Grundlagen für die Praxis Drehstromasynchronmotoren

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1 Grundlagen für die Praxis Drehstromasynchronmotoren Aufbau Betriebsarten Auswahl Dimensionierung Motor Management TM

2 Vorwort Das vorliegende Fachbuch «Drehstromasynchronmotoren» bildet den Anfang einer Reihe von Publikationen zum Thema «Motor Management». Mit diesen, in lockerer Folge erscheinenden Grundlagen für die Praxis steht dem Anwender ein wachsendes Nachschlagewerk rund um den Leistungsabgang für Projektierung und Anwendung zur Verfügung. Vorgesehene Themenbereiche sind: Anlauf und Betrieb von Motoren, Schutz von Motor und Antrieb, Auswahl und Anwendung von Schaltgeräten, Kommunikation. Elektromotoren sind heute in jedem Produktionsprozess zu finden. Der optimalen Ausnutzung der Antriebe kommt im unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit wachsende Bedeutung zu. «Motor Management» von Rockwell Automation hilft Ihnen, Anlagen besser zu nutzen, Unterhaltskosten zu senken, die Betriebssicherheit zu erhöhen. Wir freuen uns, wenn Ihnen unsere Publikationen mithelfen, wirtschaftliche und effiziente Lösungen für Ihre Anwendungen zu finden. Copyright 1996 by Sprecher+Schuh AG Rockwell Automation, Aarau. Alle Angaben erfolgen nach bestem Gewissen, ohne rechtliche Verbindlichkeit. i

3 Inhalt: 1 Der Drehstromasynchronmotor Wirkungsweise Stator Rotor Schlupf Verluste Drehmomentverlauf Grundsätzlicher Verlauf Konstruktive Massnahmen Betriebskennlinien Betriebsarten elektrischer Antriebe Hauptbetriebsarten S1 S S1: Dauerbetrieb S2: Kurzzeitbetrieb S3: Aussetzbetrieb ohne Einfluss des Anlaufvorganges S4: Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorganges S5: Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorganges und der elektrischen Bremsung S6: Durchlaufbetrieb mit Aussetzbelastung S7: Ununterbrochener Betrieb mit Anlauf und elektrischer Bremsung S8: Ununterbrochener Betrieb mit periodischer Last- Drehzahländerung S9: Ununterbrochener Betrieb mit nichtperiodischer Last- und Drehzahländerung Mittelwerte von Leistung, Drehmoment und Strom Motorleistung und Betriebsarten Leistungserhöhung gegenüber S Mechanische Grenzleistung Leistungsverminderung gegenüber S ii

4 3 Charakteristische Lastmomente Drehzahlabhängige Lastmomente Das Drehmoment bleibt konstant Das Drehmoment steigt proportional zur Drehzahl Das Drehmoment steigt quadratisch zur Drehzahl Das Drehmoment sinkt umgekehrt proportional zur Drehzahl Winkelabhängige Lastmomente Wegabhängige Lastmomente Zeitabhängige Lastmomente Losbrechmoment Auswahl und Dimensionierung elektrischer Antriebe Leistungsvermögen von Motoren Katalogdaten und Einsatzparameter Bestimmen der Typenleistung Katalogdaten Betriebsbedingungen Vorgehen bei der Motordimensionierung Dimensionierung nach dem Lastmoment Berechnung nach dem Beschleunigungsmoment oder der Hochlaufzeit Beschleunigungsmoment Hochlaufzeit Berechnung nach Schalthäufigkeit Auswahl nach Katalogdaten Formelzeichen 4.14 iii

5 1 Drehstromasynchronmotor Der Drehstromasynchronmotor auch als Induktionsmotor bezeichnet ist bei industriellen Antrieben der überwiegend verwendete Motortyp. Besonders in seiner Ausführung als Kurzschlussläufermotor dominiert er die industrielle elektrische Antriebstechnik. 1.1 Wirkungsweise Der Drehstromasynchronmotor, besteht gemäss Bild elektrisch aus dem feststehenden Stator oder Ständer mit einer aus dem Drehstromnetz gespeisten Dreiphasenwicklung und dem umlaufenden Rotor. Zwischen Stator und Rotor besteht keine elektrische Verbindung. Die Ströme im Rotor werden von der Statorseite her über den Luftspalt induziert. Stator und Rotor sind aus hochmagnetisierbarem Dynamoblech mit geringen Wirbelstrom- und Hystereseverlusten zusammengesetzt Stator Die Statorwicklung ist aus drei einzelnen Wicklungen aufgebaut, die gegeneinander um den elektrischen Winkel von 120 versetzt angeordnet sind. Schliesst man sie an das speisende Netz an, so dient zunächst der Strom der Magnetisierung des Blechkörpers. Dieser Magnetisierungsstrom erzeugt ein Drehfeld, welches mit der synchronen Drehzahl n s umläuft. Bei der kleinsten Polzahl von 2p = 2 ergibt sich im 50 Hz-Netz die höchste n s = synchrone Drehzahl in min f -1 Synchrone Drehzahl n s = 60 p f = Frequenz in s -1 p = Polpaarzahl (Polzahl/2) synchrone Drehzahl von n s = 3000 min -1. Die synchronen Drehzahlen im 50 Hz- Netz sind in Tabelle dargestellt: Rotor Der Rotor oder Läufer besteht bei Asynchronmaschinen mit Kurzschlussläufer aus einem genuteten zylindrischen Läuferblechpaket mit Stäben aus Aluminium, die stirnseitig durch Ringe zu einem geschlossenen Käfig verbunden sind. Bei Drehstromasynchronmotoren wird der Rotor oft auch als Anker bezeichnet. Bei elektrischen Maschinen ist der Anker der Teil der Maschine, dessen Wicklung vom Magnetfeld induziert wird. Bei Drehstromasynchronmotoren ist dies der Rotor. Die Bezeichnung Anker hat historische Bedeutung; denn die Rotoren der ersten elektrischen Maschinen hatten die Form eines doppelten Schiffsankers. 1.1

6 Polzahl 2p n s in min Tabelle Gebräuchliche synchrone Drehzahlen im 50 Hz Netz Im 60 Hz Netz sind die synchronen Drehzahlen um 20 % höher Bild Moderner geschlossener Käfigläufer-Drehstrommotor Im Stillstand verhält sich der Asynchronmotor wie ein sekundärseitig kurzgeschlossener Transformator. Die Statorwicklung entspricht dabei der Primärwicklung, die Rotorwicklung (Käfigwicklung) der Sekundärwicklung. Weil sie kurzgeschlossen ist, fliesst in ihr ein Rotorstrom, der von der induzierten Spannung und ihrem Widerstand abhängig ist. Im Zusammenwirken des magnetischen Flusses mit den stromdurchflossenen Leitern im Rotor entsteht ein Drehmoment im Sinne der Umlaufrichtung des Drehfeldes. Die Rotorstäbe sind in der Regel gemäss Bild im Winkel zur Drehachse geschränkt angeordnet, um Drehmomentschwankungen zu vermeiden Im Leerlauf erreicht der Rotor fast die synchrone Drehzahl des Drehfeldes, weil nur ein geringes Gegenmoment (Leerlaufverluste) vorhanden ist. Würde er genau synchron drehen, so würde keine Spannung mehr induziert, es flösse kein Strom mehr und es käme kein Drehmoment mehr zustande. 1.2

7 Im Betrieb sinkt die Drehzahl des Rotors auf die Lastdrehzahl n ab, er schlüpft. Entsprechend diesem lastabhängigen Schlupf s, ändert die in der Rotorwicklung induzierte Spannung, damit der Rotorstrom und somit auch das Drehmoment M. Mit zunehmendem Schlupf s steigt der Rotorstrom und das Drehmoment. Weil der Drehstromasynchronmotor wie ein Transformator wirkt, wird der Rotorstrom auf die Statorseite (Sekundärseite) transformiert und der aus dem Netz entnommene Statorstrom ändert sich praktisch im selben Ausmass. Die vom Netz bezogene elektrische Leistung des Stators wird über den Luftspalt in mechanische Leistung im Rotor umgewandelt. Der Statorstrom setzt sich daher aus zwei Komponenten zusammen, dem Magnetisierungsstrom und dem eigentlichen Laststrom. a Einfach geschränkte Läuferstäbe b Doppelt geschränkte Läuferstäbe Bild Ausführungsformen von Kurzschlussläufer-Wicklungen Schlupf Die Differenz zwischen der synchronen Drehzahl n s und der im Bemessungsbetrieb wirkenden Drehzahl n bezeichnet man als Schlupf s und drückt ihn meist in Prozenten aus. Im Bemessungsbetrieb beträgt er je nach Grösse der Maschine etwa 10 bis 3%. Der Schlupf ist eine der wichtigsten Kenngrössen der Asynchronmaschine. Schlupf s = n s - n n s s = Schlupf n s = synchrone Drehzahl n = Drehzahl des Rotors 1.3

8 Bild Die Rotorspannung U R ist proportional vom Schlupf s abhängig. Einem Schlupf von 10 % entspricht eine Rotorspannung von 10 % Die induzierte Rotorspannung U R ist gemäss Bild proportional dem Schlupf s. Im Stillstand bei n = 0 und s = 1 erreicht sie die den höchsten Wert, womit auch der grösste Strom fliesst. Diese Tatsache wird in der Praxis durch den hohen Anlaufstrom (Einschaltstromstoss) bestätigt. Für einen bestimmten Rotorwiderstand wird im Stillstand auch das Drehmoment am grössten. Durch konstruktive Massnahmen lässt sich dieses Verhalten beeinflussen. Allerdings legt man den Rotorwiderstand meistens nicht für diesen Fall aus. Für die Drehzahl des Rotors ergibt sich: Rotordrehzahl n = n s (1 - s) n = Rotordrehzahl n s = synchrone Drehzahl s = Schlupf Verluste Da die Rotordrehzahl n um den Schlupf s kleiner ist als die synchrone Drehzahl n s des Drehfeldes, ist auch die mechanische Rotorleistung P 2 kleiner als die elektrisch übertragene Drehfeldleistung P D. Die Differenz P VR geht im Rotor als Wärme verloren. Diese Wicklungsverluste sind somit direkt vom Schlupf s abhängig. Beim Startvorgang wird sogar im ersten Augenblick die gesamte im Rotor induzierte Leistung in Wärme umgewandelt. Verluste im Rotor P VR = P D s = Kupferverluste P CuR in W Die Gleichung zeigt, die grösste thermische Gefahr besteht bei stillstehendem Rotor mit s = 1, da dann die gesamte aufgenommene elektrische Leistung im Motor in Verlustwärme umgesetzt wird. Wegen des erhöhten Anlaufstromes von Asynchronmotoren beträgt die Verlustleistung ein Mehrfaches der Motor- Bemessungsleistung. Zusätzlich sind übliche eigenventilierte Motoren im Stillstand schlecht gekühlt. 1.4

9 Betrachtet man die gesamten Verluste P v in einem Motor, so setzen sich gemäss Bild aus den folgenden Einzelverlusten zusammen: P Fe Eisenverluste im Stator im Betrieb etwa konstant P CuS Stromwärmeverluste im Stator quadratisch vom Strom abhängig P CuR Stromwärmeverluste im Rotor quadratisch vom Strom abhängig P Lu Luftreibungsverluste im Betrieb etwa konstant P La Lagerreibungsverluste im Betrieb etwa konstant P zus Zusatzverluste im Betrieb etwa konstant Die Eisenverluste P Fe im Stator entstehen durch die Hysterese- und Wirberlstromverluste, die von der Spannung und der Frequenz abhängig sind. Im Betrieb sind sie deshalb etwa konstant. Im Rotor können sie praktisch vernachlässigt werden, weil im Betrieb die Frequenz des Rotorstromes sehr klein ist. Stromwärmeverluste entstehen im Stator P CuS und im Rotor P CuR, welche beide quadratisch von der Belastung abhängig sind. Die Luftreibungsverluste P Lu und die Lagerreibungsverluste P La sind wegen der praktisch konstanten Drehzahl im Betrieb ebenfalls konstant. Die Zusatzverluste P zus entstehen vor allem durch Wirbelströme in den metallischen Konstruktionsteilen der Maschine. Ausführung: P 1 = Aufgenommene elektrische Leistung P Fe = Eisenverluste im Stator P CuS = Stromwärmeverluste im Stator P zus = Zusatzverluste P D = Drehfeldleistung (Luftspaltleistung) P CuR = Stromwährmeverluste im Rotor P Lu = Luftreibungs- und Ventilationsverluste P La = Lagerreibungsverluste P 2 = Abgegebene mechanische Leistung Bild Leistungen und Verluste beim Drehstromasynchronmotor 1.5

10 1.2 Drehmomentverlauf Grundsätzlicher Verlauf Der typische Drehmomentverlauf von Asynchronmotoren mit Kurzschlussläufern ist in Bild dargestellt und durch nachstehende Grössen gekennzeichnet. Unter dem Hochlaufmoment wird dabei der ganze Bereich des Drehmomentverlaufs vom Stillstand bis zur vollen Drehzahl verstanden. M n = Bemessungsmoment M L = Lastmoment M K = Kippmoment M M = Motormoment n S = Synchrone Drehzahl A n = Bemessungspunkt M A = Anzugsmoment M B = Beschleunigungsmoment M S = Sattelmoment n n = Bemessungsdrehzahl(0,94..0,99 n S ) n = Betriebsdrehzahl A = Betriebspunkt n 0 = Leerlaufdrehzahl (0,98..0,997 n S ) Bild Drehmomentverlauf des Asynchronmotors über der Drehzahl M A Anzugsmoment im Stillstand, auch Losbrechmoment genannt. Die Listenwerte der Motorenhersteller dürfen von -15% bis +25% Toleranz aufweisen. M n Bemessungsmoment im Bemessungsbetrieb bei Bemessungsleistung P n und bei Bemessungsdrehzahl n n. Im Leerlauf ist das Drehmoment sehr klein und deckt die inneren Reibungen. Belastet man den Motor, so sinkt seine Drehzahl leicht um den Schlupf s ab und das Drehmoment nimmt zu. Das Bemessungsmoment muss von einem Normalmotor im Dauerbetrieb abgegeben werden können, ohne dass seine Grenztemperatur überschritten wird. Bei bestimmten Betriebsarten (S2, S3 und S6) darf das Bemessungsmoment auch in einem gewissen Ausmass überschritten werden, wenn über den ganzen Betriebsbereich betrachtet die Grenztemperatur nicht überschritten wird. M K Kippmoment. Das ist das maximale Drehmoment, das der Motor abgeben kann. Steigert man die Leistung über die Bemessungslast P n, so nimmt der Schlupf s weiter zu, die Drehzahl n wird kleiner und der Motor liefert ein grösseres Drehmoment. Dies kann bis zu einem Maximalwert M K (Kippmoment) gesteigert werden, wo der Motor kippt, das heisst seine Drehzahl bricht bei diesem Schlupfwert (Kippschlupf) plötzlich zusammen. 1.6

11 Gemäss den Normen muss das Kippmoment M K 1,6 M n sein und der Motor muss mindestens 15 s lang mit diesem Wert bei Bemessungsspannung und Bemessungsfrequenz überlastbar sein. Die Listenwerte dürfen bis -10% Toleranz aufweisen. Bei den meisten Motoren ist das Kippmoment bedeutend grösser und erreicht üblicherweise Werte von etwa M K = 2...3,5 M n. Der Asynchronmotor eignet sich deshalb ausgezeichnet für stossweise Belastung, wenn die zusätzlich entstehende Verlustwärme abgeführt werden kann. M S Sattelmoment, auch als Durchzugsmoment bezeichnet, ist das kleinste Drehmoment, das während des Hochlaufs auftritt. Es muss auf jeden Fall grösser sein, als das in diesem Augenblick wirkende Lastmoment M L, da der Antrieb sonst nicht beschleunigt werden kann. Minimalwerte für das Sattelmoment sind in den Normen für den Betrieb mit Bemessungsspannung vorgeschrieben. M L Lastmoment, das Gegenmoment das die Last während des Hochlaufs darstellt. M M Motormoment auch als Hochlaufmoment bezeichnet. M B Beschleunigungsmoment als Differenz des Motormoment M M minus das Lastmoment M L Im Dauerbetrieb mit der Betriebsart S1 und der Bemessungsbelastung P n dreht der richtig dimensionierte Motor mit der Bemessungsdrehzahl n n und gibt dabei das Bemessungsmoment M n ab: Bemessungsmoment M n = 9555 P n M n = Bemessungsmoment in Nm P n = Bemessungsleistung in kw n n = Bemessungsdrehzahl in min -1 Das Drehmoment M kann aber auch mit den elektrischen Daten des Motors berechnet werden: U = Spannung in V Bemessungs- I = Strom in A 3 U I cosϕ η 9,55 moment M n = cosϕ = Leistungsfaktor n η = Wirkungsgrad n = Drehzahl in 1.7

12 Beim Start muss gemäss Bild das Anzugsmoment M A grösser als das Losbrechmoment der Last sein und das Motormoment M M muss während dem gesamten Hochlauf dauernd über dem Lastmoment M L liegen. Im Schnittpunkt der beiden Momentenlinien (Betriebspunkt A) arbeitet der Antrieb mit konstanter Drehzahl n. Bei Überlast steigt der Betriebspunkt A über den Bemessungspunkt A n. Dies ist nur eine kurze Zeit zulässig, damit sich der Motor nicht unzulässig erwärmt. Der Betriebspunkt A sollte aber auch nicht zu tief liegen, das heisst es soll nicht ein zu grosser Motor gewählt werden. Unterhalb 50% der Bemessungslast fallen der Wirkungsgrad η und der Leistungsfaktor cosϕ stark ab und die Motoren arbeiten nicht mehr wirtschaftlich. Ein grösserer Motor hat auch einen grösseren Anzugsstrom I A, denn dieser ist vom Lastmoment unabhängig. Einzig die Hochlaufzeit würde durch einen grösseren Motor verkürzt Konstruktive Massnahmen Der Drehmomentverlauf lässt sich bei Drehstromasynchronmotoren weitgehend dem Verwendungszweck anpassen. Wesentliche Eigenschaften sind dabei ein geringer Anlaufstrom I A und ein hohes Anlaufmoment M A. Die Drehmomentcharakteristik und auch die Höhe des Anlaufstromes wird dabei hauptsächlich durch die Art des Rotorkäfigs und die Form der Rotornut gemäss Bild bestimmt. Ein hohes Anzugsmoment M A und einen kleinen Anlaufstrom I A erreicht man durch einen relativ hohen ohmschen Rotorwiderstand im Startmoment. Grundsätzlich wirkt beim Starten bei allen unterschiedlichen Rotorkonstruktionen ein mehr oder weniger grosser "Stromverdrängungseffekt" (Skineffekt). Man unterscheidet die folgenden Konstruktionsformen: a Einfachkäfigläufer für Druckgussausführung b Tiefnutausführung c Doppelkäfiganker Bild Nutformen bei Käfigläufern 1.8

13 Normale Käfiganker mit Einfachnut mit runden, viereckigen oder trapezförmigen Leitern meist aus Aluminium mit relativ hohem Anlaufmoment von 1,8...2,5 x M n und hohem Anlaufstrom von x I n. Stromverdrängungsanker, auch als Hochstab- oder Tiefnutanker bezeichnet. Werden die Rotorstäbe hoch und schmal ausgeführt, so wirkt beim Einschalten die Stromverdrängung, da dann die Rotorfrequenz hoch ist. Der Effekt bewirkt eine Verkleinerung des wirksamen Leiterquerschnittes und damit eine Erhöhung des ohmschen Widerstands. Dies führt zu einem guten Anlaufdrehmoment M A und einem günstigen Anlaufstrom I A. Im Betrieb wirkt sich die Stromverdrängung nicht mehr aus, da die Rotorfrequenz dann sehr klein ist. Doppelkäfiganker-Rotor mit Unterteilung des Stabes in zwei Einzelstäbe, die meist elektrisch voneinander getrennt sind. Den Aussenkäfig führt man mit hohem, den Innenkäfig mit kleinem ohmschem Widerstand aus. Dies erreicht man durch entsprechende Materialwahl (Cu, Al, Ms) und Dimensionierung der Leiterquerschnitte. Der Effekt ist noch ausgeprägter als beim Stromverdrängungsanker. Beim Anlauf fliesst der Strom praktisch nur im Aussenkäfig, was eine Reduktion des Anlaufstromes I A und eine relative Erhöhung des Anlaufmoments M A bewirkt. Im Betrieb verteilt sich der Strom dann auf beide Käfige, entsprechend ihren ohmschen Widerständen. Widerstandsläufer, auch als Schlupfläufer bezeichnet, mit einer Nutform wie beim normalen Käfigläufer, aber mit Leitern aus Messing anstelle von Al oder Cu, wodurch der ohmsche Widerstand grösser wird. Dieser bleibt nun im Gegensatz zum Stromverdrängungsanker über den ganzen Drehzahlbereich konstant und führt im Betrieb zu grossem Schlupf mit weichem Drehzahlverhalten ohne ausgeprägtes Kippmoment. Das Anlaufmoment M A ist entsprechend dem Rotorwiderstand hoch und der Anlaufstrom I A wird reduziert. Da im Betrieb der grosse ohmsche Widerstand vorhanden bleibt, entstehen relativ grosse Verluste, so dass der Betrieb unwirtschaftlich ist. Sie haben deshalb heute keine grosse Bedeutung mehr, weil die gewünschten Kennlinien auch mit verlustarmen elektronischen Zusatzeinrichtungen gefahren werden können. 1.9

14 K = normaler Käfig (Al) TN = Tiefnutanker (Al oder Cu) DK = Doppelkäfiganker (Al oder Cu bzw. aussen Al und innen Ms) W = Widerstandsläufer (Ms) M = Drehmoment n = Drehzhl Bild Prinzipieller Drehmomentverlauf verschiedener Käfigarten 1.3 Betriebskennlinien Unter den Betriebskennlinien versteht man die grafische Darstellung und somit den Verlauf von: Drehzahl Strom Leistungsfaktor Leistung Wirkungsgrad Schlupf als Funktion der Belastung. Bild zeigt die Betriebskennlinien eines typischen Asynchronmotors. Bild Betriebskennlinien eines Asynchronmotors in Abhängigkeit von der Belastung n = Drehzahl n S = Synchrone Drehzahl P 1 = aufgenommene Leistung P 2 = abgegebene Leistung η = Wirkungsgrad cosϕ = Leistungsfaktor I = aufgenommener Strom I n = Bemessungsstrom s = Schlupf P n = Bemessungsleistung 1.10

15 n Die Drehzahl n nimmt mit zunehmender Belastung nur leicht ab. Normale Käfigankermotoren haben somit ein "hartes" Drehzahlverhalten. s Der Schlupf s nimmt mit steigender Belastung etwa proportional zu. cosϕ Der Leistungsfaktor cosϕ ist stark von der Belastung abhängig und erreicht seinen Höchstwert erst bei Überlast. Im Teillastbereich ist er relativ ungünstig, weil auch bei Teillasten die Magnetisierung praktisch konstant ist. η I Der Wirkungsgrad η verläuft relativ flach und ist oberhalb der Halblast fast konstant. Seinen Höchstwert erreicht er im Allgemeinen unterhalb der Bemessungsleistung P n Der Strom I nimmt ab etwa der Halblast proportional zu. Unterhalb reduziert er sich weniger stark und geht dann in den Leerlaufstrom I 0 über. (Konstante Magnetisierung) P Die Leistung P 1 nimmt ausgehend von der Leerlaufleistung etwa proportional mit der Belastung zu. Im Überlastbereich steigt sie etwas stärker an, weil die Verluste stärker zunehmen. Da vor allem der Wirkungsgrad η und der Leistungsfaktor cosϕ bezüglich der Wirtschaftlichkeit eines Antriebes eine grosse Bedeutung haben, ist die Kenntnis der Teillastwerte wichtig. Beide bestimmen die Wirtschaftlichkeit im Betrieb. Im Teillastbereich sinken beide ab. Zusätzlich ist bei langsamlaufenden (hochpoligen) Motoren der Leistungsfaktor cosϕ kleiner als bei schnellaufenden. Es sind deshalb knapp dimensionierte und schnellaufende Motoren nicht nur in der Anschaffung billiger, sie kosten im Betrieb auch weniger. 1.11

16 2 Betriebsarten elektrischer Antriebe Normalerweise sind Drehstromasynchronmotoren für Dauerbetrieb mit der Bemessungsleistung ausgelegt; Ausnahmen sind zum Beispiel Stellantriebe. Ein erheblicher Anteil der Antriebe wird jedoch mit einer vom Dauerbetrieb abweichenden Betriebsart gefahren. So werden manche Motoren nur kurzzeitig eingschaltet, andere laufen zwar den ganzen Tag, werden aber nur kurzzeitig belastet und viele Antriebe haben eine grosse Schwungmasse zu beschleunigen oder werden im Schaltbetrieb gefahren und elektrisch abgebremst. Bei allen diesen unterschiedlichen Betriebsarten erwärmt sich ein Motor anders als im Dauerbetrieb. Damit die Motorwicklung und der Läufer keine schädlichen Übertemperaturen erreichen, muss diesen speziellen Erwärmungsvorgängen Rechnung getragen werden. 2.1 Hauptbetriebsarten S1 S9 Zur Projektierung benötigt man möglichst genaue Angaben über die Betriebsart, da die Leistungsausbeute stark von der Dauerbetriebsleistung abweichen kann. Die Anzahl der möglichen Betriebsarten ist dabei theoretisch unbegrenzt. Damit eine Verständigung zwischen Hersteller und Betreiber möglich ist, wurden in IEC 34 neun Hauptbetriebsarten S1 bis S9 näher beschrieben. Damit können fast alle in der Praxis vorkommenden Fälle einer dieser Betriebsarten zugeordnet werden: S1: Dauerbetrieb S2: Kurzzeitbetrieb S3: Aussetzbetrieb ohne Einfluss des Anlaufvorganges S4: Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorganges S5: Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorganges und der elektrischen Bremsung S6: Durchlaufbetrieb mit Aussetzbelastung S7: Ununterbrochener Betrieb mit Anlauf und elektrischer Bremsung S8: Ununterbrochener Betrieb mit periodischer Last- Drehzahländerung S9: Ununterbrochener Betrieb mit nichtperiodischer Last- und Drehzahländerung Der Motorhersteller muss die Belastbarkeit des Motors in einer dieser definierten Betriebsarten festsetzen und wo notwendig die Werte für die Betriebsdauer, die Belastungszeit oder die relative Einschaltdauer angeben. 2.1

17 In den Beschreibungen und Diagrammen für die Betriebsarten S1 bis S9 werden die folgenden Formelzeichen verwendet: P = Leistung in kw t Br = Bremszeit in s, min P v = Verluste in kw t L = Leerlaufzeit, s, min oder h n = Drehzahl in min -1 t r = Relative Einschaltdauer (%) ϑ = Temperatur in C t S = Spieldauer in s, min oder h ϑ max = Maximale Temp. in C t St = Stillstandszeit in s, min oder h t = Zeit in s, min oder h T = Thermische Zeitkonstante in min t B = Belastungszeit t A = Anlaufzeit in s, min J M = Trägheitsmoment des Motors in kgm 2 J ext = Trägheitsmoment der Last auf die Motorwelle bezogen in kgm 2 Die Drehzahl n wird bei den Motordaten meist in U/min angegeben. Auf den Leistungsschildern steht meist die Bemessungsdrehzahl n n bei Vollast, in Katalogen aber auch die synchrone bzw. Bemessungsdrehzahl. Die Betriebsarten S1 bis S9 decken in der Praxis viele vorkommende Einsatzfälle ab. Kann die Art der Belastung keiner der definierten Betriebsarten zugeordnet werden, so ist dem Hersteller ein genauer Spielverlauf anzugeben, oder es ist eine Betriebsart zu wählen, die eine mindest so schwere Belastung darstellt wie der wirkliche Betriebsfall S1: Dauerbetrieb Ein Betrieb mit konstantem Belastungszustand gemäss Bild 2.2.1, dessen Dauer ausreicht, um den thermischen Beharrungszustand zu erreichen. Die Belastungszeit t B ist viel grösser als die thermische Zeitkonstante T Kennzeichnung S1: Angabe der Leistung in kw, ev. mit dem Kurzzeichen S1. Bild Betriebsart S1: Dauerbetrieb 2.2

18 2.1.2 S2: Kurzzeitbetrieb Ein Betrieb mit konstantem Belastungszustand gemäss Bild 2.3.1, der aber nicht so lange dauert, dass der thermische Beharrungszustand erreicht wird, und mit einer nachfolgenden Pause, die so lange besteht, bis die Maschinentemperatur nicht mehr als 2 K von der Temperatur des Kühlmittels abweicht. Man spricht von Kurzzeitbetrieb, wenn die Belastungszeit t B 3 T (thermische Zeitkonstante) ist. Gegenüber der Dauerleistung kann der Motor während der Belastungszeit mehr Leistung abgeben. Details sind beim Hersteller zu erfragen. Kennzeichnung S2: durch die Angabe der Betriebsdauer t B und der Leistung P in kw - Beispiel: S2: 10 min, 11 kw. - Für die Betriebsdauer t B werden die Zeiten 10, 30, 60, 90 min empfohlen. Bild Betriebsart S2: Kurzzeitbetrieb 2.3

19 2.1.3 S3: Aussetzbetrieb ohne Einfluss des Anlaufvorganges Ein Betrieb gemäss Bild 2.4.1, der sich aus einer Folge von gleichartigen Spielen mit der Spieldauer t S mit konstanter Belastung und einer Pause zusammensetzt, deren Dauer im allgemeinen so kurz ist, dass der thermische Beharrungszustand nicht erreicht wird und der Anlaufstrom die Erwärmung nicht merklich beeinflusst. Dies ist der Fall, wenn die Betriebszeit t B 3 T ist. Die Leistung darf während dieser Zeit höher als die Dauerleistung des Motors sein. Details sind beim Hersteller zu erfragen. Relative Einschaltdauer t r = 100 t B + t S t B t B Belastungsdauer in s, min t r = Relative Einschaltdauer in % t s = Spieldauer in s, min Kennzeichnung: durch die Angabe der Belastungsdauer t B, der Spieldauer t S und der Leistung P, aber auch durch die relative Einschaltdauer t r in % und durch die Spieldauer. - Beispiel: S3: 15 min / 60 min, 11 kw - Beispiel: S3: 25%, 60 min, 11 kw Relative Einschaltdauer t B t r = 100 t B + t S Bild Betriebsart S3: Aussetzbetrieb ohne Einfluss des Anlassvorganges Werden für die Spieldauer keine Angabe gemacht, so gilt t S = 10 min. Empfohlene Werte für die relative Einschaltdauer t r sind 15, 25, 40, und 60% 2.4

20 2.1.4 S4: Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorganges Ein Betrieb gemäss Bild 2.5.1, der sich aus einer Folge gleichartiger Spiele mit der Spieldauer t S zusammensetzt, von denen jedes eine merkliche Anlaufzeit t A, eine Zeit t B mit konstanter Belastung und eine Pause t St umfasst. (t A + t B ) 100 t A + t B Relative Einschaltdauer t r = = t 100 t A + t B + t St S t A = Anlaufzeit s, min t r = Relative Einschaltdauer in % t St = Stillstandszeit in s, min t s = Spieldauer in s, min t B = Belastungszeit in s, min Kennzeichnung: durch die relative Einschaltdauer t r in %, der Anzahl Z L Anläufe pro Stunde und der Leistung P - Beispiel: S4: 25%, 500 Anläufe pro Stunde, 11 kw - Dazu kommen Angaben über die Trägheitsmomente des Motors und der Last J M und J ext während des Anlaufs. Relative Einschaltdauer t A + t B t r = 100 t A + t B + t St Bild Betriebsart S4: Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorganges Dabei ist zu beachten, ob der Motor am Ende der Spieldauer unter der Wirkung der Last stehen bleibt, oder ob er durch eine mechanische Bremse zum Stillstand kommt. Läuft der Motor nach dem Ausschalten so lange weiter, dass sich die Wicklungen nennenswert abkühlen, so ist dies anzugeben. Bei keiner Angabe, wird angenommen, dass er in sehr kurzer Zeit zum Stillstand kommt. Bei dieser Betriebsart geht man von der zulässigen Anzahl Leerschaltungen Z 0 aus und berechnet dann die zulässige Schalthäufigkeit entsprechend dem Lastmoment, einer eventuellen Zusatzmasse und einem eventuell vorhandenen Schwungmoment. Gegenüber dem Dauerbetrieb S1 ist eine Leistungsreduktion 2.5

21 2.1.5 S5: Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorganges und der elektrischen Bremsung Ein Betrieb gemäss Bild 2.6.1, der sich aus einer Folge gleichartiger Spiele mit der Spieldauer t S zusammensetzt, von denen jedes eine merkliche Anlaufzeit t A, eine Zeit t B mit konstanter Belastung P und eine Zeit t B schneller elektrischer Bremsung umfasst. Es tritt keine Pause auf. (t Relative Einschaltdauer t r = A + t B + t Br ) 100 t = A + t B + t Br 100 t A + t B + t Br + t St t S t A = Anlaufzeit s, min t St = Stillstandszeit in s, min t B = Belastungszeit in s, min t r = Relative Einschaltdauer in % t s = Spieldauer in s, min t Br = Bremszeit in s, min Kennzeichnung: ähnlich wie S4, aber zusätzlich mit Angabe der Bremsart (Gegenstrom, generatorisches Bremsen usw.) gekennzeichnet. - In Zweifelsfällen und wenn die Zeiten des Anlaufs und der Bremsung relativ zur Bemessungsbetriebszeit gross sind, sollen alle drei Zeitabschnitte gesondert angegeben werden. - Beispiel: S5: 25%, 500 Spiele pro Stunde, Bremsung durch Gegenstrombremsen, 11 kw. - Zusätzliche Angaben über die Trägheitsmomente des Motors und der Last J M und J ext bei Anlauf und Bremsung. Relative Einschaltdauer t A + t B + t Br t r = 100 t A + t B + t Br + t St Bild Betriebsart S5: Aussetzbetrieb mit Einfluss der Anlaufvorganges und der elektrischen Bremsung. Gegenüber dem Dauerbtrieb S1 ist bei dieser Betriebsart eine Leistungsreduzierung notwendig. Details sind beim Hersteller zu erfragen. 2.6

22 2.1.6 S6: Durchlaufbetrieb mit Aussetzbelastung Ein Betrieb gemäss Bild 2.71., der sich aus einer Folge gleichartiger Spiele mit der Spieldauer t S zusammensetzt, von denen jedes eine Zeit mit konstanter Belastung t B und eine Leerlaufzeit t L umfasst, wobei keine Pause auftritt. Nach der Betriebszeit t B dreht der Motor im Leerlauf weiter und kühlt sich wegen dem Leerlaufstrom nicht auf die Kühlmitteltemperatur ab, wird aber während der Leerlaufzeit t L belüftet. Dieser Betriebszustand ergibt sich, wenn t B T ist. Relative Einschaltdauer t r = 100 = 100 t B + t L t S t B = Belastungszeit in s, min t L = Leerlaufzeit in s, min t s = Spieldauer in s, min t r = Relative Einschaltdauer in % Kennzeichnung: wie bei S3, durch die Einschaltdauer t B und die Spieldauer t S, sowie der Leistung P t B - Beispiel: S6: 25%, 40 min, 11 kw - Werden keine Angaben über die Spieldauer gemacht, so gelten für t S = 10 min. t B Relative Einschaltdauer t B t r = 100 t B + t L Bild Betriebsart S6: Durchlaufbetrieb mit Aussetzbelastung Gegenüber dem Dauerbetrieb S1 darf die Leistung während der Betriebszeit t B grösser gewählt werden. Details sind beim Hersteller zu erfragen. 2.7

23 2.1.7 S7: Ununterbrochener Betrieb mit Anlauf und elektrischer Bremsung Ein Betrieb gemäss Bild 2.8.1, der sich aus einer Folge gleichartiger Spiele mit der Spieldauer t S zusammensetzt, von denen jedes eine merkliche Anlaufzeit t A, eine Zeit t B mit konstanter Belastung P und eine Zeit t Br mit schneller elektrischer Bremsung umfasst. Es tritt keine Pause auf. Relative Einschaltdauer t r = 1 Kennzeichnung: ähnlich wie S4, ohne Angabe der relativen Einschaltdauer t r, aber zusätzlich mit Angabe der Bremsart (Gegenstrom, generatorisches Bremsen usw.) gekennzeichnet. - In Zweifelsfällen und wenn die Zeiten des Anlaufs und der Bremsung relativ zur Bemessungsbetriebszeit genügend gross sind, sollen alle drei Zeitabschnitte gesondert angegeben werden. zum Beispiel: - Beispiel: S7: 500 Spiele pro Stunde, Bremsung durch Gegenstrombremsen, 11 kw. - Zusätzliche Angaben über die Trägheitsmomente des Motors und der Last J M und J ext bei Anlauf und Bremsung. Relative Einschaltdauer t r = 1 Bild Betriebsart S7: Ununterbrochener Betrieb mit Anlauf und elektrischer Bremsung Gegenüber dem Dauerbetrieb S1 ist bei dieser Betiebsart eine Leistungsreduzierung notwendig. Details sind beim Hersteller zu erfragen. 2.8

24 2.1.8 S8: Ununterbrochener Betrieb mit periodischer Last- Drehzahländerung Ein Betrieb gemäss Bild , der sich aus einer Folge gleichartiger Spiele mit der Spieldauer t S zusammensetzt; jedes dieser Spiele umfasst eine Zeit mit konstante Belastung und bestimmter Drehzahl; anschliessend eine oder mehrere Zeiten anderer Belastung, denen unterschiedliche Drehzahlen, zum Beispiel durch Polumschaltung, entsprechen. Es tritt keine Pause und keine Leerlaufzeit auf. Diese Betriebsart ist nicht mit einer einfachen Formel zu erfassen. Es muss eine passende Dauerbelastung als Bezugsgrösse für das Lastspiel zugrunde gelegt werden. Relative (t A + t B1 ) 100 t A + t B1 Einschaltdauer t r1 = = 100 t A + t B1 + t Br1 + t B2 + t Br2 + t B3 t S Relative (t Br1 + t B2 ) 100 t Br1 + t B2 Einschaltdauer t r2 = = 100 t A + t B1 + t Br1 + t B2 + t Br2 + t B3 t S Relative (t Br2 + t B3 ) 100 t Br2 + t B3 Einschaltdauer t r3 = = 100 t A + t B1 + t Br1 + t B2 + t Br2 + t B3 t A = Anlaufzeit in s, min t s = Spieldauer in s, min t B = Belastungszeit in s, min t r = Rel. Einschaltdauer in % t Br = Bremszeit in s, min Kennzeichnung: ähnlich wie S5, aber für jede Drehzahl die Angaben der Zeiten, in denen diese Drehzahlen innerhalb der Spieldauer auftreten. - Beispiel: S8: 30%, 3000 min -1, 10 min, 1500 min min, 2 Spiele pro Stunde, 11 kw. - Zusätzliche Angaben über die Trägheitsmomente des Motors und der Last J M und J ext bei Anlauf und Bremsung. t S 2.9

25 Bild Betriebsart S8: Ununterbrochener Betrieb mit periodischer Drehzahländerung t A + t B1 Relative Einschaltdauer t r1 = 100 t A + t B1 + t Br1 + t B2 + t Br2 + t B3 t Br1 + t B2 Relative Einschaltdauer t r2 = 100 t A + t B1 + t Br1 + t B2 + t Br2 + t B3 t Br2 + t B3 Relative Einschaltdauer t r3 = 100 t A + t B1 + t Br1 + t B2 + t Br2 + t B3 Gegenüber dem Dauerbetrieb S1 ist bei dieser Betriebsart eine Leistungsreduktion notwendig. Die genaue Berechnung ist sehr aufwendig und ist nur mit detaillierten Angaben des Herstellers möglich. 2.10

26 2.1.9 S9: Ununterbrochener Betrieb mit nichtperiodischer Lastund Drehzahländerung Dies ist ein Betrieb gemäss Bild , bei dem sich im allgemeinen die Belastung und die Drehzahl innerhalb des zulässigen Betriebsbereiches nichtperiodisch ändert. Es können häufig Belastungsspitzen auftreten, die weit über der Bemessungsleistung liegen können. Die Überlast lässt sich durch eine gezielte Überdimensionierung berücksichtigen. Diese Betriebsart ist nicht mit einer einfachen Formel zu erfassen. Es muss eine passende Dauerbelastung als Bezugsgrösse für das Lastspiel zugrunde gelegt werden. Kennzeichnung: Hersteller und Benutzer vereinbaren in der Regel anstelle der variierenden Last bei verschiedenen Drehzahlen und unregelmässigem Betrieb inkl. Überlast eine äquivalente ("equ") Dauerleistung Beispiel: S9, 11 kw equ 740 min -1 ; 22 kw equ 1460 min -1 Bild Betriebsart S9: Ununterbrochener Betrieb, mit nichtperiodischer Last- und Drehzahländerung Gegenüber Dauerbetrieb S1 kann die äquivalente Dauerleistung der Betriebsart S9 je nach Lastverlauf und Länge der Pausen tiefer, gleich oder sogar höher sein. 2.11

27 2.2. Mittelwerte von Leistung, Drehmoment und Strom In vielen Fällen weicht der praktische Einsatz eines Antriebes insofern von den Betriebsarten S1 bis S9 ab, weil die geforderte Leistung P bzw. das Drehmoment M L und damit der Strom I nicht konstant sind. Weil die Verluste P v quadratisch mit der Belastung ändern, kann man die einzelnen Werte (Leistungen, Drehmomente, Ströme) durch eine mittlere Leistung P mi ersetzen. Bild Bestimmen der mittleren Leistung P m, des mittleren Drehmomentes M mi und des mittleren Stromes I mi (I eff ). Mittlere Leistung P mi = P 1 t 1 + P 2 t 2 + P 3 t 3 t 1 + t 2 + t 3 Diese bestimmt man durch eine quadratische Umrechnung, gemäss Bild , mit den einzelnen Leistungen und den zugehörigen wirksamen Zeiten. Das hierbei auftretende maximale Moment darf allerdings 80% des Kippmomentes beim Drehstromasynchronmotor nicht übersteigen. Diese Art der Mittelwertsbildung ist bei S2 allerdings nicht möglich. 2.12

28 Mittlere Leistung P mi = P 1 t 1 + P 2 t 2 + P 3 t t 1 + t 2 + t Mittleres Drehmoment M mi = M t 1 + M 2 t 2 + M 3 t t 1 + t 2 + t Mittlerer Strom (I eff ) = I 1 t 1 + I 2 t 2 + I 3 t t 1 + t 2 + t Wenn sich die Leistungen um mehr als den Faktor 2 unterscheiden, so wird diese Mittelwertsbildung zu ungenau, es muss dann mit dem mittleren Strom gerechnet werden, den man der Kennlinie des Motors entnimmt. Beispiel: Bei einem Industrial-Handling-Automaten, werden für eine Spieldauer von 10 min die folgenden Belastungsspiele ermittelt: 6 kw während 3 min, 3 kw während 2 min, 7 kw während 2 min, 2 kw während 3 min Wie gross ist die mittlere Belastung? P 1 t 1 + P 2 t 2 + P 3 t P mi = = = 4,85 kw t 1 + t 2 + t

29 2.3 Motorleistung und Betriebsarten Die Betriebsarten S1 bis S9 können in zwei Gruppen eingeteilt werden, wobei gegenüber S1 eine Erhöhung bzw. eine Verminderung der Bemessungsleistung möglich, bzw. notwendig ist: Leistungserhöhung gegenüber S1: Leistungsverminderung gegenüber S1: bei S2, S3 und S6 bei S4, S5, S7 und S Leistungserhöhung gegenüber S1 Da bei den Betriebsarten S2, S3 und S6 die Maschine nicht dauernd mit Vollast, sondern nur blockweise betrieben wird und sie sich während der Stillstandzeit t St wieder abkühlen kann, darf sie mechanisch und thermisch während der Belastungszeit t B höher belastet werden. Bei der Bestimmung der zulässigen Erhöhung spielen die folgenden Einflussgrössen eine wichtige Rolle: P n Bemessungsleistung des Motors in kw P mech Mechanische Grenzleistung des Motors in kw P th Thermische Grenzleistung des Motors in kw M n Bemessungsmoment in Nm M K Kippmoment in Nm T Thermische Zeitkonstante in min (Tabelle ) k 0 Verhältn. der Äquivalentverluste Leerlauf/Last (Tabelle ) t r Relative Einschaltdauer in % h Verhältn. der Wärmeabgabe belüftet/unbelüftet(tabelle ) z 0 Leerumschalthäufigkeit in h -1 (Tabelle ) Die Berechnung ist zum Teil nicht ganz einfach. Viele Hersteller von Drehstromasynchronmotoren bieten deshalb auch Computerprogramme zur Berechnung von Antrieben an. Mit diesen kann man rasch und sicher den richtigen Antrieb finden. 2.14

30 2.3.2 Mechanische Grenzleistung Bei der Leistungserhöhung bei den Betriebsarten S2, S3 und S6 ist die mechanische Grenzleistung P mech zu beachten. In den Normen steht: "Mehrphasen- Induktionsmotoren müssen unabhängig von ihrer Betriebsart und Ausführung 15 s bei Bemessungsspannung und Netzfrequenz bis zum 1,6- fachen Bemessungsmoment überlastbar sein." Die Katalogangaben sind aber mit Toleranzen bis zu -10% behaftet, so dass das Kippmoment M K bezüglich des neuen erhöhten Moment M max um den Faktor 1,76 höher sein sollte. Bezüglich der Katalogdaten lässt sich deshalb die mechanische Grenzleistung wie folgt definieren: M K Mechanische Grenzleistung P mech M n P n 1,76 P n = Bemessungsleistung in W M n = Bemessungsmoment in Nm M k = Kippmoment in Nm Leistungsverminderung gegenüber S1 Bei den Betriebsarten S4, S5, S7, S8 und S9 ist eine Reduktion der Motorleistung notwendig, da in allen diesen Fällen die Anlaufverluste bzw. Bremsverluste eine wesentliche Rolle spielen. Die Berechnungsmethode basiert auf der Anzahl der zulässigen Leerumschalthäufigkeit z 0 nach Tabelle Dies ist die maximal zulässige stündliche Umschaltzahl, ohne dass der Motor zu warm wird. Die maximal zulässige Schalthäufigkeit z für einen bestimmten Belastungszustand ergibt sich dann über Reduktionsfaktoren wie Trägheitsfaktor, Gegenmomentfaktor, und Lastfaktor. Trägheitsfaktor FI (factor of inertia), der die äusseren Trägheitsmomente wie Motorträgheitsmoment J Mot und zusätzliche Trägheitsmomente J zus berücksichtigt: Trägheitsfaktor FI = J Mot + J zus J Mot J Mot = Motorträgheitsmoment in kgm 2 J zus = Zusätzliches Trägheitsmoment in kgm

31 Sind die Drehzahlen von Arbeitsmaschine und Motor nicht identisch, so müssen alle Trägheitsmomente J auf die Motordrehzahl n Mot umgerechnet werden: Umgerechnete zusätzliche Trägheitsmomente J zus = J 1 n J 2 n n 2 Mot J = Trägheitsmoment in kgm 2 n = Drehzahl in min -1 Gegenmomentfaktor kg, der ein während dem Hochlauf vorhandenes mittleres Lastmoment M L berücksichtigt, das vom mittleren Motormoment M Mot überwunden werden muss: Gegenmomentfaktor k g = 1 - M L M Mot M L = Lastmoment M Mot = Motormoment Werden Getriebe mit dem Getriebewirkungsgrad η G eingesetzt und sind damit verschiedene Drehzahlen vorhanden, so müssen die Lastmomente der Arbeitsmaschine auf die Motordrehzahl n n umgerechnet werden: M L1 n 1 M L2 n 2 Umgerechnete Lastmomente M L = η G1 n n η G2 n n M = Drehmoment in Nm n = Drehzahl in min -1 η = Getriebewirkungsgrad 2.16

32 Wegen des Einfluss des Anlaufvorganges bezüglich der Erwärmung, ist die Bemessungsleistung P n des Motors grösser zu wählen, als es die eigentliche Bedarfsleistung P verlangt. t A = Anlaufzeit, t B = Belastungszeit, t St = Stillstandzeit, t S = Spieldauer Bild Betriebsart S4 für den Aussetzbetrieb eines automatischen Bearbeitungszentrums. Wegen dem Einfluss des Anlauf- und Bremsvorganges bezüglich der Erwärmung, ist die Bemessungsleistung P n des Motors grösser zu wählen, als die eigentliche Bedarfsleistung P verlangt. t A = Anlaufzeit, t B = Belastungszeit, t Br = Bremszeit, t St = Stillstandzeit, t S = Spieldauer Bild Betriebsart S5 für den Aussetzbetrieb einer Kreissäge n/ns Bild Typischer Streubereich der Drehmomentenkennlinie für Drehstromasynchronmotoren 2.17

33 Lastfaktor k L, mit dem die Last während der Betriebszeit berücksichtigt wird. In Fällen, wo die Belastungskennlinie nicht exakt bekannt ist gilt: Lastfaktor k L = 1 - (P / P n ) 2 (1 - k o )t r (1 - k o )t r + (1 - t r )h k L = Lastfaktor P = Verlangte Leistung in kw P n = Bemessungsleistung des Motors k 0 = Verhältnis der Äquivalentverluste Leerlauf/Last (Tabelle ) h = Verhältnis der Wärmeabgabe belüftet/unbelüftet (Tabelle ) t r = Relative Einschaltdauer (siehe Betriebsarten S1...S9) P n Bemessungs- 2pol. 4pol. 6pol. 8pol. leistung kw min min min min 0,09 1, ,5 3, , ,5 18, Tabelle Typische Erwärmungszeitkonstante T in min für Asynchronmotoren P n Bemessungs- 2pol. 4pol. 6pol. 8pol. leistung kw 0,09...1,5 0,35 0,45 0,5 0,5 2,2...18,5 0,25 0,25 0,3 0, ,25 0,3 0,3 0, ,35 0,35 0,3 0,3 Tabelle Typisches Verhältnis der Äquivalentverluste k o im Leerlauf zu denen im Betrieb 2.18

34 Die Äquivalentverluste sind die Summe der zur Wicklungserwärmung beitragenden Anteile der Einzelverluste wie zum Beispiel Kupfer-, Eisen- und Läuferverluste. P n Bemessungs- 2pol. 4pol. 6pol. 8pol. leistung kw 0, ,5 0,4 0,45 0,5 0, ,2 0,3 0,3 0,3 Tabelle Typisches Verhältnis h der Wärmeabgabe des unbelüfteten zum belüfteten Motor. Baugrösse 2pol. 4pol. 6pol. 8pol S L L M S M M L M L L S M M S M S M Tabelle Typische Leerumschalthäufigkeit z 0 in h

35 3 Charakteristische Lastmomente Motoren sind dann richtig dimensioniert, wenn sie im Mittel mit dem Bemessungsmoment (Nennmoment) M n bei der Bemessungsdrehzahl (Nenndrehzahl) n n betrieben werden. Sie geben dann auch die Bemessungsleistung (Nennleistung) P n ab und nehmen den Bemessungsstrom (Nennstrom) I n auf. Den Drehmomentverlauf der meisten Arbeitsmaschinen kann man typischen und damit charakteristischen Kennlinien zuordnen, was die Antriebsprojektierung enorm erleichtert. Unter Last oder Arbeitsmaschinen versteht man maschinenbauliche Geräte, die zur Bearbeitung oder Umformung von Werkstoffen dienen wie Werkzeugmaschinen, Pressen, Kalander, Zentrifugen usw., aber auch Förderanlagen wie Krane, Transportbänder, und Fahrantriebe. Im weiteren kann man Pumpen und Lüfter zu einer Gruppe zusammenfassen. Bei sehr grossen und komplexen Maschinen wie zum Beispiel Walzwerken oder Papiermaschinen teilt man die Anlage in Teile auf und betrachtet die einzelnen Antriebe gesondert. Bei der Antriebsprojektierung ist im allgemeinen nicht auf die Feinstruktur der Arbeitsmaschine Rücksicht zu nehmen. Meist lässt sie sich genau genug durch die Momentenkennlinie M L = f(n) oder M L = f(t), den zeitlichen Drehzahlverlauf n = f(t), durch maximal zulässige Beschleunigung/Verzögerung und das gesamte Trägheitsmoment, bezogen auf die Antriebswelle, beschreiben. Die Kennlinien unterscheiden sich meist stark zwischen Leerlauf und Vollast. Auch das Trägheitsmoment kann, je nach dem ob sich viel oder wenig Arbeitsgut in der Maschine befindet, varieren. Für die Antriebsdimensionierung sowie für die Nachprüfung von Anlassund Bremsvorgängen ist die Kenntnis des Verlaufs des Lastmomentes M L als Funktion der Drehzahl äusserst wichtig. Jede Arbeitsmaschine setzt dem Antrieb ein bestimmtes Moment entgegen, das meist von der Drehzahl abhängig ist. Es wird auch als Beharrungsmoment bezeichnet und ist im wesentlichen durch den technologischen Prozess festgelegt. Es wirkt in der Regel der Bewegungsrichtung entgegen, ausser bei Hubwerken bei der Senkbewegung, wo es in Bewegungsrichtung wirksam ist. Dazu kommen noch Beschleunigungs- und Verzögerungsmomente bei Drehzahländerungen, die durch das Trägheitsmoment bestimmt werden. Der Verlauf des Lastmomentes bei einem Antrieb ist oft typisch und kann deshalb mit bestimmten Merkmalen beschrieben werden. Man spricht von der Klassifikation der Arbeitsmaschinen.

36 Eine Übersicht über die vielgestaltigen Antriebsmaschinen ist nur möglich, wenn man sie in typische Lastkennlinien bzw. Leistungskurven gemäss Bild und Bild einteilt. Dabei ist zu beachten, dass zum Beispiel Gebläse und Verdichter unterschiedliche Kennlinien zeigen, je nachdem ob sie unter Vollast oder entlastet gefahren werden. Sinnvoller ist es, sie entlastet anzufahren. Bild Drehmoment- respektive Leistungsverlauf für typische Lasten als Funktion der Drehzahl a M konst. P proportional n b M proportional n, P proportional n 2 c M proportional n 2 P proportional n 3 d M proportional 1/n P konst. In vielen Fällen ist das mittlere Lastmoment M Lm wichtig. Bei bekanntem Momentenverlauf kann es gemäss dem Moment M n nach beendetem Hochlauf bestimmt werden. 3.1 Drehzahlabhängige Lastmomente Aus den physikalischen Grundlagen der Antriebstechnik ist bekannt, dass die mechanische Leistung P eines Antriebes vom Drehmoment M und der Drehzahl n bzw. der Winkelgeschwindigkeit ω abhängig ist: Das Drehmoment bleibt konstant Das Drehmoment der Arbeitsmaschine ergibt sich im wesentliche aus der mechanischen Reibung, die in weitem Drehzahlbereich gemäss Bild a konstant bleibt. Beim Starten ist oft eine erhöhte Haftreibung zu überwinden. 3. 2

37 P = M 2 π n = M ω Bei konstantem Drehmoment M ist die Leistung P proportional von der Drehzahl n abhängig P ~ n Beispiele für mechanische Lasten mit konstantem Drehmoment sind: - Hebezeuge, Aufzüge, Winden - Werkzeugmaschinen bei konstanter Schnittkraft - Förderbänder, Vorschubantriebe - Mühlen ohne Lüfterwirkung - Kolbenpumpen und Verdichter bei konstantem Druck - Walzwerke - zt. auch Scheren und Stanzen - Hobelmaschinen - Lager, Getriebe Das mittlere Lastmoment M Lm entspricht bei diesen Antrieben etwa dem Bemessungsmoment M N der Last. Damit lässt sich bei diesen Antrieben durch eine Reduzierung der Drehzahl n die Leistung P proportional verkleinern. Eine Halbierung der Drehzahl ergibt eine Halbierung der Leistung Das Drehmoment steigt proportional zur Drehzahl Dieser Zusammenhang entsteht gemäss Bild b zum Beispiel bei geschwindigkeitsproportionaler Reibung (Viskosereibung) beim Walzen und Bearbeiten von Papier, Textil oder Gummifliesen. Bei proportional ansteigendem Drehmoment M nimmt die Leistung P quadratisch mit der Drehzahl n zu: P ~ n 2 Beispiele sind: - Kalander, Extruder - Glätten von Papier und Geweben - Wirbelstrombremsen Das mittlere Lastmoment M Lm beträgt bei diesen Antrieben etwa die Hälfte des Bemessungsmomentes M n / 2. Bei einer Reduzierung der Drehzahl n geht die Leistung P quadratisch dazu zurück. Bei einer Halbierung der Drehzahl n beträgt die Leistung P nur noch ein Viertel. 3. 3

38 Bild Typische Gegenmomentkennlinien von Arbeitsmaschinen mit Anlauf A Diverse Antriebe a Aufzüge, Hub, Vorschubantriebe b Werkzeugmaschinen spanabhebend c Fahrzeuge mit kleiner, c' mit hoher Geschwindigkeit d Extruder e Kalander B Verdichter f Kolbenverdichter mit Gegendruck, f' entlastet g Rotationsverdichter mit Gegendruck, g' entlastet h Turboverdichter C Gebläse i Gebläse oder Zentrifugalpumpen mit Gegendruck, i' Gebläse entlastet k Drehkolbengebläse, k' entlastet D Mühlen l Kugelmühle m Schleudermühle n Hammermühle o Prallmühlen

39 3.1.3 Das Drehmoment steigt quadratisch zur Drehzahl Dieser Zusammenhang ergibt sich gemäss Bild c vorwiegend, wenn Gasbzw. Flüssigkeitsreibung vorliegt. Bei quadratisch ansteigendem Drehmoment M steigt die Leistung P mit der dritten Potenz der Drehzahl n P ~ n 3 Beispiele sind: - Lüfter und Ventilatoren aller Art - Propeller - Kolbenmaschinen mit Förderung in ein offenes Rohrnetz - Kreiselpumpen - Rührwerke, Zentrifugen - Fahrzeuge Das mittlere Lastmoment M Lm beträgt etwa einen Drittel des Bemessungsmomentes: M n / 3. Weil das Drehmoment M mit steigender Drehzahl n quadratisch ansteigt, ist die Leistung P in der dritten Potenz von der Drehzahl abhängig. Eine Halbierung der Drehzahl erfordert nur noch einen Achtel der Leistung. Dieser Zusammenhang ist zum Beispiel bei Pumpen- und Ventilatorantrieben für Heizungs- und Lüftungsantrieben wichtig. Statt die Fördermenge mit einem Stauschieber oder einer Drosselklappe zu reduzieren, ist es besser, die Drehzahl des Antriebsmotors zu regeln Das Drehmoment sinkt umgekehrt proportional zur Drehzahl Nimmt das Drehmoment M umgekehrt proportional zur Drehzahl n ab, so bleibt die Leistung P konstant. P konst. Mit zunehmender Drehzahl sinkt gemäss Bild d das Drehmoment. Beispiele sind: - Plandrehmaschinen - Rundschälmaschinen - Wickelmaschinen - Haspeln Das mittlere Lastmoment M L ist nur grafisch zu bestimmen. 3. 5