WECHSELLASTFESTIGKEIT VON PERMANENTERREGTEN SYNCHRONMASCHINEN

Transkript

1 WECHSELLASTFESTIGKEIT VON PERMANENTERREGTEN SYNCHRONMASCHINEN Dipl. Ing. Ulrich Gutsche Technischer Leiter Antriebssysteme FAURNDAU GmbH (Fertigung) Antriebstechnik GmbH FAURNDAU (Vertrieb/Entwicklung) Antriebstechnik GmbH FAURNDAU Antriebssysteme FAURNDAU GmbH Faurndau - Goethestr. 45 version 1 Antriebstechnik GmbH FAURNDAU Seite 1

2 Produkte Antriebssysteme Faurndau PM Synchronmotoren 3~ ASM Wechselrichter SD Antrieb Doppelt gespeiste ASM Drehstrom Nebenschlussmotor Gleichstrom Nebenschlussmotor version 1 Antriebstechnik GmbH FAURNDAU Seite 2

3 Erstmaliger Kontakt mit Problem der Wechsellastfestigkeit Vor vielen Jahren: Kunde hat Probleme, es tritt weißer Rauch aus der Maschine Arbeitsname weißer Rauch Arbeitsbereich eingehalten? War Kühlung der Maschine gegeben? Ergebnis: Rotor weitgehend entmagnetisiert, Problem nicht erkannt Ein paar Jahre später: Kunde hat Probleme, Motor liefert nur wenig Drehmoment Kunde weiß, was er gemacht hat Ergebnis: Rotor weitgehend entmagnetisiert, Erste Abschätzung der Wechsellastverluste Festlegung der ersten Wechsellastfestigkeit version 1 Antriebstechnik GmbH FAURNDAU Seite 3

4 Rotorverluste Wechselrichterspeisung Die Rotorverluste entstehen durch die Änderung des magnetischen Feldes, das durch die Magnete sowie durch das Rotoreisen tritt. Nutung Pulsation des Luftspaltfeldes Strom in den Nuten Verstärkung des Effekts Wechselricherspeisung die Spannung springt der Strom/Fluss ändert sich Höhe der Verluste abhängig von Zwischenkreisspannung und Induktivität (Windungszahl, Leerlaufspannung, Maximaldrehzahl) version 1 Antriebstechnik GmbH FAURNDAU Seite 4

5 Wechselrichterspeisung Spannung: Strom version 1 Antriebstechnik GmbH FAURNDAU Seite 5

6 Wechselrichterspeisung Detail: Alle bisher aufgeführten Rotorverluste treten im stationären Betrieb auf und werden somit im Erwärmungslauf erfasst. version 1 Antriebstechnik GmbH FAURNDAU Seite 6

7 Rotorverluste, Wechsellast Nichtstationäre Vorgänge: Lastübernahme/Lastabwurf/Laständerung Änderung der Feldschwächung version 1 Antriebstechnik GmbH FAURNDAU Seite 7

8 Rotorverluste Wechsellast Bei den nichtstationären Vorgängen ändert sich das magnetische Feld, das den Rotor durchdringt. In massiven Rotorelementen entstehen Wirbelströme entsprechend der Lenz schen Regel und verursachen Verluste. Findet die Änderung der Last nur langsam statt, sind die Verluste unbedeutend. Schnelle Lastwechsel verursachen hohe Verlustleistungen über eine kurze Zeit. Wenn diese Lastwechsel schnell wiederholt werden, führt dies zu einer zusätzlichen Erwärmung des Rotors die nicht vernachlässigt werden darf. version 1 Antriebstechnik GmbH FAURNDAU Seite 8

9 Wechsellastdefinition Bei einer bewussten oder auch unbewussten Modulation des von der Maschine geforderten Drehmoments mit höherer Frequenz und nennenswerter Amplitude können die zusätzlichen Rotorverluste bedeutend werden. Bei Erreichen einer unzulässig hohen Rotortemperatur können folgende Effekte auftreten: Verlust der mechanischen Festigkeit durch die Zerstörung organischer Materialien im Rotor Verlust der Polarisation der Magnete bei einem hinreichend starken Gegenfeld. version 1 Antriebstechnik GmbH FAURNDAU Seite 9

10 Wechsellastdefinition Um einer Schädigung des Rotors vorzubeugen ist es erforderlich, dass der Motorhersteller die zulässige Wechsellast definieren kann der Motorbetreiber die erforderliche Wechsellast berechnen kann der Motorbetreiber weiß, wie Wechsellast entstehen kann Zur Festlegung der zulässigen Wechsellast bestimmt der Motorhersteller für das gegebene Maschinendesign die Drehmomentmodulation, bei der die noch akzeptablen zusätzlichen Rotorverluste auftreten. Dazu kann ein FEM Programm genutzt werden, mit dem die Drehmomentmodulation realisiert werden kann und eine hinreichend genaue Verlustberechnung erfolgt, z.b. FEMAG In Abhängigkeit vom Programm kann eine quasistationäre Rechnung reichen. version 1 Antriebstechnik GmbH FAURNDAU Seite 10

11 Wechsellastdefinition Greift man folgenden Zusammenhang auf: mit höherer Frequenz und nennenswerter Amplitude ergibt sich die erste Definition für die Wechsellastfestigkeit. Man begrenzt das Produkt aus Modulationsamplitude und Frequenz. Es lässt sich ableiten, dass die Zusatzverluste aus einem Wertepaar aus Modulationsamplitude und Frequenz einzeln berechnet und mit denen anderer Frequenz überlagert werden können. Mit einer Drehmomentdefinition ergibt sich die Wechsellastdefinition M ( t) M + Mˆ sin( 2 π f t) version 1 Antriebstechnik GmbH FAURNDAU Seite 11 n = 0 i= 1 ( M f ) = ( ) ges Mˆ i fi n i i= 1 2 i

12 Wechsellastdefinition Eine weitere Möglichkeit zur Beschreibung der Wechsellast ist die Berechnung der effektiven Drehmomentänderungsgeschwindigkeit Mit M=M(t), differenzierbar dddd dddd eeeeee = 1 TT dddd dddd TT 2 dddd Umrechnung auf Sinus-Modulation: MM ff gggggg = 2 2 ππ dddd dddd eeeeee version 1 Antriebstechnik GmbH FAURNDAU Seite 12

13 Wechsellastdefinition Für die Festlegung der erforderlichen Wechsellast muss der Betreiber den geforderten Verlauf des elektrischen Drehmoments kennen. Kann der Betreiber die maximale dauerhafte Wechsellast nicht bestimmen, dann sollte die Maschine zumindest mit einer Rotortemperaturüberwachung ausgerüstet sein. Die Höhe der Wechsellastfestigkeit der Maschine sollte dann mindestens 30% von der maximalen Wechsellast sein, die in der Kombination Wechselrichter-Maschine möglich ist. In diesem Fall können die zusätzlichen Rotorverluste maximal auf das Zehnfache des zulässigen Wertes ansteigen. Mit der Wärmekapazität des Rotors und Rotortemperaturüberwachung sollte dann ein rechtzeitiges Einschreiten möglich sein. version 1 Antriebstechnik GmbH FAURNDAU Seite 13

14 Überprüfung der Wechsellastfestigkeit Für die Überprüfung der Wechsellastfestigkeit kann der Prüfling gegen seine eigene Massenträgheit betrieben werden. Es ist notwendig, die mittlere Drehzahl locker vorzugeben und das gewünschte Drehmoment direkt einzuprägen. Ein Erwärmungsversuch mit dieser Last muss zeigen, dass die Temperaturen im zulässigen Bereich bleiben. Zur Bestimmung der maximal realisierbaren Wechsellast gibt man einen Rechteckverlauf der Drehzahl vor. Der Drehzahlwechsel muss so schnell sein, dass sich das Drehmoment ständig ändern. Die Prüfzeit sollte so kurz gewählt werden, dass keine kritische Rotortemperatur entstehen kann. Durch Messung der realisierten Drehzahl oder Messung der Ströme kann die erreichte Wechsellast berechnet werden. version 1 Antriebstechnik GmbH FAURNDAU Seite 14

15 Überprüfung der Wechsellastfestigkeit Beispiel T=30s 40K/16K T=60s 6K/3,6K f=500hz version 1 Antriebstechnik GmbH FAURNDAU Seite 15

16 Beispiele für Wechsellast Kompressorantrieb Weiche Drehzahlreglung Drehzahl weich geführt Keine Wechsellast Mmech in Nm Mel in Nm n in Upm Drehzahl konstant Maximale Wechsellast Drehzahl konst Mmech in Nm Mel in Nm n in Upm version 1 Antriebstechnik GmbH FAURNDAU Seite 16

17 Beispiele für Wechsellast Drehzahlinformation version 1 Antriebstechnik GmbH FAURNDAU Seite 17