Anlaufmethoden elektrischer Motoren richtig auswählen

Transkript

1 Anlaufmethoden elektrischer Motoren richtig auswählen siemens.de/industrie-tag

2 Agenda Grundlagen Asynchronmotor Lastkennlinien Anlaufmethoden Netzanlauf DOL Stern-Dreieck-Anlauf Sanftanlauf Anlauf am Frequenzumrichter 4 Auswahltools

3 Agenda Grundlagen Asynchronmotor Lastkennlinien Anlaufmethoden Netzanlauf DOL Stern-Dreieck-Anlauf Sanftanlauf Anlauf am Frequenzumrichter 4 Auswahltools

4 Grundlagen Asynchronmotor mechanischer Aufbau Anschlusskasten Stator mit Ständerwicklungen Klemmbrett Lüfter und Lüfterhaube Lagerschild Kugellager Welle mit Passfeder Leistungsschild Läufer mit Kurzschlusskäfig

5 Grundlagen Lorentzkraft Kraft F Strom I stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld: S N S N Elektromagnet Magnet- Feld Elektromagnet auf bewegte Ladung in einem elektrischen oder magnetischen Feld wirkt die Lorentzkraft Rechte-Hand-Regel: Daumen Stromrichtung Zeigefinger Richtung des Magnetfelds Mittelfinger Richtung der Kraft Stator mit Wicklungen Rotor mit Stäben (= Stromleiter) Asynchronmotor: 3 Wicklungen U / V / W U -W -V S N V W -U Stromfluss in die Zeichenebene hinein Stromfluss aus der Zeichenebene heraus

6 Grundlagen Netzkennlinie und Leistungsschild Netz-Kennlinie zeigt wichtige Kenngrößen des Asynchronmotors Anlaufmoment M A Kippmoment M K Bemessungspunkt: Nenndrehzahl und Nennmoment n n M n M M A M K M n n n n Kennlinie am Netz Bemessungs- bzw. Nennpunkt Nennleistung P n = M n n n 9550 M n = 9550 P n n n mit P in kw, M in Nm und n in 1/min n n Nenndrehzahl von Polpaarzahl des Motors abhängig 2polig /min 4polig /min 6polig /min

7 Agenda Grundlagen Asynchronmotor Lastkennlinien Anlaufmethoden Netzanlauf DOL Stern-Dreieck-Anlauf Sanftanlauf Anlauf am Frequenzumrichter 4 Auswahltools

8 Grundlagen Kennlinie des Asynchronmotors am Netz und Lastkennlinien Lastkennlinien zeigen den Drehmomentenverlauf über die Drehzahl und sind für die Dimensionierung eines Motors notwendig quadratisches Lastmoment konstantes Lastmoment lineares Lastmoment inverses Lastmoment M P max M M P max M P max P const Anlaufmoment? n n n n Pumpen und Lüfter Förderbänder, Positionierantriebe, Hubwerke,... Kalanderantriebe Wickler, Hauptspindelantriebe

9 Bildung des Beschleunigungsmoments M M K M A M n Beschleunigungsmoment Differenz zwischen Motorkennlinie und Lastkennlinie Bemessungs- bzw. Nennpunkt Leistung und Drehzahl des Typenschilds Arbeitspunkt Schnittpunkt der Motorkennlinie und der Lastkennlinie n n n

10 Grundlagen Auslöseklassen und typische Anwendungen Was sind Auslöseklassen? In Abhängigkeit der Last besitzt der Motor eine Hochlaufzeit, um auf Nenndrehzahl zu beschleunigen. Die IEC beschreibt Zeitintervalle, innerhalb welcher Zeiten die Schutzgeräte im Überlastfall auslösen müssen. Welche Auslöseklassen gibt es und wie sind diese definiert? Weit häufige Auslöseklassen sind CLASS 10, CLASS 20 und CLASS 30. Dabei muss das Schutzgerät aus dem kalten Zustand bei dem 7,2-fachen Einstellstrom innerhalb dessen Zeitintervall auslösen. Welche Auslösezeiten besitzen diese und was sind typische Anwendungen? Normalanlauf (CLASS 10) Schweranlauf (CLASS 20) Schwerstanlauf (CLASS 30) zwischen 4 und 10 Sekunden zwischen 6 und 20 Sekunden zwischen 9 und 30 Sekunden Pumpen Quadratisch Rührwerk Quadratisch Brecher Invers Förderer Konstant Extruder Konstant Mühlen Invers Lüfter/Gebläse (Klein) Quadratisch Drehmaschinen Quadratisch Lüfter/Gebläse (Groß) Quadratisch

11 Agenda Grundlagen Asynchronmotor Lastkennlinien Anlaufmethoden Netzanlauf DOL Stern-Dreieck-Anlauf Sanftanlauf Anlauf am Frequenzumrichter 4 Auswahltools

12 Überblick der Anlaufmethoden Direktstarter und Wendestarter Y- -Start R R t feste Drehzahl 2 Drehrichtungen t feste Drehzahl 1 Drehrichtungen L L Sanftstarter Frequenzumrichter R t feste Drehzahl über Rampe 1 Drehrichtung R t variable Drehzahl variable Rampen variable Drehrichtung L L

13 Darstellung der Unterschiede im Anlauf Motorspannung Motorstrom 100% Direktstart Stern- Dreieck Sanftstarter I Direkt start 58% Rampenzeit I Stern- Dreieck Zeit I Sanftstarter n n Drehzahl Motormoment M Direkt start M Stern- Dreieck M Sanftstarter n n Drehzahl Der Frequenzumrichter kann Motorspannung Motorstrom Motormoment individuell stellen.

14 Agenda Grundlagen Asynchronmotor Lastkennlinien Anlaufmethoden Netzanlauf DOL Stern-Dreieck-Anlauf Sanftanlauf Anlauf am Frequenzumrichter 4 Auswahltools

15 Direktstart DOL Der Direktstart ist die einfachste und kostengünstigste Variante den Motor zu starten. Wicklungen des Motor werden thermisch belastet Motorspannung 100% Direktstart Stern- Dreieck Sanftstarter elektrodynamische Kräfte wirken auf mechanische Komponenten Anlaufströme (größer Faktor 7) verursachen störende Spannungsänderungen im Netz 58% Rampenzeit Zeit Aus diesem Grund begrenzt der Netzbetreiber die maximale Leistung von Motoren, die an einem öffentlichen Netz direkt gestartet werden dürfen. Motorstrom I Direkt start I Stern- Dreieck I Sanftstarter Drehzahl n n

16 Auszug aus den Technischen Anschlussbedingungen Motorspannung 100% Direktstart Stern- Dreieck Sanftstarter 58% Rampenzeit Zeit Motorstrom I Direkt start Fazit: Motoren bis zu 5,2 kva (Wellenleistung 4 kw) dürfen direkt am Netz betrieben werden. Darüber ist ein geeigneter Anlauf zu wählen. I Stern- Dreieck I Sanftstarter n n Drehzahl

17 Direktstart Projektierung eines Verbraucherabzweig Normalanlauf Leistungsschalter Kurzschluss- und Überlastschutz Auswahl nach Nennstrom Schwer- und Schwerstanlauf Leistungsschalter keine Auswahl nach Nennstrom Schaltfunktion Auswahl Schütz nach Nennstrom Schaltfunktion keine Auswahl nach Nennstrom SIRIUS Projektierungshandbuch: Überlastschutz Auswahl Überlastrelais nach Nennstrom elektr. Überlastrelais bis Class 30

18 Direktstart Projektierungshandbuch

19 Agenda Grundlagen Asynchronmotor Lastkennlinien Anlaufmethoden Netzanlauf DOL Stern-Dreieck-Anlauf Sanftanlauf Anlauf am Frequenzumrichter 4 Auswahltools

20 Stern Dreieck Anlauf Motorspannung Motorstrom Motormoment 100% Direktstart Stern- Dreieck Sanftstarter I Direkt start M Direkt start 58% Rampenzeit I Stern- Dreieck M Stern- Dreieck Zeit I Sanftstarter Drehzahl M Sanftstarter Drehzahl Startspannung nur 58 % Anfangsstrom nur 33 % Startmoment nur 33 % Startmoment muss über Lastmoment liegen! Lineares/Quadratisches Lastmoment => OK Konstantes Lastmoment => Lastmoment kleiner Motormoment => Anlauf Inverses Lastmoment => Kein Anlauf n n n n

21 Stern Dreieck - Anlauf Projektierung eines Abzweiges Motor muss für diesen Anlauf geeignet sein! Eine weit verbreite zulässige Kennzeichnung von Typenschildern lautet 400/690 V oder Δ400/Y690 V. Leistungsschalter Schütze Leistungsschalter (Q1) als Starterkombination nur mit Kurzschlussschutz und Auswahl nach Nennstrom Netzschütz (Q11) und Dreieckschütz (Q13) auf Faktor 0,58 vom Nennstrom auswählen Sternschütz (Q12) auf Faktor 0,33 des Nennstromes auswählen Überlastrelais (F1) auf Faktor 0,58 von Nennstrom auswählen/einstellen

22 Stern Dreieck - Anlauf Projektierungshandbuch SIRIUS Projektierungshandbuch: Katalog IC10 - Kapitel 3 Seite 3/170

23 Agenda Grundlagen Asynchronmotor Lastkennlinien Anlaufmethoden Netzanlauf DOL Stern-Dreieck-Anlauf Sanftanlauf Anlauf am Frequenzumrichter 4 Auswahltools

24 Sanftanlauf Sanftstarter ermöglichen durch Vermeidung von Stromspitzen eine geringe Netzbelastung. Durch ein ebenso reduziertes Drehmoment beim An- und Auslauf werden die mechanischen Komponenten des Motor geschont. Motorspannung Motorstrom Motormoment 100% Direktstart Stern- Dreieck Sanftstarter I Direkt start M Direkt start 58% Rampenzeit I Stern- Dreieck M Stern- Dreieck Zeit I Sanftstarter Drehzahl M Sanftstarter Drehzahl n n n n Start- / Stoppspannung von % einstellbar Rampenzeitzeit von 0 20 (360) s Geeignet für alle Lastmomente und Anlaufkategorien (Class 10, 20, 30) Auswirkung auf den Strom Funktion der Strombegrenzung Begrenzung auf einen maximalen Anlaufstrom Auswirkung auf das Motormoment Funktion des Losbrechimpuls volles Motormoment über einstellbare Zeit Funktion der Drehmomentregelung Lineare Anhebung von Startmoment auf Endmoment

25 Sanftstarter Projektierung eines Verbraucherabzweig Unterstützung bei der Projektierung mit STS Anlaufberechnung Optionale weitere Parameter Reportfunktion inkl. Absicherung

26 Zusatz Motorschutz mit Schaltgeräten näher beleuchtet Welche Möglichkeiten besitze ich einen Motor gegen Überlast zu schützen? Stromabhängig (Leistungsschalter, Überlastrelais) Temperaturabhängig Temperaturerfassung mit PTC 3RV2 Überlastung im Dauerbetrieb Lange Anlauf- und Bremsvorgänge 3RV2 I>> Unregelmäßiger Aussetzbetrieb Hohe Schalthäufigkeiten I>> Phasenausfall/Stromasymmetrie Spannungs- und Frequenzschwankungen 3RT2 3RT2 Festbremsen des Läufers Erhöhte Umgebungsbedingungen 3RN2 ϑ Behinderung der Kühlung M M Zuschaltung auf blockierten Läufer bei läuferkritischem Motor Voller Schutz bedingter Schutz kein Schutz

27 Agenda Grundlagen Asynchronmotor Lastkennlinien Anlaufmethoden Netzanlauf DOL Stern-Dreieck-Anlauf Sanftanlauf Anlauf am Frequenzumrichter 4 Auswahltools

28 Aufbau und Funktionsweise eines Frequenzumrichters Regelung Gleichrichter Kondensator Wechselrichter Motor M U Drehstromnetz z.b: 3 AC, 400V, 50 Hz t U ungeregelter Zwischenkreis (DC-Schiene): Kondensatoren mit gleichgerichteter Netzspannung ca. 1,35 400V = 540V t U U Einstellbare, geregelte Frequenz und Spannung t t

29 Kennlinie am Frequenzumrichter M Betrieb am Netz M Betrieb am Frequenzumrichter M K M Kipp ~ 1 n 2 M A Überlastbereich M n ~ 1 n M n typischer Betriebspunkt Dauerbetrieb n n n n n n max n stufenlose Drehzahlregelung Anfahren mit vollem Drehmoment höhere Frequenzen als 50 Hz voll integrierter Motorschutz integrierte Sicherheitsfunktionen z.b. Sicherer Halt, Sicherer Stopp 1, Sicher begrenzte Drehzahl geberlos* *Projektierungshinweise beachten

30 Auswahl eines Frequenzumrichter Auslegung eines Frequenzumrichters nach Lastdaten und somit Strom im Arbeitspunkt Strom im Arbeitspunkt ist häufig nicht verfügbar Abhilfe über Nennstrom des Motors und Applikation oder Nennleistung des Motors und Applikation Auslegung nach geringer Überlast quadratische Drehmomentkennlinie keine erhöhten Anlaufmomente oder Laststöße erwartet z.b. bei Pumpen oder Lüftern Beispiel PM % Überlast für 3 s plus 110 % Überlast für 57 s innerhalb einer Zykluszeit von 300 s Auslegung nach hoher Überlast typ. konstante Drehmomentkennlinie erhöhte Anlaufmomente und Laststöße erwartet z.b. bei Förderern, Hubwerken,... Beispiel PM % Überlast für 3 s plus 150 % Überlast für 57 s innerhalb einer Zykluszeit von 300 s

31 Zusatz 87 Hz Kennlinie Motoren können mit höherer Drehzahl als ihrer Bemessungsdrehzahl betrieben werden Feldschwächbetrieb Drehmoment-Kennlinie sinkt infolge des sinkenden magn. Flusses Betrieb mit 87 Hz Kennlinie magn. Fluss wird konstant gehalten, daher konstantes Drehmoment bis nahezu 87 Hz Motor mit Δ 230 / Y 400V Wicklung wird in Dreieck an 400V Umrichter angeschlossen Umrichter wird auf 400V und Dreiecksstrom parametriert Auslegung des Umrichters nach Dreiecksstrom! Spannung U U N1 (400V) U NΔ (230V) normale 50 Hz Kennlinie M = f(n) P NΔ f NΔ (50 Hz) P N1 87 Hz Kennlinie f N1 (87 Hz) Momentenverlauf bei 87 Hz Kennlinie Momentenverlauf bei Feldschwächbetrieb Drehzahl n bzw. Frequenz f weitere Informationen und Einschränkungen unter

32 Agenda Grundlagen Asynchronmotor Lastkennlinien Anlaufmethoden Netzanlauf DOL Stern-Dreieck-Anlauf Sanftanlauf Anlauf am Frequenzumrichter 4 Auswahltools

33 Auswahltools DT-Konfigurator einfache und geführte Auswahl von Motoren und Frequenzumrichtern STS Simulation Tool for Softstarters Programm zur Simulation und Auswahl von Sanftstartern Siemens SIZER Programm zur Berechnung und Dimensionierung von Antriebssystemen

34 Zusatz DT-Konfigurator: Auswahl eines Frequenzumrichter Beispiel: - gesucht wird ein Frequenzumrichter SINAMICS G120P - 3~AC 400 V 50Hz Netz - 3 kw Pumpe - Schaltschrankgerät in IP20 - integrierter Netzfilter - PROFINET Schnittstelle Link:

35 Zusatz DT-Konfigurator: Auswahl eines Frequenzumrichter Beispiel: - gesucht wird ein Frequenzumrichter SINAMICS G120P - 3~AC 400 V 50Hz Netz - 3 kw Pumpe - Schaltschrankgerät in IP20 - integrierter Netzfilter - PROFINET Schnittstelle Link:

36 Zusatz DT-Konfigurator: Auswahl eines Frequenzumrichter Beispiel: - gesucht wird ein Frequenzumrichter SINAMICS G120P - 3~AC 400 V 50Hz Netz - 3 kw Pumpe - Schaltschrankgerät in IP20 - integrierter Netzfilter - PROFINET Schnittstelle Link:

37 Zusatz DT-Konfigurator: Auswahl eines Frequenzumrichter Beispiel: - gesucht wird ein Frequenzumrichter SINAMICS G120P - 3~AC 400 V 50Hz Netz - 3 kw Pumpe - Schaltschrankgerät in IP20 - integrierter Netzfilter - PROFINET Schnittstelle Ergebnis Bestellnummern inkl. Daten- und Maßblätter direkte Übernahme in Mall Warenkorb möglich Link:

38 Linksammlung Industry Online Support Handbücher, Applikationsbeispiele, techn. Daten, Forum Informations- und Downloadcenter Kataloge, Broschüren, Zeitschriften