Normen hat mitunter dazu geführt, dass dieendgültige Anwendung der Richtlinie bzw. der har-monisierten Normen auf den 1. Januar 1996 ver-schoben werden m usste.
In der Zwischenzeit haben die Hersteller die Wahlzwischen den beiden folgenden Möglichkeiten:
Anwendung der bis zum 30. Juni 1992 imjeweiligen Mitgliedstaat geltenden nationalenBestimmungen. Diese Lösung gibt kein Rechtauf das Anbringen der CE-Kennzeichnung.Damit kann das Produkt im EU- und EWR-Gebiet nicht frei verkehren und verkauft wer-den.
Anwendung der harmonisierten europäischenNormen und Anbringender CE-Kennzeichnung. Damit kann das Pro-dukt in allen EU- und EWR-Mitgliedstaatenfrei verkehren und verkauft werden
Stand der schweizerischen EMV-Gesetzge-bung
Die Vermeidung von Störungen (EMV) wird in derschweizerischen Gesetzgebung durch folgende Ver-ordnungen geregelt:
Verordnung über elektrische Niederspan-nungserzeugnisse SR.734.26 (NEV) aus demJahr 1993
l Verordnung über elektrische Schwachstrom-anlagen SR.734.1 (Schwachstromverordnung)aus dem Jahr 1994
l Verordnung über elektrische Starkstroman-lagen SR.734.2 (Starkstromverordnung) ausdem Jahr 1994
Verordnung über elektrische LeitungenSR.734.31 (LeV) aus dem Jahr 1994
Das schweizerische Recht ist, dank der Verordnungüber elektrische Niederspannungserzeugnisse eini-germassen kompatibel mit den Bestimmungen derEU-Richtlinie über EMV.
Stand der schweizerischen EMV-Normung
Die bereits in Kraft getretenen schweizerischenEMV-Normen, in welchen die harmonisierten eu-ropäischen Normen umgewandelt wurden, sindnachfolgend aufgelistet.
SEV 3745-1 Elektromagnetische Verträglichkeit,Fachgrundnorm StöraussendungenTeil 1: Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebe-reiche sowie Kleinindustrie
SEV 3746-1 Elektromagnetische VerträglichkeitFachgrundnorm StörfestigkeitTeil 1: Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebe-reiche sowie Kleinindustrie
Es ist davon auszugehen, dass diese Liste in dennächsten Jahren stark erweitert wird.
9 Elektromagnetische Verträglichkeit RAVEL
Wichtige internationale Normen für Immunität und Emission
Fachgrundnormen
EN 50082-1 (Immunität = Störsicherheit)
EN 50081-1 (Emission = Abstrahlung)
prEN 50082-2 (Immunität)prEN 50081-2 (Emission)
Basisnormen: Immunität
prEN 61000-4-2 / IEC 801-2 / IEC 1000-4-2
prEN 61000-4-4 / IEC 801-4 / IEC 1000-4-4prEN 61000-4-5 / IEC 801-5 / IEC 1000-4-5EN 61000-4-11 / IEC 1000-4-11
Basisnormen: Emission
EN 55011 bis EN 55022(CISPR 11, 13, 14, 15, 20, 22)
Norm: Elektrische Sicherheit
EN 60204-1 / IEC 204-1 Maschinen
EN 61010 / IEC 1010 LaborgeräteEN 60355-1 / IEC 335-1 HaushaltgeräteEN 60601-1 / IEC 601-1 MedizingeräteEN 60950-1 / IEC 950 EDV, Büroeinrichtg.
Norm: Netzrückwirkungen
EN 60555-2 / IEC 555-2prEN 61000-3-2 / IEC 1000-3-2EN 60555-3 / IEC 555-3EN 61000-3-3 / IEC 1000-3-3
Norm: Toleranzen für Spannungsqualität
EN 50160 öffentliche Netze
Normen: Magnetische und elektrische Felder
GENERIC-STANDARD für Wohn-, Geschäfts-und GewerbebetriebeGENERIC-STANDARD für Wohn-, Geschäfts-und GewerbebetriebeGENERIC-STANDARD für IndustrieumgebungGENERIC-STANDARD für Industrieumgebung
ESD-Prüfung (Luft und Kontakt)2/4/6/8kV (15kV spezial)BURST 5/50ns, 0.5/1/2/4kV, 2.5/5kHz TaktfrqSURGE 1.2/50/~s, 0.5/1/2/4kV, Tol. +/-10%Netzunterbrüche 100% Einbrüche 30 und 60%,Änderungen in Sekunden
Netzgebundene Hf-Störungen0.15 - 30MHz, Abstrahlung bis 1 GHz
Isolationsspg. 500Vdc, Hochspg. 1kVacSchutzleiter 10A Restspannung < 60Vbis 6kVac500Vdc, bis 3.75kVac, 5OOVA, Schutzleiter 25A
Oberschwingungen 2-40: Grenzwerte3=2.3A, 5=1.14A, 7=0.77A usw.Flicker = 1 - 1620 Spannungsänderungen/Min.(Flickerwert max. 1.0)
Oberschwingungen, Flicker, Signalspannungen,Unterbrüche usw.
BUWAL (Umwelt 204) 10Hz-100kHz (Emission) M-Feld, 50Hz, 100pT max., E-Feld, 5kV/m max.DIN/VDE 0848, dc-30kHz (Emission) M-Feld, 50Hz, 400pT max., E-Feld, 7kV/m max.EN 61000-4-8 / IEC 1000-4-8 (Immunität), M-Feld, 50Hz, 5 Stufen (1, 3, 10, 30, 100A/m)
Diese Liste enthält nicht alle Normen und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit!
70
10.1 Laborversuch Ll - Parameteridentifikation einer Asynchronmaschine
10 Laborversuche zur Antriebsmesstechnik10.1 Laborversuch Ll - Parameteridenti-
fikation einer Asynchronmaschine
In diesem Laborversuch sollen die Parameter deselektrischen und des thermischen Ersatzschaltbil-des eines ASM-Normmotors der mittleren Lei-stungsklasse identifiziert werden.
ASM Maschinendaten (Typenschild)
Hersteller, Typ ABB, QU 160 M4 AKBauform B3Kühlart oberflächengekühltNennleistung l l .OkWNennspannung 4OOV
N e n n s t r o m 225AFrequenz 50HzLeistungsfaktor 0.85Nenndrehzahl 1460 min-’
Für die Parameteridentifikation sind folgende Mes-sungen durchzuführen:
Bestimmung der elektrischen Parameter
l Messen der Statorwiderstände0 Leerlaufmessungl Kurzschlussmessung
der zulässige Strangnennstrom nicht überschrittenwerden (Sternschaltung - zwei Spulen in Serie).
Leerlaufmessung
Im Leerlauf ist die magnetische Energie im Haupt-feld gespeichert. Dieses durchsetzt das Statorjoch,den Luftspalt und das Rotoreisen. Die der Leer-laufspannung proportionale Magnetische Induktionsättigt das Eisen womit sich ein nichtlinearer Zu-sammenhang von Strom und Spannung feststellenlässt.
Für die Leerlaufmessung wird die Statorwicklung inDreieck geschaltet und die Klemmenspannung übereinen Regeltransformator eingestellt. Die Leerlauf-kennlinie ?IJo = f(Io) ist punktweise zu bestimmenund die Reaktanz X1 = XI, + Xlh ist zu berech-nen.
Leerlaufreaktanz
Hauptreaktanz
Eisenverluste
xl, + xh = $JQlo
Xh = &(QJ
RFe = &e(Gz)
Kurzschlussmessung
Im Kurzschlussversuch wird die ASM blockiert wo-
mit sie sich wie ein kurzgeschlossener Transforma-tor verhält. Der Grossteil der magnetischen Ener-gie ist in diesem Falle in den Streufeldern der Nu-tenräume, des Luftspaltes und der Wickelköpfe ge-speichert.
Bild 10.1: Elektrisches ASM-Modell
Statorwiderstand
Aus der Messung aller Strangwiderstände desStators wird ein Mittelwert errechnet. DieStrom/Spannungsmessung wird mit der bereit-gestellten Stromversorgung, dem Digitalvoltmeterund dem Amperemeter durchgeführt. Dabei sollte
Der 1.5-fache Nennstrom sollte nicht überschrittenwerden! Die Kurzschlusskennlinie uk = f(Ik) istpunktweise zu bestimmen und die StreureaktanzenXI, + XzO sind zu berechnen.
Streureaktanzen
Wirkwiderstände
. XI, + X2a = Qlk/I;k
R1 + R; = &&
71
10 Laborversuche zur Antriebsmesstechnik RAVEL
Temperaturmessung
Für die Bestimmung des stationären und desdynamischen Temperaturverhaltens der belaste-ten Asynchronmaschine werden die sich langsamändernden Temperaturwerte des Rotors, des Sta-tors und der Statorwicklung nur beobachtet.
Das Erwärmen (Einschaltmodell) und Abkühlen(Ausschaltmodell) der Asynchronmaschine bis zustationären Temperatur-Endwerten ist ein Vor-gang, der sich über Stunden hinzieht und kanndeshalb während der vorgegebenen Kurs-Laborzeitnicht nachvollzogen werden.
Die folgende Auswertung stützt sich deshalb aufdie bereits gemessenen Temperaturverläufe für dieLastströme 14.5A und 19.6A.
Bestimmung der thermischen Parameter
l Thermische Leitwertel Wärme-Kapazitäten
Bild 10.2: Thermisches ASM-Modell
Wärmeleitwerte (stationär)
Anhand der gemessenen Temperaturverläufe wer-den für zwei Lastfälle die stationären Endtempera-turen bestimmt und in die Koeffizientenmatrix deslinearen Gleichungssystems
io’h20
h30
h12
h13
h23- .
v,v2
v3
W
v2*
G
eingesetzt, wobei unter 191, z.B. die Temperatur-differenz 61 - du, mit der Umgebungstemperatur6, = 23”C, zu verstehen ist.
Die rechte Gleichungsseite enthält die aufgrund derbekannten elektrischen Modellparameter berechne-ten Verlustleistungen V für die unterschiedlichenLastfälle.
Wärmekapazitäten (dynamisch)
Zur Ermittlung der Wärmekapazitäten, die bei pe-riodischen Lastvorgängen entscheidend zum Tem-peraturverlauf beitragen, müssen die gegebenenTemperaturverläufe 8(t) und die sich zeitlichändernden Verluste V(t) numerisch integriert wer-den.
t, t, tr
/y(t)dt - h,,/(fi,-19,)dt - h,J(+%)dtc,= o 0 0fV”s t, 1.
/V,(t)dt -h,,J(6,-19,)dt -ha/($-19,)dt
c,= Cl0 0
4- 19,
(Index ‘N’ steht für stationären Nennbetrieb) be-ruhen auf Erfahrungswerten.
Hinweis: Bei der Bestimmung der Maschinenpara-meter ist zu beachten, dass das elektrische Ersatz-schaltbild nur für einen Maschinenstrang gilt, imGegensatz zum thermischen Ersatzschaltbild dasdie gesamte Maschine repräsentiert.
72
RAVEL 10 .2 Laborversuch L2 - Bestimmung mechanischer Antriebskenngrössen. .
10.2 Laborversuch L2 - Bestimmung me-chanischer Antriebskenngrössen
In diesem Laborversuch wird gezeigt, wie sich Mas-senträgheitsmomente einfacher Rotationskörperberechnen und messen lassen. Mit Hilfe eines Pen-dels oder Auslaufversuches (mit und ohne Hilfs-schwungmasse) können Trägheitsmomente ganzerAntriebsanlagen bestimmt werden.
Massenträgheitsmomente
--i d I-
- --- dl d,9Bild 10.3: Rotationskörper (Hilfs-Schwungmasse)
Schwungmasse mhi = 17.8291cg
Aussendurchmesser d, = 274mm
Innendurchmesser di = 50mm
Dicke d = 40mm
A) Berechnung
Das Trägheitsmoment eines Vollzylinders derMasse m mit dem Radius r wird nach der Bezie-hung
1J = -mhiT’
2
bestimmt. Der vorliegende Rotationskörper mitdem Aussenradius ra und der Dicke d weist jedocheine konzentrische Bohrung ri auf. Sein Trägheits-moment Jhi kann deshalb mit der Formel
berechnet werden. Das Trägheitsmoment Jhi kannauch mit der Formel für einen Hohlzylinder
bestimmt werden.
B) Messung
Bei der Messung von Massenträgheitsmomen-ten wird das Prinzip der parallelen Verlage-rung der Schwerpunktdrehachse ausgenutzt (STEI-N ER’scher Satz).
Bild 10.4: Hilfs-Schwungmasse als Pendel
Achsabstand- r = 143mm
Der Rotationskörper wird dazu in einem Punktausserhalb des Schwerpunktes aufgehängt und zuSchwingungen mit kleiner Amplitude angeregt.Gemessen wird die mittlere Periodendauer T, wo-nach sich gemäss
- mr*
das Trägheitsmoment der Hilfsschwungmasse be-rechnen lässt.
73
10 Laborversuche zur Antriebsmesstechnik RAVEL
Trägheitsmoment ASM-Rotor
Berechnet wird das Trägheitsmoment eines 151cWASM-Rotors
1 d1 t+-
rlr-l
Auslaufversuch
Mit Hilfe des Auslaufversuches kann das Trägheits-moment J einer Antriebsanlage bestimmt werdenwenn das Bremsmoment mb unbekannt ist. Dazuwird eine Hilfsschwungmasse vom Trägheitsmo-ment Jhi mit der Antriebswelle gekoppelt und dasunterschiedliche Auslaufverhalten ausgewertet.
Beschleunigungsmoment:
mit den folgenden Abmessungen
1 mit2 ohne Hilfsschwungmasse
Zeit t
Bild 10.6: Auslaufkennlinien
Bild 10.5: Rotor Asynchronmaschine
Rotormasse m = 27.604kg
Rotordurchmesser d = 157mm
Durchmesser Rotorachse 1 dl = 45mmDurchmesser Rotorachse 2 dz = 64mmLänge Rotor 1 = 146mm
Länge Rotorachse 1 11 = 584mm
Länge Rotorachse 2 12 = 276mm
Der Rotor kann entweder als eine konzentrische An-einanderreihung von 5 Vollzylindern unterschied-licher Durchmesser oder als Überlagerung von 2Hohlzylindern auf einem Vollzylinder angesehenwerden. Das Gesamtträgheitsmoment wird dannaus der Summe der Einzelmomente berechnet.
Formel für den Vollzylinder und den Hohlzylinder
dw dnmb = Jdt = 27rJdt + mb z 27rJ-
tb
Rotierende Teile
mbi$JFb
Rotierende Teile + Hilfsschwungmasse
Trägheitsmoment aller rotierenden Teile
J = Jhitb
tbhi - tb
Voraussetzung: mb = m*b
74
RAVEL 10.3 Laborversuch L3 - Netz/Umrichterbetrieb von Asynchronmaschinen
10.3 Laborversuch L3 - Netz/Umrichter-betrieb von Asynchronmaschinen
1 1 3-Netz
FU
IASM
alt
ASM Asynchronmotor G M
E-ASM Energiesparmotor DMWS Schalter R,K Kupplung FU
Gleichstrom-Generator ’
Drehmoment-MesswelleLastwiderstandFrequenzumrichter
Bild 10.7: Netz/Umrichterbetrieb von Asynchron-maschinen
Dieser Laborversuch soll das unterschiedlicheBetriebs- und Leistungsverhalten von Asynchron-motoren bei Netzspeisung und beim Betrieb mitFrequenzumrichtern aufzeigen und einen Überblicküber Messeinrichtungen geben, mit denen ihr Lei-stungsvermögen beurteilt werden kann.
Die einzelnen Motoren sind gemäss Typenschildwie folgt spezifiziert:
E-ASM
ASM Norm
ASM alt
G M
VEM, 90 L2 M2112.2kW, 220/380V, 7.7/4.45A5OHz, cos<p = 0.88, 2880 min-l
VEM, KPER 90 L22.2kW, 220/380V, 8.05/4.65A5OHz, coscp = 0.89, 2830 min-l
Spälti, 45 aX21.6kW, 220/380V, 5.0/2.9A5OHz, Alu-Wicklung, 2780 min-’
BBC, GJe443.9kW, 110V/26A110V Erregung, 3000 min-’
Versuchsaufbau
Die zu vergleichenden Motoren E - ASM,ASMneu, ASMalt und der GleichstromgeneratorG sind über Kupplungen K auf der gleichen Wellemontiert und können individuell an das 5OHz, 3-Phasen Drehstromnetz oder an einen Frequenzum-richter geschaltet werden.
Versuchsdurchführung
Ein Leistungsvergleich der Motoren ist insofern er-laubt, als alle Motoren das gleiche Reibmoment zuüberwinden haben.. Beim Anfahren und bei dyna-mischen Lastwechseln wirkt das gleiche, resultie-rende Massenträgheitsmoment.
Es werden die Leistungsmessverfahren
Infratek (billig, verlässlich)Norma (teuere, komfortabel)Labview (PC Auswertung)
demonstriert und das Preis/LeistungsverhäItnis ab-gewogen. Die Möglichkeiten moderner Softwarewerden diskutiert. Ergänzend dazu werden die ver-schiedenen Methoden zur Messung von Drehmo-menten verglichen.
75
10 Laborversuche zur Antriebsmesstechnik RAVEL
Strangspannung und -strom der Norm-ASM am UmrichterI I 1 I I I
Zeit [s]
I
0.005I
0.01I I I I
0.015 0.02 0.025 0.03 0.035Zeit [s]
76
RAVEL 10.3 Laborversuch L3 - Netz/Umrichterbetrieb von Asynchronmaschinen
300
ä2 200
Eg 100wl
- -100?=fj -200S-
-300
Strom und Spannung einer Phase zwischen Umrichter und Netz
-400 L0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035
55c
5 0 0
450
E4 400
F>
350
300
Zeit[s]
Pv(reib) der ganzen Anlage +‘Pv(Eisen) des Norm-Motors in Fkt von Ul
Speisung Netz :
150 200 250 300 350Eingangspannung (Effektivwert) [V]
250 L100
77
10 Laborversuche zur Antriebsmesstechnik
Wirkungsgrade und Schluepfe der 3 Motoren bei Netzbetrieb
0 1 2 3 4 5 6
100
90
r 8088& 70
10
I I I I I
- Energiespar-Mot.- - Norm-Motor
I/-
,
Elektrische Eingangsleistung, (* bei mech. Nennleistung)
Wirkungsgrade und Schluepfe: Netz/FUl bei 50 HzI I I I I
N e t z. -- FUl (4 kHz)
1 l I1 2 3 4 5 6
El. Eingangsleistung [kW], (* bei mech. Nennleistung)
OL0
78
.
10 Laborversuche zur Antriebsmesstechnik RAVEL
10.4 Demonstration Dl - ASM Lei-stungsvergleichh Kreiselpumpe
. .
E-ASM EnergiesparmotorASM NormmotorKP KreiselpumpeVM Durchfluss-MessungBV BypassDV DrosselventilK Kupplung
Bild 10.8: ASM Leistungsvergleich Kreiselpumpe
Versuchsaufbau
Mit einer Kreiselpumpe, die sowohl von ei-nem ASM-Normmotor als auch von einem ASM-Energiesparmotor angetrieben werden kann, wirdWasser gefördert. Mit diesem Pumpenstand sollendie verschiedenen Methoden der Fördermengenre-gelung und die dazu benötigte Antriebsleistung,bzw. Energie-Einsparung, demonstriert werden.
Komponenten des Pumpenstandes
Kreiselpumpe
Normmotor
Energiespar-motor
Volumenstrom-messung
Frequenz-umrichter
Biral, Nt 40-160/158
VEM, KPER 9OL, 1.5 kW1390 min-l, cos cp = 0.86220/380V, 6.05/3.5A
VEM, KPR 9OL, 1.5 kW1430 min-l, coscp = 0.79220/380V, 5.95/3.45A
Endress+Hauser promag 33Magnetisch-induktivesDurchfluss-Mess-System
Regatron2.2kW, 0...100Hz
Versuchsdurchführung
Das Verhältnis der von den Motoren aufgenomme-nen elektrischen Leistung zur geförderten Wasser-menge pro Zeiteinheit, dient als Basis für die Be-urteilung der energie-optimalen Fördermethode.
-
I BV DV
Methoden der Förderstromregelung
1.
2.
3.
Bypass - Mit einem Bypass-Ventil wird dasFördermedium über einen Ausgleichsbehälterdirekt zum Pumpeneingang zurückgeleitet.
Drosselregelung - Ein Drosselventil reduziertablaufseitig die geförderte Flüssigkeitsmenge.
Frequenzumrichter - Die Drehzahl derPumpe ist mittels eines Frequenzumrichtersverstellbar womit die Fördermenge gesteuertwerden kann.
Messungen
Bild 10.9: Methoden der Fördermengenregelung
80
RAVEL 10.5 Demonstration 02 - EM V Elektromagnetische Verträglichkeit-
10.5 Demonstration D2 - EMV Elektro-magnetische Verträglichkeit
Fläche fur Stör-feldeinkopplungen
Bild 10.10: Messungen zur ElektromagnetischenVerträglichkeit
Schutzmassnahmen
Diese Demonstration zur ElektromagnetischenVerträglichkeit beinhaltet eine Zusammenfassungder wichtigsten Regeln zur EMV-gerechten Aus-legung elektrischer Geräte und zum Schutz emp-findlicher, elektronischer Anlagenteile vor transi-enten Überspannungen und elektromagnetischenEinflüssen.
Einen ausreichenden Schutz vor Effekten, die vonBlitzschlägen induziert werden, bietet im Prin-zip ein gutes Erdungs- und Verkabelungskon-zept (minimale Schleifenflächen) der Antriebsanla-gen. Darüberhinaus werden folgende Bauteile zumSchutz vor Überspannungen angeboten.
Versuchsaufbau
Mit Hilfe von 8 unterschiedlichen EMV Ver-suchsaufbauten werden praktische Massnahmenzum Schutz gegen elektromagnetische Störungendemonstriert und qualitativ bewertet.
EMV-Probleme
Der Gasableiter stellt beim plötzlichen Auftre-ten hoher Spannungen aufgrund seines gerin-gen Lichtbogen-Widerstandes für Leitungen einenKurzschluss dar, so dass schädliche Störenergie aufdie Leitungen zurück reflektiert wird.
l EMV-Koppelarten
Ein Varistor verändert mit der Höhe der Störspan-nung seinen Widerstand, der umso niedriger ist jehöher die anliegende Spannung ist.
Eine Schutzdiode wird dann eingesetzt wenn esgilt Spannungen auf einen Wert zu begrenzen dernur leicht über der Betriebsspannung liegen darf.
l Erde, Masse, SchirmEMV-Messtechnik
l Gleich- und Gegentaktunterdrückung- Kabelverdrillung- Schleifenfläche für Feldeinkopplungen
l Schirm probleme- Schirmmaterialien- Schirmung (ein/beidseitig)
Beim Schalten in Antriebsanlagen können hoheÜberspannungen entstehen, die aufgrund von Tei-lentladungen z.B. Defekte an Spannungswandlernverursachen. Impedanzmessungen und Spektral-analysen transienter Störströme sollen EMV Pro-bleme dieser Art verhindern helfen.
l Kabelanschlüsse Beachte Umfangreiches Informationsmaterial zu
- Kabelführung in Geräten den Versuchen und den diskutierten EMV-
- Entkopplungskondensatoren Problemen wird im Kurs ausgehändigt!
L Erde
Gerät 21
ERDE
81
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Installationsrichtlinien zur Reduzierung vonEMV-Problemen in der Antriebstechnik,Schaffer Elektronik AG, CH-4708 Luterbach
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H i rsc h i W. : Konformität von schweizerischenProdukten mit den Bestimmungen der Eu-ropäischen Union, EMC Fribourg SA, 1994
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Messen von Betriebsparameternelektrischer Antriebe
Richtig dimensionierte Antriebe verbessern dieEnergie-Effizienz, die Betriebssicherheit, die Leistungund die Wirtschaftlichkeit der Maschinen und Anla-gen. Alles Faktoren, die für die Wettbewerbsfähigkeitentscheidend sind. Eine exakt auf die Anforderungenabgestimmte, schlanke Auslegung der Antriebe istaber nur möglich, wo die Antriebsparameter wieträge Massen, mechanische und elektrische Verlusteund die Betriebstemperatur, durch messtechnischeAnalysen exakt ermittelt und bestimmt wurden. Wiewerden mit modernen Messmethoden die charak-teristischen Betriebsparameter von elektrischenAntriebssystemen ermittelt, um damit die VorausSetzungen für energieeffizientere, konkurrenzfähigeMaschinen und Anlagen zu schaffen? Welche Mess-verfahren stehen heute zur Verfügung, und wiewerden diese angewendet? Wie geht man dieMessanalyse bei umrichtergespeisten Antrieben an?Wie löst man das Problem der Oberschwingungenund der Blindleistung? Welche Möglichkeiten bietetdie neuartige, in der Praxis noch nicht eingesetzteindirekte Drehmomentmessung? Welche Software fürdie Antriebsauslegung und die Simulation steht heutezur Verfügung? Wie lassen sich die thermischeAuslastung und die elektromagnetische Verträglich-keit messtechnisch erfassen? Antwort gibt die vorlie-gende Kursdokumentation! Sie liefert die Grundlagenzur Antriebsmesstechnik und bietet eine Übersichtüber die heute zur Verfügung stehenden Messmittelund Messmethoden. Welche neuen Möglichkeiten diemoderne Messtechnologie bietet, wird auch in praxis-gerechten Feldversuchen im Labor des Instituts fürElektrische Maschinen der ETH Zürich nachvoll-zogen. Fachleuten, die sich mit der Projektierung,dem Betrieb und dem Vertrieb von elektrischenAntrieben beschäftigen, ist diese Dokumentation einehilfreiche Grundlage für ihre tägliche Arbeit.
1995 724.336 DISBN3-905233-97-5 MESSEN VON BETRIEBSPARAMETERN ELEKTRISCHER ANTRIEBE
