Projektierungs- und Inbetriebnahmerichtlinie für NORD IE4-Motoren mit NORD Frequenzumrichtern

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1 Pos : 1 /T ec hnis che Infor mationen/sons tige D okumente/proj ekti erungs- und IB - Gui deli ne IE4-Motoren/Allgemeines Pos : 2 /T ec hnis che Infor mationen/sons tige D okumente/proj ekti erungs- und IB - Gui deli ne IE4-Motor en/nord IE4 - M 1 Projektierungs- und Inbetriebnahmerichtlinie für NORD IE4-Motoren mit NORD Frequenzumrichtern Allgemeines Motoren der Effizienzklasse IE4 sind von der grundsätzlichen Funktionsweise Synchronmotoren und sind für den Betrieb am Frequenzumrichter bestimmt. Sie bieten aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades besonders bei Dauerlauf-Applikationen Vorteile der Energieeinsparung. Unter dem Gesichtspunkt Wirkungsgrad ist aber immer das Gesamtsystem zu betrachten. Frequenzumrichter haben einen Wirkungsgrad von > 95 %. Durch Prozessoptimierung kann der Umrichtereinsatz jedoch energetische Vorteile in dem Maße bieten, die der Verlustleistung des einzelnen Gerätes um ein vielfaches entgegenstehen (z.b. Drehzahlregelung bei Pumpen anstelle der Verwendung von Drosselklappen). Ebenso ist bei der Auswahl der Getriebe neben dem zu Grunde gelegtem Betriebsfaktor (f B ) auch die Sinnhaftigkeit der Motor - Getriebekombination, insbesondere bei der Kombination mit hocheffizienten Motoren (IE4) von Bedeutung. So führen höhere Betriebsfaktoren zu höherer Betriebssicherheit, andererseits aber auch zu teilweise deutlich höheren Verlustleistungen. Auch bei der Getriebeart gibt es z.t. erhebliche Unterschiede beim Wirkungsgrad. Die Wirkungsgrade von Stirnradgetrieben sind höher als die von Kegelradgetrieben. Die Kombination Schneckengetriebe mit IE4 Motor ist unter dem Gesichtspunkt Wirkungsgrad zu hinterfragen. NORD IE4 - Motoren NORD bietet Motoren in Effizienzklasse IE4 derzeit im Leistungsbereich 1,1 kw 5,5 kw (Baugröße ). Die Motoren sind eigenbelüftet, haben zu normalen Asynchronmotoren identisches Statorgehäuse und uneingeschränkte Anbaumöglichkeiten aller Optionen sowie Getriebekombinationen. Der Klemmkasten ist identisch zu Standardmotoren ausgeführt und das 6-polige Klemmbrett kann wie bekannt in Stern oder Dreieck mit den entsprechenden Brücken geschaltet werden. NORD IE4-Motoren sind Synchronmotoren mit Permanentmagneten im Rotorpaket. Diese sind in Taschen eingelegt (sog. IPMSM: integrated permament magnetic synchron motor) und erfordern dadurch nur geringen Magnetmaterialeinsatz (Kosten) im Vergleich zum SPMSM (surface, Magnete auf der Rotoroberfläche, klassischer Servomotor). Technische Information / Datenblatt Projektierungs- und Inbetriebnahmerichtlinie IE4- Motoren Frequenzumrichter TI V DE

2 Pos : 3 /T ec hnis che Infor mationen/sons tige D okumente/proj ekti erungs- und IB - Gui deli ne IE4-Motor en/t ypensc hlüs sel M otor am Beis piel ei nes 80T 1 Ein Synchronmotor kann nicht am Netz anlaufen oder betrieben werden, sondern nur am Frequenzumrichter (Sicherheitsaufkleber weist darauf hin). Aktuell bieten NORD folgende Geräte zum Betrieb der Motoren an: Gerätetyp Firmwareversion Verfügbarkeit SK 54xE 1) 2.2R0 ab sofort SK 180E 2) 1.1R0 ab sofort SK 2xxE 2) k. A. in Vorbereitung (2015) SK 500E SK 535E 1) k. A in Vorbereitung (2015) 1) Zentraltechnik (Schaltschranktechnik) 2) Dezentraltechnik (Motoraufgebaut bzw. Motornah) Der Betrieb der NORD IE4-Motoren mit Umrichtern anderer Hersteller ist grundsätzlich möglich. Einige Wettbewerbsgeräte sind mit unseren Motoren erfolgreich getestet worden. Die Verantwortung für eine erfolgreiche Inbetriebnahme liegt beim Kunden. Ebenso ist die Motorperformance, bzw. das Erreichen von Wirkungsgraden, die der Klassifizierung IE4 entsprechen, abhängig vom Umrichter und dessen Funktion und Einstellungen. Synchronmotoren anderer Hersteller können theoretisch auch am NORD-Umrichter betrieben werden, jedoch muss diese Möglichkeit vorab geprüft werden, ggf. ist ein Testmotor im Stammwerk einzumessen (Rücksprache dringend erforderlich). NORD IE4-Motoren sind keine Servomotoren. Bedingt durch Anregelzeiten und elektrische Zeitkonstanten ist das dynamische Verhalten mit dem von IE1 oder IE2 Motoren vergleichbar. Als Synchronmotoren haben die IE4-Motoren keinen lastabhängigen Schlupf. Die NORD Motoren sind für 2 verschiedene Nenndrehzahlen ausgelegt: U/min bei 70 Hz, 400 V Stern bzw. 230 V Dreieck U/min bei 100 Hz, 400 V. Dazu wird der Motor in Dreieck geschaltet und theoretisch mit 70 Hz x 1,71 = 121 Hz gefahren (vgl. 87 Hz-Kennlinie bei 50 Hz-Motoren). Da der 121 Hz Betrieb jedoch hohe Geräusche (Lüfter) erzeugt und die Getriebezuordnung erschwert, wird der Typenpunkt 100 Hz, 400 V Dreieck ausgewiesen. Beide Betriebspunkte werden in den Katalogen beschrieben, auf dem Typenschild gestempelt bzw. finden sich in den Motorauswahltabellen der NORD-Umrichter. Zusätzlich finden sich auf dem Motortypenschild Angaben über Motorstatorwiderstand R S, Statorinduktivitäten L d und L q sowie der Wert der Induktionsspannung (U EMK ). Diese Angaben sind für die Umrichterprogrammierung notwendig. Typenschlüssel Motor am Beispiel eines 80T1/4 80 T 1 /4 Anzahl der Pole Paketlänge /4 = 4-polig) 1 9: Codierung hängt von Länge und Rahmengröße ab Wicklungstyp T = 2100 / 3000 rpm Motorbaugröße (Rahmengröße) 80, 90, / 6 TI

3 Pos : 4 /T ec hnis che Infor mationen/sons tige D okumente/proj ekti erungs- und IB - Gui deli ne IE4-Motor en/motor en-u mrichter-z uor 1 Pos : 5 /T ec hnis che Infor mationen/sons tige D okumente/proj ekti erungs- und IB - Gui deli ne IE4-Motor en/betriebs 1 Motoren-Umrichter-Zuordnung Nachfolgende Zuordnungen der Motoren zu den jeweiligen Frequenzumrichtern gelten bei Betrieb bis zur Nenndrehzahl. Höhere Drehzahlen und Überlasten erfordern eine Projektierung. Size M N P N n N I η J m M max k T k E Zuordnung FU [Nm] [kw ] [rpm] [A] [kgm 2 ] [kg] [Nm] [Nm/ A] 80T1/ [mv/ rpm] SK 180E 1) SK 54xE 1) T1/ T1/ T1/ T3/ T3/ T2/ T2/ T5/ T5/ ) Ab startet der Feldtest mit allen SK 200E und SK 500E Umrichtern. Information Die Zuordnung Umrichter Motor erfolgt primär nach Leistung. Motorleistung vs. Umrichterleistung Bedingt durch die Kennlinien kommt es teilweise dazu, dass ein NORD-Umrichter höherer Leistung dem Motor zugeordnet werden muss. Ggf. können Überlasten oder dyn. Start-Stop-Applikationen Umrichterzuordnung mit noch höherer Leistung erfordern. Bei einer 1:1 Zuordnung Motor zu Umrichter sind bis zu 2 x Nennmoment möglich. Der Motor selbst kann theoretisch bis zu 3-faches Nennmoment (im Anlauf und eingeschränktem Drehzahlbereich) erbringen, eine dauerhafte Überlast von Faktor 1,4 ist möglich (ab 10 Hz). Betriebsarten Im Vergleich zu Asynchronmotoren weist der Betrieb von Synchronmotoren folgende relevanten Unterschiede auf: Kein Netzbetrieb: NORD IE4- Motoren können nur am Umrichter betrieben werden Feldschwächbereich: NORD IE4-Motoren können nicht bzw. nur sehr eingeschränkt im Feldschwächbereich betrieben werden. Die Permanentmagnete im Rotor induzieren bei Rotation eine Spannung im Stator, die der Klemmspannung entgegen wirkt. Die induzierte Spannung ist dabei proportional zur Motorendrehzahl und reduziert die stomtreibende Klemmspannung. Dadurch sinkt das verfügbare Motordrehmoment. Darüber hinaus besteht die Gefahr, z.b. bei fallenden Lasten eines Hubwerks, dass durch hohe Motordrehzahlen hohe induzierte Spannungen den Umrichter beschädigen. Umrichterfunktionen: Bestimmte Umrichterfunktionen wie z.b. DC-Bremsung oder Fangfunktion stehen nicht zur Verfügung. TI / 6

4 Pos : 6 /T ec hnis che Infor mationen/sons tige D okumente/proj ekti erungs- und IB - Gui deli ne IE4-Motor en/inbetri 1 IE4 Motoren können mit verschiedenen Regelungsarten am Umrichter betrieben werden. VFC open-loop Betrieb CFC open-loop Betrieb CFC closed-loop Betrieb Anwendungen mit linearer oder quadratische Last-Kennlinie Rampenzeiten 1 s (0,5 s) Maximaldrehmoment % M n je nach Drehzahl Anregelzeiten Drehmoment 250 ms Anwendungen mit konstanten, linearen oder quadratischen Lastmoment Rampenzeiten 0,25 s Maximaldrehmoment % M n je nach Drehzahl Anregelzeiten Drehmoment 150ms (ab ca. n = 10 % n n) Alle Arten von Anwendungen inklusive Hubwerke Rampenzeiten 0,05 s (0 s) Maximaldrehmoment bis 300 % M n drehzahlunabhängig Anregelzeiten Drehmoment 100 ms Pumpen ohne Losbrechmoment Verdichter, Ventilatoren z. T. Mischer Anwendungsbereiche Fördertechnik mit Losbrechmoment Pumpen mit mittleren Losbrechmoment Hubwerke Handlings-Maschinen Dyn. Fördertechnik Motordaten müssen genau bekannt sein! Besonderheiten Betrieb wegen eingeschränkter Strommessung nicht mit SK 180E möglich. Motordaten müssen genau bekannt sein! CFC closed-loop Betrieb erfordert Drehgeber und somit einen Umrichter mit Drehgeberauswertemöglichkeit. Geringe Empfindlichkeit bezüglich Ungenauigkeiten RS, L und U EMK. Rotorlage muss bekannt sein (Absolutwertgeber) oder ermittelt werden (siehe Beschreibung) O.g. Angaben basieren auf Applikationserfahrungen aus dem Hause NORD. Inbetriebnahme 1. Umrichterwahl hinsichtlich Motorzuordnung prüfen. 2. Umrichterwahl hinsichtlich Betriebsart/Geber prüfen. 3. Motorschaltung hinsichtlich Kennlinie und (Umrichter-) Netzspannung prüfen. 4. Umrichter- und Motoranschluss wie bekannt. 5. Sicherheitshinweise gemäß Betriebsanleitungen und Arbeitsvorschriften beachten. 6. Netzversorgung zuschalten 7. Umrichterparametrierung kann mittels SimpleBox, ParameterBox (ab Firmwareversion V4.5R3, oder im ControlBox-Mode) NORD CON (Version ab 2.3 oder ControlBox-Mode) erfolgen. 8. Im P200 kann der entsprechende IE4-Motor aus der Liste gewählt werden. Die Motordaten sind dadurch korrekt eingestellt. Eine Statorwiderstandsmessung P220 = 1 ist empfohlen. 9. Die Betriebsarten VFC open-loop Betrieb, CFC closed-loop Betrieb bzw. CFC open-loop Betrieb werden im P300 gewählt. 4 / 6 TI

5 Pos : 7 /T ec hnis che Infor mationen/sons tige D okumente/proj ekti erungs- und IB - Gui deli ne IE4-Motoren/Mögliche 1 VFC open-loop Betrieb (Pumpen, Lüfter), P300 = 0 a. Vgl. ISD-Regelung bei ASM, jedoch geringere Dynamikeigenschaften b. Von Start bis zur Frequenz gem. P247 (Umschaftfrequenz vfc) wird Strom eingeprägt, linear fallen mit steigender Frequenz bis P245, um den Rotor gezwungen mitzuziehen, üblicher Einstellwert 25 % der Nennfrequenz. Die Höhe des Stroms kann über P210 (stat. Boost) beeinflusst werden (-> geringe Anfahrdremomente = P210 < 100 %). c. Es sind keine Regelparameter einzustellen, jedoch sind genaue Motordaten, insbesondere RS, L und U EMK erforderlich. d. Zum stabilen Betrieb ist eine geeignete Schwingungsdämpfung notwendig (P245), die bei dynamischen Laständerungen die Frequenz kurzfristig erhöht bzw. absenkt. CFC open-loop Betrieb, P300 = 2 (Fördertechnik und Pumpen mit Losbrechmoment, mittlere Dynamik), nur SK 540E a. Von 0 10 % der Synchrondrehzahl wird im vfc-verfahren gefahren (Umschaltpunkt P331, Hysterese P332, Rotor wird durch Stromeinprägung gezwungen mitgezogen). Eingeprägter Strom ist konstant bis Frequenz P331, nicht linear fallend wie bei vfc. Strom fällt im Hysteresebereich auf Wert von P209 (in der Regel 0) b. Obwohl dies ein open-loop Betrieb ist, müssen Strom- und Drehzahlregler eingestellt werden. CFC closed-loop Betrieb, P300 = 1 (Hubwerke, dynamische Bewegungen), nur SK 540E Betrieb ist vergleichbar der ASM mit Geberrückführung Servomodus a. Einstellung für Strom- und Drehzahlregler erforderlich Mögliche Gebersysteme Inkrementalgeber ohne Nullspur Ermittlungsverfahren zur Anfangsrotorlagebestimmung notwendig, s.u.; die Messgenauigkeit erreicht nur ca. +/ elektrisch, dadurch etwas eingeschränkte Performance (ungünstigeres Verhältnis Strom zu Moment) Inkrementalgeber mit Nullspur (P335 =1 Sync Nullimpulsgeber, Rotorlageermittl. PMSM): Ermittlungsverfahren zur Anfangsrotorlagebestimmung notwendig, um Betrieb bis zum ersten Nullpunktdurchlaufen zu ermitteln s.u.; Der IG sitzt unter der Lüfterhaube und wird an dieser fixiert. Nach der Montage wird im Endtest die die Nullpunktverschiebung ausgemessen. Der Offset wird per Aufkleber im Klemmkasten bereitgestellt. Ist der Geber nicht ausgerichtet bzw. durch Stoß oder Demontage am Motor verstellt, muss die Gebernullspur auf die Rotorlage ausgerichtet werden (siehe Offsetbestimmung) AG-IG-Kombigeber erfordert keine Anfangslagebestimmung (wegen Absolutsignal), Geberausrichtung wird durch NORD vor Auslieferung des Getriebemotors justiert und erfordert keine Offset-Ermittlung. Ist der Geber nicht ausgerichtet bzw. durch Stoß oder Demontage am Motor verstellt, muss die Gebernullspur auf die Rotorlage ausgerichtet werden (siehe Offsetbestimmung) Hyperface-Encoder (eine kostengünstige Alternative zum AG-IG-Kombigeber, jedoch nicht über eine NORD Materialnummer verfügbar; TI / 6

6 === Ende der Liste für T extmar ke Inhalt === erfordert keine Anfangslagebestimmung (wegen Absolutsignal), Geberausrichtung wird durch NORD vor Auslieferung des Getriebemotors justiert und erfordert keine Offset-Ermittlung. Ist der Geber nicht ausgerichtet bzw. durch Stoß oder Demontage am Motor verstellt, muss die Gebernullspur auf die Rotorlage ausgerichtet werden (siehe Offsetbestimmung) Anfangsrotorlagebestimmung (bei IG jedes Mal nach Netzzuschalten erforderlich) a. durch Testsignalverfahren (P330 = 1): Rotorlagebestimmung durch Testmessung (Dauer ca. 1 Sekunde) b. durch Rastverfahren (P330 =0, spannungsgesteuert), Spannung zwingt den Rotor in Nulllage und richtet damit den Motor aus. Das Verfahren ist nur möglich bei horizontalen Anwendungen, bzw. bei momentfreien Antrieben ohne Motorbremse. Offset-Bestimmung (für IG mit Nullspur bzw. absolute Messysteme) Um die Nulllage des Gebersystems mit der Rotornulllage abzugleichen, ist folgendes Verfahren geeignet: a. Antrieb langsam drehen, dabei den Wert U d prüfen. b. P334 im Wert verändern, bis ein Spannungsminimum erreicht ist. Es muss dabei das Minimum gefunden werden, welches für beide Motordrehrichtungen gleich ist. 6 / 6 TI

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