IMS Industrial Mechatronic System

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1 IMS Industrial Mechatronic System SO6155-3A Foliensatz: Frequenzumrichter 1 1

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3 Einsatzgebiete von Frequenzumrichtern Frequenzumrichter dienen heute zur nahezu verlustlosen Stellung von Drehstromasynchronmotoren mit Kurzschlussläufer. Der robuste Motoraufbau und preiswerte technisch ausgereifte Frequenzumrichter ermöglichen vielfältigste Einsatzmöglichkeiten. Hier können nur wenige Applikationen gezeigt werden. 2 Einsatzgebiete von Frequenzumrichtern 3

4 Einsatzgebiete von Frequenzumrichtern Ausführung von Umrichter Heute kann man zwischen zwei Ausführungen von Umrichtern unterscheiden: 1. Der Umrichter sitzt im Schaltschrank Vorteile: Installation auch für Umrichter hoher Leistung möglich Bei mehreren Umrichtern können diese einen gemeinsamen Zwischenkreis nutzen, das bedeutet Kosteneinsparung bei der Installation und beim Betrieb Kurze Steuerleitungen Nachteile: Lange geschirmte Motorleitung nötig Entsprechend Platz im Schaltschrank oder separater Schaltschrank 4 Einsatzgebiete von Frequenzumrichtern Ausführung von Umrichter 2. Der Umrichter ist direkt am Motor angebracht Vorteile: Kurze Motorleitungen Es wird kein Platz im Schaltschrank benötigt Kurze Steuerleitungen Nachteile: Kein Antriebsverbund möglich Nicht für alle Leistungsklassen möglich 5

5 Umrichtertypen Umrichter lassen sich in verschiedene Klassen einteilen. Je nach Anwendung findet man Umrichter mit Spannungs- oder Stromzwischenkreis. Eine e Ausführung ist für große Leistungen und kleine Drehzahlen der Direktumrichter. Die folgende Grafik zeigt die verschiedenen Umrichtertypen. 6 Umrichtertypen Direktumrichter Direktumrichter besitzen keinen Zwischenkreis. Das Prinzip des Direktumrichters ist die Modulation der starren Eingangsfrequenz eines Drehstromsystems auf kleinere Ausgangsfrequenzwerte. Normalerweise werden Direktumrichter mit Synchronmotoren großer Leistung und kleiner Drehzahl betrieben. 7

6 Umrichtertypen Direktumrichter Eigenschaften: Ausgangsfrequenz: 0 bis 20 Hz Stellbereich: 1:200 Leistung: 1 MW bis 40 MW Einsatzbeispiele: Zementmühlen, Förderantriebe 8 Umrichtertypen I-Umrichter Stromzwischenkreisumrichter arbeiten mit einem eingeprägten Strom. Ein gesteuerter netzgeführter Stromrichter erzeugt die erforderliche Zwischenkreisspannung und den Zwischenkreisstrom. Die Drossel im Zwischenkreis hält den Strom konstant. Der I-Umrichter eignet sich für Einzelantriebe, er ist kurzschluss-, aber nicht leerlauffest. Ein er Vorteil ist die Rückspeisung ins speisende Netz ohne zusätzliche Bauteile. 9

7 Umrichtertypen I-Umrichter Eigenschaften: Ausgangsfrequenz: 0 bis 150 Hz Stellbereich: 1:20 Leistung: 10 bis 1500 kw Einsatzbeispiele: Anfahrumrichter, Zentrifugen, Förderbänder 10 Umrichtertypen U-Umrichter Umrichter mit Spannungszwischenkreis sind heute im unteren und mittleren Leistungsbereich die gebräuchlichste Umrichterform. Im Normalfall richtet ein ungesteuerter Gleichrichter die Netzspannung gleich. Ein Kondensator glättet die Spannung. Der Ausgangswechselrichter erzeugt mit Hilfe von Puls-Weiten-Modulation die Spannung für den Motor. 11

8 Aufbau moderner Frequenzumrichter U-Umrichter Eigenschaften: Ausgangsfrequenz: 0 bis 600 Hz Stellbereich: 1:200 Leistung: 0,1 bis 4000 kw Einsatzbeispiele: Textilmaschinen, Werkzeugmaschinen, Klimaanlagen 12 Aufbau moderner Frequenzumrichter Frequenzumrichter lassen sich in 4 funktionale Einheiten untergliedern: Netzgleichrichter Zwischenkreis Maschinenwechselrichter Steuer- und Controlleinheit 13

9 Aufbau moderner Frequenzumrichter Netzgleichrichter Der Netzgleichrichter richtet die Wechselspannung des speisenden Netzes gleich. In den meisten Frequenzumrichtern ist der Gleichrichter ungesteuert ausgeführt, d.h. er besteht aus einer Diodenbrücke. Man unterscheidet zwischen Frequenzumrichter mit einphasiger oder dreiphasiger Einspeisung. Davon abhängig ist auch die Höhe der Zwischenkreisspannung und somit letztlich auch die Ausgangsspannung. 14 Aufbau moderner Frequenzumrichter Netzgleichrichter Einphasige Einspeisung Bei der einphasigen Einspeisung ergibt sich eine Zwischenkreis- spannung von: Dies ergibt bei einer Netzspannung von 230V eine Zwischenkreisspannung von ca. 320V. Der angeschlossene Motor kann so eine maximale Spannung von 3 x 230V erhalten. 15

10 Aufbau moderner Frequenzumrichter Netzgleichrichter Dreiphasige Einspeisung Bei der deiphasigen Einspeisung ergibt sich eine Zwischenkreis- spannung von: Dies ergibt bei einer Netzspannung von 3x400V eine Zwischenkreisspannung von ca. 560V. Der angeschlossene Motor kann so eine maximale Spannung von 3 x 400V erhalten. 16 Aufbau moderner Frequenzumrichter Zwischenkreis und Ladeschaltung Der Zwischenkreis stellt die Gleichspannung für den Maschinenwechselrichter zur Verfügung. Die Gleichspannung wird durch Zwischenkreis- Kondensatoren geglättet. Außerdem liefern diese bei Lastsprüngen kurzeitig die notwendige Energie. Beim Einschalten haben diese Kondensatoren jedoch einen negativen Effekt. Der Einschaltstrom ist bedingt durch die Kondensatoren sehr groß. Abhilfe schafft hier eine spezielle Ladeschaltung. Diese begrenzt im Einschaltzeitpunkt den Strom. Im stationären Betrieb liegt der Kondensator wieder im Zwischenkreis. 17

11 Aufbau moderner Frequenzumrichter Maschinenwechselrichter Der Maschinenwechselricher stellt die Wechselgröße für den Motor bereit. Dabei steuert er die Amplitude und die Frequenz der Ausgangsspannung. Als Steuerprinzip wird PWM-Modulation verwendet. In kleinen und mittleren Leistungsklassen bilden IGBT s die Hauptkomponenten des Wechselrichters. Freilaufdioden ermöglichen die Blindstromversorgung des Motors. 18 Aufbau moderner Frequenzumrichter Maschinenwechselrichter Einfluss der Schaltfrequenz Heutige Umrichter arbeiten mit Schaltfrequenzen zwischen 1 und 20kHz. Je höher die Schaltfrequenz, umso geringer ist die Welligkeit des Motorstroms. Liegt die Schaltfrequenz oberhalb der menschlichen Hörschwelle arbeitet der Motor ohne zusätzliche Geräusche. Bei kleinen Schaltfrequenzen kann man die Schaltfrequenz deutlich hören, was für manche Anwendungszwecke störend ist. Hohe Schaltfrequenzen erzeugen im Wechselrichter höhere Schaltverluste. Dadurch sinkt die Ausgangsleistung des Frequenzumrichters. Gleichzeitig tritt bei hohen Schaltfrequenzen durch die Oberwellen eine größere Erwärmung des Motors auf. Diese wird durch höhere Verluste im Eisen hervorgerufen. 19

12 Aufbau moderner Frequenzumrichter Maschinenwechselrichter Entsprechend negativ wirken sich die hohen Schaltfrequenzen auch auf die EMV- Problematik aus. Motorleitungen müssen geschirmt ausgeführt werden. Es muss auf entsprechende Leitungslängen geachtet werden (Kapazität der Leitung). Gegebenfalls müssen auch Motorfilter eingesetzt werden. 20 Aufbau moderner Frequenzumrichter Controllereinheit Die Softwarestruktur eines modernen Frequenzumrichters beruht heute normalerweise auf einem Zweischichtenmodell. 21

13 Aufbau moderner Frequenzumrichter Controllereinheit Betriebssystem: Zum Betriebssystem gehören die klassischen Aufgaben der Antriebsregelung. Es sind alle für die Antriebsaufgaben notwendigen Softwareteile enthalten. Dies sind die Regelung der physikalischen Größen Strom, Spannung, Drehmoment, Drehzahl und der Winkellage des Rotors. Außerdem enthält diese Schicht alle Steuerungs- und Überwachungsfunktionen sowie die Parametrierung und die Steuerung der Kommunikation. Technologiefunktionen: Technologiefunktionen bestehen in der Regel aus vorgefertigten Makroblöcken, die speziell auf besondere Anwendungen ausgelegt sind. Der Frequenzumrichter wird durch sie für diese Anwendungen speziell qualifiziert. Der Anwender hat den Vorteil, dass ein Großteil der Programmierung bereits erledigt ist und die jeweilige Anwendung nur noch parametriert werden muss. 22 Betriebsarten von Frequenzumrichtern Abhängig von der jeweiligen Anwendung lassen sich Frequenzumrichter in verschiedenen Betriebsarten betreiben. U/f - Kennliniensteuerung U/f 2 - Kennliniensteuerung Vektorsteuerung Bei der Vektorsteuerung / -regelung unterscheidet man zusätzlich, ob eine Rückführung der Rotorlage und der Drehzahl erfolgt. 23

14 Betriebsarten von Frequenzumrichtern Ersatzschaltbild Drehstromasynchronmotor Drehstrom- Kurzschlussläufermotoren bestehen aus drei Stator- und drei Rotorspulen (magnetisch sind die Rotorstäbe täb als Spulen zu sehen). 24 Betriebsarten von Frequenzumrichtern Ersatzschaltbild Drehstromasynchronmotor Reduziert man die Betrachtung auf eines der drei gekoppelten Spulenpaare, vereinfacht sich das Bild erheblich. h Da es sich um ein symmetrisches System handelt, gelten alle Überlegungen auch für die anderen beiden Spulenpaare. Gekoppeltes Spulenpaar einer Wicklung Erstes einphasiges i Ersatzschaltbild 25

15 Betriebsarten von Frequenzumrichtern Ersatzschaltbild Drehstromasynchronmotor Aufgrund des Kupferdrahtes besitzen die Spulen neben der Induktivität L auch einen parasitären, ohmschen h Widerstand d R. Der Strom durch die Spulen wird sowohl vom ohmschen als auch vom induktiven Anteil bestimmt. Da die Spulen an ein Wechselstromsystem angeschlossen werden, besitzen die Induktivitäten einen Wechselstromwiderstand (Reaktanz), der in Ohm gemessen wird. Dieser berechnet sich aus: XL= 2*p*f*L 26 Betriebsarten von Frequenzumrichtern Ersatzschaltbild Drehstromasynchronmotor Die Spulen beeinflussen sich gegenseitig mit einer magnetischen Induktion B. Die Statorspule t erzeugt einen Strom in der Rotorspule und umgekehrt. Man kann daher das erste einphasige Ersatzschaltbild in ein verbessertes überführen. In diesem Ersatzschaltbild wird die Hauptreaktanz von einem Strom Ih durchflossen, der für die Magnetisierung g von Stator und Rotor sorgt. In dieser Darstellung wird die mechanische Belastung des Rotors durch den Lastwiderstand auf der rechten Seite berücksichtigt und der Schlupf s verwendet, um die Größe der Belastung darzustellen. 27

16 Betriebsarten von Frequenzumrichtern Ersatzschaltbild Drehstromasynchronmotor Grenzbetrachtungen: Leerlauf: Der Ausdruck (1-s) / s geht im Leerlauf ( s -> 0) gegen unendlich und es fließt kein Strom I2. Der gesamte von der Maschine aufgenommene Strom I1 ist identisch mit dem Magnetisierungsstrom Ih. Mechanische Belastung: Unter mechanischer Belastung fällt bei der Asynchronmaschine die Drehzahl und entsprechend steigt t der Schlupf. Es entsteht t ein von der mechanischen h Belastung abhängender Strom I2. Der von der Maschine aufgenommene Strom I1 teilt sich auf in einen Magnetisierungsstrom Ih und einen lastabhängigen Wirkstrom I2. 28 Betriebsarten von Frequenzumrichtern Ersatzschaltbild Drehstromasynchronmotor Stillstand: Bei stillstehender Maschine (S -> 1) ist das Ergebnis des Ausdrucks (1-s)/s gleich 0. Damit ist der Wert des rechten Widerstandes 0. Der von der Maschine aufgenommene Strom I1 teilt sich auf in einen lastabhängigen Wirkstrom I2, der jetzt t von R2 bestimmt t wird, und einen Magnetisierungsstrom i t I h. Streuinduktivitäten: Die beiden Reaktanzen X 1σ und X 2σ repräsentieren die Streuinduktivitäten mit ihren Streuflüssen. Sie werden bei den en Überlegungen oft vernachlässigt. Der Widerstand d R1 macht sich jedoch störend bemerkbar und kann nicht vernachlässigt werden. 29

17 Betriebsarten von Frequenzumrichtern U/f Kennlinie Das bekannteste Verfahren, einen Asynchronmotor in seiner Drehzahl zu verstellen, ist das U/f-Verfahren oder Spannungs-Frequenz-Verfahren. Hierbei wird über eine Kennlinie, die aus der Physik des Motors hervorgeht, jedem Frequenzwert ein Spannungswert der Motorspannung zugeordnet, so dass der Motor weder über- noch untermagnetisiert ist. 30 Betriebsarten von Frequenzumrichtern U/f Kennlinie Hinführung zur U/f-Kennlinie Man möchte bei der Verstellung der Drehzahl und konstantem Moment immer denselben Punkt der Motorkennlinie haben. Aus der Physik des Motors gilt: M ~ F x I L, wobei I L dem Läuferstrom entspricht. Da I L proportional zum Drehmoment ist, gilt: M ~ F oder M ~ I Aus dem Ersatzschaltbild lässt sich bei Vernachlässigung g von R1 und X1 der Strom wie folgt berechnen: für I = konst. gilt dann: I ~ U/f 31

18 Betriebsarten von Frequenzumrichtern U/f Kennlinie Grundstellbereich Für die Einstellung der Kennlinie wird die Nennspannung und Nennfrequenz des Motors benötigt. Man erhält ein konstantes Moment von "0" bis f N. Die Nennfrequenz des Motors wird im Zusammenhang mit der U/f-Kennlinie auch Eckfrequenz genannt. 32 Betriebsarten von Frequenzumrichtern U/f Kennlinie Grundstellbereich Erhöht man die Drehzahl über f N, fällt das Drehmoment mit 1/f ab. Grund hierfür ist die Untererregung des Motors, da die Spannung nicht erhöht werden kann. Den erten Bereich nennt man Feldschwächebereich. 33

19 Betriebsarten von Frequenzumrichtern U/f Kennlinie Die Animation zeigt nochmal, wie sich das Drehmoment und die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters bei verschiedenen Frequenzen verhalten. 34 Betriebsarten von Frequenzumrichtern U/f 2 Kennlinie Bei der U/f2 Kenlinie wird die Spannung im Ankerstellbereich quadratisch zur Frequenz angehoben. Dies entspricht dem Momentenbedarf eines Lüfters oder Pumpenantriebs. So lässt sich Energie sparen, da der Motor im unteren Drehzahlbereich im optimalen Arbeitsbereich arbeitet. Im Feldschwächebereich wird keine Veränderung im Vergleich zur U/f-Kennlinie vorgenommen. 35

20 Betriebsarten von Frequenzumrichtern Vektorregelung/Feldorientierte Regelung Eine höhere Dynamik und Drehzahlkonstanz als bei der U/f- Kennliniensteuerung i kann man durch Vektor- bzw. feldorientierte t Regelung erreichen. Ähnlich wie bei einer Gleichstrommaschine regelt man die drehmomentbildende und flussbildende Komponente des Stroms. Bei feldorientierten edo e e e Systemen e unterscheidet ede man zwischen spannungsgeführter und stromgeführter Feldorientierung sowie Systemen mit und ohne Rückführung von Drehzahl und Rotorlage. Der Unterschied besteht in der Modellbildung und im Regelverhalten. 36 Betriebsarten von Frequenzumrichtern Vektorregelung/Feldorientierte Regelung Prinzip der feldorientierten Regelung Das Ziel ist ähnlich h wie bei Gleichstrommaschinen hi die unabhängige Regelung von momentbildendem und flussbildendem Strom. Im Gegensatz zur Gleichstrommaschine lassen sich nicht alle notwendigen physikalischen Parameter der Asynchronmaschine messen. Abhilfe schafft ein dynamisches Motormodell. Mit dessen Hilfe lässt sich der Statorstrom in fluss- und momentbildende Komponenten zerlegen. Durch entsprechende Regelung und Steuerung des Wechselrichters ht werden die beiden Komponenten abhängig von der Belastung des Motors geändert. 37

21 Betriebsarten von Frequenzumrichtern Vektorregelung/Feldorientierte Regelung Die folgende Abbildung zeigt die Regelstruktur einer stromgeführten feldorientierten Regelung. 38 Betriebsarten von Frequenzumrichtern Belastungscharakteristiken Ein vollständiger Antrieb besteht aus Antriebsmaschine (Motor) und Arbeitsmaschine (Last). Im stationären ti Fall ist das vom Motor geleitete t Moment gleich dem Belastungsmoment. t In diesem Fall sind Drehzahl und Drehmoment konstant. Die Kennlinien der Arbeitsmaschinen lassen sich in vier Gruppen unterteilen: Kräne, Aufzüge, Werkzeugmaschinen 39

22 Betriebsarten von Frequenzumrichtern Belastungscharakteristiken Walzen, Glättemaschinen 40 Betriebsarten von Frequenzumrichtern Belastungscharakteristiken Kreiselpumpen, Zentrifugen 41

23 Betriebsarten von Frequenzumrichtern Belastungscharakteristiken Maschinen, die Material mit konstanter Kraft aufwickeln 42 Optimierung drehzahlgesteuerter Antriebe U min Anhebung (Boost) Bei der Betrachtung der U/f-Kennlinie wurde der Wicklungswiderstand R1 der Motorwicklung nicht berücksichtigt. t Bei kleinen Ausgangsfrequenzen des Frequenzumrichters macht sich der Spannungsabfall an diesem Widerstand verstärkt bemerkbar, da der Scheinwiderstand der Hauptinduktivität Xh = 2 p f LH klein wird. Der Motor wird untermagnetisiert und kann so nicht mehr das volle Drehmoment an der Welle abgeben. 43

24 Optimierung drehzahlgesteuerter Antriebe U min Anhebung (Boost) Abhilfe schafft die Anhebung der Ausgangsspannung im unteren Frequenzbereich. Dies wird als Umin-Anhebung oder Boost bezeichnet. 44 Optimierung drehzahlgesteuerter Antriebe U min Anhebung (Boost) Bei der Einstellung der Umin-Anhebung spielt die Lastmaschine die entscheidende Rolle. Abhängig von ihrem Drehmoment-Verhalten h muss die Spannung parametriert t werden. Es ist darauf zu achten, dass eventuelle Losbrechmomente oder hohe Drehmomente im unteren Drehzahlbereich sicher überwunden werden. Im unteren Drehzahlbereich kann es wegen der geringeren g Kühlung zu thermischer Überlastung kommen. Werden kleine Drehzahlen über längere Zeit benötigt, muss der Motor eventuell mit einem Fremdlüfter ausgestattet werden. 45

25 Optimierung drehzahlgesteuerter Antriebe Schlupfkompensation Mit steigender Belastung steigt der Schlupf im Motorbetrieb an und die Drehzahl sinkt. Um ohne Drehzahlrückführung hl trotzdem t mit möglichst konstanter t Drehzahl hl zu fahren, wird der lastbedingte Drehzahlabfall mit der Anhebung der Speisefrequenz kompensiert. Als Maß für die Belastung dient der Motorstrom. 46 Optimierung drehzahlgesteuerter Antriebe Schlupfkompensation Die erste Animation zeigt den Drehzahlverlauf hl l bei Belastung Ohne Schlupfkompensation. Ändern Sie in der Animation die Last und beobachten Sie die Veränderungen. 47

26 Optimierung drehzahlgesteuerter Antriebe Schlupfkompensation In der zweiten Animation ist die Schlupfkompensation aktiv. Bei steigender Belastung bleibt die Drehzahl des Motors konstant. Die Ausgangsfrequenz g des Frequenzumrichters ändert sich entsprechend. 48 Optimierung drehzahlgesteuerter Antriebe Schlupfkompensation Die Schlupfkompenstation muss an den Motor sowie die Last angepasst werden, sonst kann der ganze Antrieb zu schwingen beginnen. Mit der Schlupfkompensation lässt sich eine Drehzahlkonstanz von ca. ± 1% erreichen. Die folgende Grafik zeigt beispielhaft eine Applikation für den Einsatz der Schlupfkompensation. Auf einer Transportstrecke mit mehreren Antrieben werden unterschiedlich schwere Güter, in diesem Fall Pkws und Leerpaletten, transportiert. Bei der Übergabe b von einem zum anderen Antrieb sollten beide gleich schnell drehen. Um dies ohne Mehraufwand in Form einer Drehzahlregelung mit Rückführung zu realisieren, kann dies je nach Anwendungsfall auch mit Hilfe der Schlupfkompensation erfolgen. Die Schlupfkompensation gleicht bei richtiger Parametrierung die unterschiedliche Last aus. 49

27 Optimierung drehzahlgesteuerter Antriebe Schlupfkompensation 50 Optimierung drehzahlgesteuerter Antriebe Drehzahlrampen Beschleunigungs- oder Verzögerungsrampen geben an, mit welcher Geschwindigkeit sich die Drehzahl hl ändert. Die Rampen beziehen sich meist auf die Motornenndrehzahl oder die maximale Drehzahl. Bei einer Beschleunigungsrampe von 5 Sekunden benötigt der Motor von 0 Hz bis zur Nenn- oder Maximalfrequenz 5 Sekunden. Ein Drehzahlwechsel erfolgt so immer mit der gleichen Beschleunigung oder Verzögerung. 51

28 Optimierung drehzahlgesteuerter Antriebe Drehzahlrampen Wenn die Größen des Antriebs bekannt sind, lassen sich die kürzesten Beschleunigungsoder Verzögerungszeiten wie folgt berechnen: t a Beschleunigungszeit / Verzögerungszeit J Massenträgheitsmoment Δn Differenzdrehzahl M Motordrehmoment Lastdrehmoment M L 52 Optimierung drehzahlgesteuerter Antriebe Drehzahlrampen Werden besonders weiche Drehzahländerungen hlä benötigt, t kann die Drehzahl mit Hilfe von S-Rampen verändert werden. Hier wird mit einer variablen Beschleunigung die Drehzahl "ruckfrei" verstellt. 53

29 Optimierung drehzahlgesteuerter Antriebe 87 Hz Technik Für manche Einsatzfälle ist ein Betrieb mit ertem Ankerstellbereich bis 87 Hz interessant. Besonders in Kombination mit Getrieben ergeben sich größere Stellbereiche oder höhere Drehmomente. Dieser Betrieb ist bei folgenden Konstellationen möglich: Umrichterausgangsspannung: Motorspannung: 3 * 230 V 127 V / 230 V 3 * 400 V 230 V / 400 V An einem Beispiel mit einem Umrichter mit einer Ausgangsspannung von 400 V und einem Motor 230 V / 400 V / 50 Hz wird das Funktionsprinzip beschrieben. 54 Optimierung drehzahlgesteuerter Antriebe 87 Hz Technik Der Motor wird in Dreieckschaltung betrieben und die U/f-Kennlinie so modifiziert, dass der Frequenzumrichter bei i87h Hz (50Hz x 3) die maximale Ausgangsspannung von 400 V abgibt. Bei 50 Hz beträgt die Ausgangsspannung 230 V. Der Motor wird so innerhalb der Nennwerte betrieben und kann bis 87 Hz das volle Drehmoment e aufbringen. Der Strom ist allerdings um den Faktor 3 größer als bei Betrieb in Sternschaltung mit einer Eckfrequenz von 50 Hz. Der Motor gibt so auch eine um den Faktor 3 höhere Leistung gegenüber der Nennleistung ab. Wegen der erhöhten Verluste und der daraus folgenden höheren thermischen Belastung empfiehlt sich nur eine Ausnutzung mit der Leistung des nächstgrößeren listenmäßigen Motors. Die höhere Wicklungsspannung stellt für den Motor im Normalfall kein Problem dar. 55

30 Optimierung drehzahlgesteuerter Antriebe 87 Hz Technik 56 Optimierung drehzahlgesteuerter Antriebe 70 Hz Technik In Verbindung mit einem Getriebe lässt sich eine e Optimierung der U/f-Kennlinie vornehmen. Anhand des folgenden Beispiels i wird die Funktion erläutert: t Der Antrieb besteht aus einem Getriebemotor mit einer maximalen Drehzahl n2 von 111 min -1 bei 50 Hz. Man erhält ein Nenndrehmoment von 180 Nm über den ganzen Stellbereich. Legt man den Antrieb hingegen mit einer Maximalfrequenz von 70 Hz und n2 = 111min -1 aus, muss die Getriebeübersetzung t um den Faktor 1,4 (70/50) vergrößert werden. Bei der Auslegung bleibt die Eckfrequenz der U/f-Kennlinie bei 50 Hz. Durch die höhere Getriebeübersetzung erhält man ein Nennmoment von 242 Nm (Faktor 1,4 größer). Dieses Nennmoment bleibt bis 50 Hz erhalten. Ab da sinkt es bis auf 180 Nm bei 70 Hz und 111 min

31 Optimierung drehzahlgesteuerter Antriebe 70 Hz Technik Vorteile: Höheres Drehmoment im unteren Drehzahlbereich bei gleicher Antriebsleistung Größerer Stellbereich Nachteile: Höhere Laufgeräusche 58 Optimierung drehzahlgesteuerter Antriebe 70 Hz Technik 50 Hz-Kennlinie 70 Hz-Kennlinie Katalogdaten: P = 2,2 kw n2 = 111 min-1 i = 12,6 Drehmoment: M2 = 180 Nm ( min-1) Hz Drehmoment: M2 = 129 Nm (155 min-1) 70 Hz P = 2,2 kw n2 = 79 min-1 i = 17,8 M2 = 254 Nm (0...79min-1) M2 = 180 Nm (111 min-1) 59

32 Optimierung drehzahlgesteuerter Antriebe 70 Hz Technik Die folgende Grafik verdeutlicht noch mal den Drehmomentgewinn in Abhängigkeit it der Drehzahl. hl 60 Generatorischer Betrieb Beim Bremsen von trägen Massen oder beim Senkvorgang eines Hubwerks tritt generatorische Energie auf. Der Drehstrom-Asynchronmotor gibt diese Bremsleistung durch Übersynchronbetrieb an den Frequenzumrichter ab. Hierdurch wird die Zwischenkreisspannung über den normalen Pegel hinaus aufgeladen. Steigt die Zwischenkreisspannung auf kritische Werte, können dadurch die Bauteile wie Zwischenkreiskondensatoren oder der Wechselrichter zerstört werden. Abhilfe schafft hier die Überwachung der Zwischenkreisspannung. i Im einfachsten Fall wird der Wechselrichter abgeschaltet. Bei dieser Betriebsart kann der Motor nicht aktiv gebremst werden, ein Senkbetrieb ist ebenfalls nicht möglich. 61

33 Generatorischer Betrieb Um den Motor aktiv zu bremsen, gibt es zwei Verfahren: Bremschopper Netzrückspeisung Die Energie wird hier entweder an einem Widerstand in Wärme umgewandelt oder dem speisenden Netz zugeführt. 62 Generatorischer Betrieb Bremschopper Der Bremschopper besteht aus einem Schalttransistor und einer Auswertelogik. Der Bremschopper überwacht die Zwischenkreisspannung. Steigt die Zwischenkreisspannung über einen bestimmten Pegel, schaltet der Transistor durch. Der eingeschaltete Transistor führt die Zwischenkreisenergie über einen Bremswiderstand ab und reduziert so die Zwischenkreisspannung. Sinkt die Zwischenkreisspannung unterhalb des Abschaltpegels, schaltet der Transistor wieder aus. Bei ständigem Betrieb schaltet der Bremschopper zyklisch ein und aus. 63

34 Generatorischer Betrieb Bremschopper Bei der Auslegung des Bremswiderstandes Müssen die maximale Bremsleistung und die Bremshäufigkeit berücksichtigt werden. Hieraus bestimmt sich die Leistung des Bremswiderstandes. s des Der Einbau eineses Bremschoppers ist in der Anschaffung die preiswertere Alternative. Treten hohe Bremsleistungen häufig auf, lohnt sich der Einbau einer Rückspeiseeinheit. Hier wird die überschüssige Energie ins Netz gespeist. 64 Generatorischer Betrieb Netzrückspeisung In manchen Fällen lässt sich die überschüssige Brems-Energie nicht mit Hilfe eines Bremschoppers und Bremswiderstands d in Wärme umsetzen. Hier werden Netzrückspeisungen verwendet. Anwendungsfälle sind: Bei hohen Bremsleistungen lässt sich die Wärme nicht abführen Die Bremsleistungen e stu sind so hoch, dass sich der Einsatz einer e Rückspeiseeinheit wirtschaftlich lohnt Funktion Übersteigt t die Zwischenkreisspannung i im generatorischen Betrieb einen bestimmten Pegel, wird die Zwischenkreisspannung durch einen Wechselrichter amplituden- und phasensynchron in das speisende Netz gegeben. g Beim Wechselrichter handelt es sich heute häufig um einen Pulsstromrichter mit IGBT s und spezieller Ansteuerung. Es treten bei der Netzrückspeisung nur geringe Verlustleistungen auf. 65

35 Generatorischer Betrieb Netzrückspeisung Netzrückspeisungen dürfen nicht für Nothaltfunktionen eingesetzt t werden, da bei Netzausfall kein Bremsen möglich ist. Nachteilig ist auch der hohe Anschaffungspreis und der erhöhte Verdrahtungsaufwand. 66 Schutzfunktionen Moderne Umrichter haben zum Selbstschutz und zum Schutz des Motors viele integrierte Schutz- und Überwachungsfunktionen. Diese Funktionen können auf drei Bereiche aufgeteilt werden: Anlage Motor Frequenzumrichter 67

36 Schutzfunktionen Die Anlagenüberwachung erfolgt nach der Ausgangsfrequenz, dem Ausgangsstrom und dem Motormoment. Für diese Größen lassen sich untere und obere Grenzwerte einstellen. Beim Über- oder Unterschreiten der Grenzwerte lässt sich das Verhalten des Umrichters parametrieren. So kann z.b. eingestellt werden, dass ein bestimmtes Motormoment nicht überschritten werden darf. Der Umrichter regelt in diesem Fall die Motordrehzahl ab. 68 Schutzfunktionen Die Überwachung des Motors kann über zwei verschiedene Mechanismen erfolgen. Der Umrichter wertet einen im Motor befindlichen Temperaturfühler aus. Je nach Temperatursensor kann der Umrichter entsprechend auf die Motortemperatur reagieren und so die Motordrehzahl herabfahren, eine Warnung ausgeben oder den Motor abschalten. Ist kein Temperatursensor vorhanden, kann mittels eines thermischen Motormodells und dem Motorstrom sowie der Zeit die Belastung des Motors berechnet werden und die Schutzmaßnahmen können durchgeführt werden. 69

37 Schutzfunktionen Der Frequenzumrichter selbst besitzt integrierte Überwachungs- und Schutzfunktionen. So werden alle Systemgrößen wie z.b. Ausgangsströme, Zwischenkreisspannung, Kühlkörpertemperatur überwacht. Es lassen sich so auch Fehler wie Wicklungsschluss oder Erdschluss des Motors detektieren. Der Umrichter reagiert dann entsprechend in so einem Fall. 70 Auslegungskriterien Die Auslegung eines Frequenzumrichters für drehzahlvariable Antriebe erfordert eine Menge Erfahrung. Nachfolgend sind einige Punkte genannt, die bei der Projektierung in Betracht gezogen werden sollten: Angaben zur geforderten Ablagencharakteristik Umgebungsbedingungen b Netzverhältnisse Wartung, Bedienung und Personal Wirtschaftliche Kriterien Schutzmaßnahmen für Bedienpersonal/Umrichter/Motor Normen/Vorschriften 71

38 Auslegungskriterien Stellbereiche verschiedener Antriebssysteme Die folgende Tabelle zeigt die Unterschiede verschiedener Antriebssysteme in Bezug auf die Stellbereiche. Die angegebenen Werte sind "typische" Werte und können je nach Gerät abweichen. System Drehstrom-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter U/f-Kennliniensteuerung i Drehstrom-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter Feldorientierte Regelung (spannungsgeführt,ohne h Rückführung) Servomotor mit Servoumrichter Feldorientierte Regelung (stromgeführt, t mit Rückführung) Drehzahl Stellbereich Genauigkeit 1:10 2% 1:50 0,1% 1: ppm Drehmoment nicht möglich Stellbereich 1:10 1:100 Linearität 5% 2,5% Anregelzeit ca. 50 ms 1ms 72

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