Der Integral-Motor ein neuer, drehzahlregelbarer Kompaktantrieb

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1 Der Integral-Motor ein neuer, drehzahlregelbarer Kompaktantrieb ABB Motors hat einen neuen, energiesparenden Drehzahlregelantrieb für den Leistungsbereich,7 7, kw entwickelt. Dieser sogenannte Integral-Motor eine Kombination aus Standard-Asynchronmotor und angebautem Frequenzumformer eignet sich besonders für den Einsatz in der Industrie, beispielsweise als Pumpen- oder Lüfterantrieb. Installation und Inbetriebnahme sind einfach. D er auf der PCIM 9 (Power Conversion and Intelligent Motion, Nürnberg, Juni 99) vorgestellte Integral-Motor ist für Maschinen mit quadratischer Belastungskennlinie vorgesehen, wie Lüfter und Zentrifugalpumpen, die mit einer Drehzahl von Null bis zur Höchstdrehzahl arbeiten. Auch Maschinen mit konstantem Gegenmoment, wie beispielsweise Schraubenverdichter, Schraubenpumpen und Bandförderer, kommen in Frage, wenn die Drehzahl nach unten hin begrenzt wird. Da der Integral-Motor mit Hilfe des integrierten Umrichters mit übersynchroner Drehzahl betrieben werden kann, ist er für Drehzahlen bis min ausgelegt. Die Verlustleistung aufgrund von Oberschwingungen ist niedrig, und die Lager bewältigen diese hohe Drehzahl ohne Beeinträchtigung der Lebensdauer. Der Integral-Motor besteht aus einem vierpoligen Standard-Asynchronmotor der neuen Bauart M 2 und einem an der Gegenantriebsseite befestigten Miniatur-Frequenzumrichter 2. Bei gleichbleibender Höhe ist er dadurch um rund % länger als der Standard-Asynchronmotor, und die Masse erhöht sich um rund %. Entwicklung des Integral-Motors Als industrielle Antriebe dienen fast überall Elektromotoren. Der Asynchronmotor ist heute zweifellos das häufigste Lastpferd in der Industrie. Er ist billig in der Herstellung, zuverlässig im Betrieb und so gut wie wartungsfrei. Bei Anschluß an ein - oder -Hz- Netz zeigt sich jedoch seine Begrenzung: die Drehzahl ist nicht regelbar und beträgt höchstens 3 bzw. 3 min. Für niedrigere oder höhere Drehzahlen benötigt man nachgeschaltete Zahnradoder Riemengetriebe, und die Leistung der angetriebenen Maschine wird gewöhnlich mit Hilfe von Drosselklappen, Leitschaufeln oder anderen Einrichtungen geregelt. Solche Anordnungen sind jedoch reine Energievergeudung 3 ; außerdem verursachen sie Lärm. Alternative Antriebe arbeiten mit Frequenzumrichtern, mit denen sich die Frequenz des Ständerstroms und damit die Michael Henze ABB Motors AB Drehzahl des Asynchronmotors variieren läßt. Auf diese Weise sind sinnvolle Antriebssysteme für einen großen Drehzahlbereich realisierbar. Frequenzumrichterantriebe für Pumpen oder Lüfter lassen sich ohne Energieverluste jedem Belastungszustand anpassen. Zur Installation solcher Antriebe sind allerdings Spezialkenntnisse erforderlich. Heute läßt sich der Umrichter direkt an den Motor anbauen und schon bei der Fertigung optimal auf den Motor abstimmen. Mechanischer Aufbau des Integral-Motors Das Umrichtergehäuse ist äußerlich dem Motorgehäuse angeglichen und wie dieses vollständig gekapselt (Schutzart IP nach DIN ). Man entschied sich für einen Anbau an der Gegenantriebsseite, da die Abwärme des Motors besonders bei Stillstand nach hoher Belastung nach oben steigt und der Frequenzumrichter bei Anordnung auf der Motoroberseite beeinträchtigt würde. Das Umrichtergehäuse enthält zudem ein Netzfilter, wie es die ab Januar dieses Jahres gültigen neuen EU-Rahmenrichtlinien vorschreiben. Einfache Installation vorteilhaft für den Maschinenbauer Montage und Inbetriebnahme eines Integral-Motors sind genauso einfach wie die eines Standardmotors. Alle Parameter, die für das Zusammenwirken zwischen Umrichter und Motor wichtig sind, werden bereits im Werk eingestellt, so daß der Drehzahlregelantrieb von Anfang an optimiert ist. Auch die erforderlichen Schutzeinrichtungen sind bereits eingebaut. Asynchronmotoren von Pumpen, Lüftern und Verdichtern können ohne weiteres durch Integral-Motoren ersetzt werden. Der Anschluß ans Netz bereitet keinerlei Probleme. Vorhandene Steuerkabel, z. B. für die Drosselklappe einer Pumpe, ABB Technik /99

2 kann man zur Steuerung der Motordrehzahl und damit der Pumpenleistung verwenden. Einfache Inbetriebnahme mit wenigen Voreinstellungen Vor der Inbetriebnahme sind jeweils nur wenige anwendungsspezifische Werte einzustellen, und zwar entweder bereits im Werk oder während der Montage. Dazu gehören: der Drehzahlbereich ( 3 min oder als Option min bei -Hz- Netz) und die Drehzahlgrenzwerte, die Beschleunigungs- und Verzögerungswerte, die Drehrichtung der Welle. Etwaige später erforderliche Änderungen dieser Werte können vor Ort mit Hilfe eines Hand-Eingabegeräts vorgenommen werden. Ein Eingabegerät genügt, um alle Integral-Motoren einer Anlage einzustellen. Die Anpassung an andere Aufgaben, also die Eingabe neuer Werte und deren Übertragung auf die Motoren, erfordert nur wenige Minuten. Die Drehzahl läßt sich auf zweierlei Weise steuern: durch analoge Signale von einem Potentiometer, Rechner oder anderen Sollwertgeber, durch digitale Signale zum Anfahren und Stillsetzen des Motors sowie zur Vorgabe von Drehrichtung und Drehzahl. ABB-Integral-Motor mit einer Ausgangsleistung von kw bei 3 min für den Versuchsbetrieb optimale Anpassung an die Betriebsbedingungen über die Integral-Motoren erfolgt. Vereinfachte Lagerhaltung Für Produktion und Service müssen etliche Industriebetriebe heute zahlreiche verschiedene Asynchronmotoren am Lager halten, u. a. Motoren derselben Größe, aber mit unterschiedlicher Polzahl für Drehzahlen von 7,, und 3 min. Letztere lassen sich durch Integral-Motoren entsprechender Größe ersetzen, die dann lediglich dem jeweiligen Anwendungsbereich angepaßt werden müssen. Außerdem sind Drehzahlen bis min möglich, so daß die Getrie- Miniatur-Frequenzumrichter (,37 3, kw) für in Serie gefertigte ABB-Integral-Motoren 2 Neue Möglichkeiten für Hersteller von Pumpen und Lüftern Bisher mußte die angetriebene Maschine immer so konstruiert werden, daß sie zu einem Motor mit fester Drehzahl paßt. Mit dem Integral-Motor verfügen die Hersteller von Pumpen, Lüftern und Verdichtern über einen Antrieb mit großem Drehzahlbereich. Sie können infolgedessen ihre Konstruktionen optimieren. Das kann bedeuten, daß die Maschinenbauer weniger Antriebsvarianten benötigen, da die ABB Technik /99

3 2 3 % P Q % 7 % P a b Q % Vergleich eines Antriebs mit herkömmlicher Drosselregelung (oben) und eines Integral-Motors mit steuerbarer Drehzahl (unten) 3 a Aufbau der Antriebe Anlasser 2 Asynchronmotor mit konstanter Drehzahl (3 min bzw. 3 min ) 3 Getriebe Pumpe Drosselklappe Regler 7 Integral-Motor mit steuerbarer Drehzahl ( min ) b Rot Grün Gelb Relative Motorleistung P in Abhängigkeit von der relativen Durchflußmenge Q Vom Antriebsmotor aufgenommene Leistung Leistungsbedarf der Pumpe Verluste be entfallen. Das bedeutet, daß sich die Lagerhaltung von Antrieben in Zukunft vereinfacht. Ein neuer Motor mit neuen Voraussetzungen Natürlich unterscheidet sich der Integral- Motor in einigen Punkten von den Standardmotoren: Er ist länger. Dies dürfte jedoch in den meisten Anwendungsfällen unproblematisch sein. Die Elektronik befindet sich geschützt im Motorgehäuse und muß für hohe Temperaturen und Vibrationen ausgelegt sein. Ein Integral-Motor ist zwar in der Anschaffung teurer, bietet aber zusätzliche Funktionen und amortisiert sich rasch während des Betriebs. Außerdem läßt sich bei Ausfall der fehlerbehaftete Motor- oder Umrichterteil schnell auswechseln und neu parametrieren. Praktische Erprobung durch Dauerversuche Ab März 99 wurden bei einigen Maschinenbauern und Endkunden 3 Versuchsmotoren neun bis zwölf Monate lang im praktischen Einsatz erprobt. Die Umrichter hatten hierbei noch eine konventionelle Ausführung. Die verschiedenen Kundenkategorien und Aufgabengebiete bei diesem Versuchsbetrieb zeigt Tabelle. Um die Zuverlässigkeit zu testen, wurden die Motoren unterschiedlichen Umgebungsbedingungen unterworfen: ABB Technik /99

4 Tabelle : Kundenkategorien und Aufgabengebiete der Integral-Motoren bei den Dauerversuchen Angetriebene Endanwender Maschinenbauer Insgesamt Maschine OEM Lüfter Pumpen Fördereinrichtungen Sonstiges Insgesamt 29 3 Eingabegerät zur manuellen Einstellung der anwendungsspezifischen Werte ABB-Integral-Motor für den Versuchsbetrieb mit integriertem herkömmlichem Frequenzumrichter. Dieser enthält bereits sämtliche Steuer- und Leistungskomponenten (gelb bzw. grün). Vorteile des Integral-Motors gegenüber bisherigen Antrieben Kondensatoren Kühlprofil 2 Integriertes Leistungsmodul Einbaustelle 3 Leiterplatten Kompakter, bereits im Werk optimierbarer Drehzahlregelantrieb Einfache Installation nach Anschluß ans Netz einsatzbereit und dadurch niedrige Montagekosten Durch Änderung einiger anwendungsspezifischer Werte leicht an neue Aufgaben anpaßbar Geringerer Energiebedarf dank hohem Wirkungsgrad und Fortfall des Getriebes und dadurch baldige Amortisation Für viele Anwendungsbereiche geeignet, u. a. als Ersatz für Asynchronmotoren mit unterschiedlicher Polzahl (Drehzahl) oder polumschaltbare Maschinen Zuverlässig dank robustem Asynchronmotor und darauf zugeschnittenem Frequenzumrichter 2 3 Der Integral-Motor ist mit dem CE- Konformitätszeichen ausgezeichnet und erfüllt damit die Rahmenrichtlinien für Niederspannungsgeräte, Maschinen und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) in der Schwer- und Leichtindustrie. ABB Technik /99 7

5 Erfahrungen bildeten schließlich die Basis für die Wahl des Frequenzumrichters 2, der auch unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen einwandfrei arbeitet und sich für die Serienfabrikation eignet. K G Zeitliche Entwicklung der Gesamtkosten K und der Baugröße G von Frequenzumrichtern Blau Frequenzumrichter Rot Asynchronmotor Motoren in Innenräumen 2 Motoren im Freien 8 Motoren, die mindestens einmal pro Woche mit Hochdruckwasser oder -dampf gereinigt wurden übrige Antriebe in schmutziger, staubiger, feuchter oder korrosiver Umgebung Auch die Betriebsarten variierten, und zwar folgendermaßen: Einige wenige Antriebe liefen mit fester Drehzahl. Die meisten Antriebe arbeiteten in einem geschlossenen Regelkreis zur Aufrechterhaltung von Durchflußmenge, Druck oder Füllstand einer Flüssigkeit bzw. von Durchflußmenge oder Druck eines Gases. Einige wenige Antriebe arbeiteten im Tipp- oder Aussetzbetrieb mit hoher Beschleunigung und Verzögerung innerhalb von Zehntelsekunden. Die Motoren liefen im Durchschnitt je 3 h, wobei einer von ihnen mal ein- und ausgeschaltet wurde. Die Gesamtbetriebszeit aller Motoren betrug rund 2 Jahre. Die Prüfungen zeigten, daß die Motoren unter den gestellten Bedingungen einwandfrei funktionierten. Störungen traten nur in wenigen Fällen auf: ein Motorausfall aufgrund falscher Verwendung und fehlerhaft eingegebener Betriebsparameter ein Ausfall aufgrund eines fehlerhaften Kondensators im Zwischenkreis ein Ausfall der Leistungselektronik in einem Frequenzumrichter Während der Versuche wurden alle Beteiligten sorgfältig befragt, um etwaige Schwächen bezüglich Konstruktion, Anwenderfreundlichkeit oder Regelbarkeit aufzudecken. Die auf diese Weise gewonnenen Informationen und die durch die ausgefallenen Einheiten gesammelten Künftige Entwicklung Durch den Integral-Motor ergeben sich in der Antriebstechnik zukünftig ganz neuartige Möglichkeiten. Maschinen, die bisher mit fester Drehzahl betrieben wurden, wie z. B. Pumpen und Lüfter, haben von dieser Technik besonderen Nutzen: sie werden einfacher im Aufbau und in der Installation. Durch den Betrieb bei hohem Leistungsfaktor und ohne Getriebe sinkt zudem der Energieverbrauch, und der Integral-Motor amortisiert sich bald. Seit der Einführung Anfang der 7er Jahre sind die Preise für Frequenzumrichter stetig gesunken. Heute kostet der Umrichter ungefähr viermal so viel wie der zugehörige Motor. Durch die rasche Entwicklung der Leistungselektronik wird sich der Preis vermutlich in etwa fünf Jahren auf dem zweifachen Preis des Asynchronmotors einpendeln. Wegen der ständig steigenden Leistungsdichte vermindert sich zugleich das Bauvolumen der Elektronik. Das ermöglicht, Integral-Motoren mit höherer Leistung herzustellen, die sich abmessungsmäßig mehr und mehr den Standard- Asynchronmotoren angleichen. Adresse des Autors Michael Henze ABB Motors AB S-727 Västerås/Schweden Fax: + () A B B Technik /99