Inhaltsverzeichnis 1. Frequenzumrichter gespeiste Asynchrondrehstrommotoren 9.1.3 1.1 Schaltbild Frequenzumrichter Motor und Spannungserzeugung 9.1.3 1.2 Drehzahl-Drehmomentverlauf 9.1.5 1.3 Besondere Anwendungen 9.1.8 1.4 Spannungsbeanspruchung 9.1.8 1.5 Zusatzverluste bei Umrichterspeisung 9.1.9 1.6 EMV Elektromagnetische Verträglichkeit 9.1.9 1.7 EMWB übernimmt die Gesamtverantwortung für das ganze Antriebssystem 9.1.11 2. Drehzahlerfassung 9.1.13 2.1 Inkrementalgeber 9.1.13 2.2 Tachogenerator 9.1.15 3. Massblätter IEC 34 9.3.1 Fremdbelüfteraggregate FB 9.3.2 Motor mit aufgebauter Fremdbelüftung / Motor mit aufgebauter Bremse und Fremdbelüftung 9.3.4 Fussmotor mit aufgebautem Regenschutzdach, Schutzart IP 55 9.3.6 Fussmotor Bauform B3 unbelüftet, Schutzart IP 55 9.3.8 Flanschmotor Bauform B5 / B5AF; unbelüftet, Schutzart IP 55 9.3.10 Flanschmotor Bauform B14 / B14B; unbelüftet, Schutzart IP 55 9.3.12 Fussmotor Bauform B3; unbelüftet, Schutzart IP 56/65 9.3.14 Flanschmotor Bauform B5 / B5AF; unbelüftet, Schutzart IP 56/65 9.3.16 Flanschmotor Bauform B14 / B14B unbelüftet 9.3.18 Bauform B9 / Moteur forme B9 9.3.20 Sprachschlüssel 9.9.1 CH 3855 Brienz Telefax: +41 33 951 34 55 E-Mail: info@emwb.ch Version 10/05 9.1.1
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1. Frequenzumrichter gespeiste Asynchrondrehstrommotoren Allgemeines: In der Vergangenheit war die Drehzahlregelung von Asynchronmaschinen nur möglich über polumschaltbare Wicklungen, Spannungsabsenkung oder bei Schleifringläufern über Vorwiderstände. Durch die rasante Entwicklung auf dem Gebiet der Leistungselektronik haben sich hier heute weitgehend die Frequenzumrichter gespeisten Asynchronmaschinen bei den drehzahlvariablen Antrieben durchgesetzt. Gegenüber den früheren Möglichkeiten der Drehzahlstellung haben die Frequenzumrichter gespeisten Maschinen den Vorteil, dass der Wirkungsgrad im gesamten Drehzahlstellbereich, auch unter Berücksichtigung der Verluste des Frequenzumrichters, deutlich besser ist als bei den früher vorhandenen Möglichkeiten. Ausserdem ist es besonders wichtig, dass durch die Frequenzumrichter gespeisten Maschinen erst Drehzahlen über 3000 min -1 bzw. 3600 min -1 möglich waren. Im Folgenden wird auf die Besonderheiten eingegangen, die zu beachten sind, wenn Drehstromasynchronmaschinen von Frequenzumrichtern gespeist werden. Hierbei beschränkt sich die Betrachtung auf die heute üblichen Frequenzumrichter mit einem Spannungszwischenkreis, bei denen die Spannung an die Frequenz über die so genannte Pulsweitenmodulation (PWM) angepasst wird. Die I-Frequenzumrichter werden hier nicht betrachtet, da hier jeweils ein sehr viel höherer Aufwand für die Anpassung des Frequenzumrichters an die Maschine bzw. umgekehrt notwendig ist. 1.1 Schaltbild Frequenzumrichter - Motor und Spannungserzeugung Das folgende Bild zeigt das Prinzipschaltbild des Frequenzumrichters und der zugehörigen Asynchronmaschine. Bild 1 Die Einspeisung des Frequenzumrichters kann bei kleineren Leistungen einphasig und bei grösseren generell dreiphasig erfolgen. Im Gleichrichter wird aus der Wechselspannung eine Gleichspannung U ZK erzeugt. Der Gleichrichter wird in den meisten Fällen als Diodengleichrichter ausgeführt. Falls eine Rückspeisung der elektrischen Leistung notwendig ist, wird ein gesteuerter Gleichrichter, der im Fall der Rückspeisung als Sinus-Wechselrichter arbeitet, eingesetzt. 9.1.3
Aus der gleichgerichteten Zwischenkreisspannung U ZK erzeugt der Wechselrichter über die Pulsweitenmodulation, wie sie im Bild 2 dargestellt ist, die Wechselspannung. Bild 2 Durch die Breite der Pulse kann dem Motor, abhängig von der Frequenz, eine entsprechende Grundschwingungsspannung an den Maschinenklemmen zur Verfügung gestellt werden. Bild 3 9.1.4
Das Bild 3 gibt diesen Zusammenhang wieder. D.h. bis zum Nennpunkt der Maschine wird die Spannungsgrundschwingung proportional mit der Frequenz erhöht. Bei niedrigen Frequenzen erreicht man durch einen sogenannten Boostbetrieb, also eine Spannungserhöhung gegenüber dem linearen Zusammenhang, ein schnelleres Beschleunigen. Oberhalb der Nennfrequenz ist die Spannung nicht mehr vergrösserbar. Dies bedeutet, dass der magnetische Fluss in der Maschine verringert wird. Man bezeichnet diesen Bereich oberhalb der Nennfrequenz als Feldschwächenbereich. 1.2 Drehzahl-Drehmomentverlauf Im Bild 4 ist der Drehzahl-Drehmomentverlauf einer 5,5 kw wassergekühlten Maschine dargestellt. Zusätzlich sind mögliche Gegenmomentverläufe der Last (konstantes Gegenmoment z.b. Werkzeugmaschine und quadratisches Gegenmoment z.b. Ventilator) eingetragen. M ( Nm) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 500 1000 1500 n (min -1 ) Bild 4 Während bei einer netzgespeisten Maschine, bei der eine Direkteinschaltung vorliegt, das Anlaufdrehmoment und der Momentverlauf bis zum Kipppunkt von sehr grosser Bedeutung sind, wird dies bei einer Frequenzumrichter gespeisten Maschine vollkommen bedeutungslos. Hier werden durch das kontinuierliche Vergrössern der Frequenz, bei entsprechend vergrösserter Spannung, eine kontinuierliche Anzahl von Drehzahl-Drehmomentkurven bis zum Erreichen des Nennpunktes durchlaufen. Das heisst, die Maschine wird immer zwischen dem Leerlauf und dem Kipppunkt betrieben. 9.1.5
Wird die Maschine nun oberhalb der Nennfrequenz eingesetzt, dann befindet man sich in dem vorher erwähnten Feldschwächenbereich. In den folgenden Bildern 5 und 6 sind die Verhältnisse eingetragen, wenn man eine Maschine mit einer Nennfrequenz von 50 Hz und einer Nennspannung von 400 V im Feldschwächenbereich bei 60 Hz und 400 V betreiben würde. 14.00 12.00 Pab (kw) 10.00 8.00 6.00 4.00 50Hz-Kurve 60Hz-Kurve Konstantes Gegenmoment Quadratisches Gegenmoment 2.00 0.00 0 500 1000 1500 2000 n (min -1 ) Bild 5 M (Nm) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 500 1000 1500 2000 n (min -1 ) 50Hz-Kurve 60Hz-Kurve Konstantes Gegenmoment Quadratisches Gegenmoment Bild 6 Hieraus ist nun leicht ersichtlich, dass ein derartiger Betrieb nicht zulässig sein kann. Am extremsten sind die Verhältnisse im Falle eines Antriebes mit einer quadratischen Gegenmomentkennlinie wie sie z.b. bei einer Lüftung oder Pumpe auftritt. Anstatt der Nennleistung dieses betrachteten Motors von 5,5 kw, würde sich in diesem Falle eine Leistung von 8 kw ergeben. Aufgrund der grösseren Schlupfwerte ergibt sich neben der Leistungserhöhung noch eine deutliche Verschlechterung des Wirkungsgrades. Somit nehmen die abzuführenden Verluste unzulässige Werte an. Auch bei einem konstanten Gegendrehmomentverlauf würde sich eine Abgabeleistung von 6,5 kw ergeben, die aus den vorher erwähnten Gründen zu einer unzulässigen Erwärmung der Maschine führen würde. 9.1.6
Oberhalb der Nennfrequenz im Bereich der Feldschwächung muss die Maschine daher mit reduziertem Drehmoment betrieben werden. Es ergeben sich somit die folgenden Verhältnisse für die mögliche Abgabeleistung bzw. das Drehmoment in Abhängigkeit der Frequenz. Bild 7 Bis zur Nennfrequenz f N spricht man vom Bereich konstantes Drehmoment. Im Bereich zwischen der Nennfrequenz f N und der Frequenz f Pmax spricht man vom Bereich konstante Leistung. Oberhalb dieses Bereiches muss auch die Leistung zurückgenommen werden. Die Frequenz f max bzw. die hieraus resultierende Drehzahl ergibt sich aus der maximal vom Frequenzumrichter zur Verfügung gestellten Frequenz bzw. der maximal zulässigen Drehzahl der elektrischen Maschine, die sich z.b. aus der Fliehkraftbeanspruchung des Rotors ergibt. 9.1.7
1.3 Besondere Anwendung IEC-Normmotor (Leistungsschilddaten): Motor in -Schaltung (230V) Frequenzumrichter (400V) x 3 U M 400V Mn 230V Erweiterter Stellbereich P M fmax = 400V 230V x 50Hz = 87Hz Achtung: P Motor (87Hz)= Pnenn x 3 Stellbereich Die Spannung kann weiter gesteigert werden Bild 8 50 x 3 87 f (Hz) Bild 8 Durch die -Schaltung (230V) und den erweiterten Stellbereich auf 87 Hz des Umrichters gemäss Bild 8 kann die Leistung auf 0.95 kw bei 2520 min -1 erhöht werden. Bei dieser Anwendung muss unbedingt die Frequenzumrichterleistung bzw. der Gerätestrom entsprechend dimensioniert werden. 1.4 Spannungsbeanspruchung Gegenüber Maschinen, die an einem sinusförmigen Netz betrieben werden, sind die Elektromotoren an einem PWM- U-Zwischenkreisumrichter erheblich grösseren Spannungsbeanspruchungen ausgesetzt. Aus diesem Grund ist das Isolationssystem der Motoren von EMWB so ausgelegt, dass es diesen Spannungsbeanspruchungen, wie sie in der DIN VDE 0530 Beiblatt 2 als Grenzwerte angegeben sind, problemlos standhalten kann. Allerdings ist darauf zu achten, dass diese Spannungsbeanspruchungen abhängig von dem Frequenzumrichtertyp und der Kabellänge zwischen Frequenzumrichter und Motor sind. Bei ungünstigen Verhältnissen können Spannungsbeanspruchungen auftreten, die grösser sind als in der erwähnten Norm. In diesem Falle ist die Zulässigkeit jeweils durch Rückfragen an EMWB zu klären. 9.1.8
1.5 Zusatzverluste bei Umrichterspeisung Aufgrund der Pulsweitenmodulation beinhaltet die Motorspannung nicht nur die Grundschwingungsspannung, die zur Drehmomentbildung notwendig ist, sondern zusätzliche Oberschwingungen, die neben Drehmomentpulsationen auch zusätzliche Maschinenverluste verursachen. Bei Frequenzumrichtern, die dem Stand der Technik entsprechen, also entsprechend hohe Taktfrequenzen aufweisen, ist keine Leistungsreduktion bei den Listenmaschinen von Kapitel 2-8 (drehzahlvariable Motoren) von EMWB notwendig. Falls andere Frequenzumrichter eingesetzt werden müssen, ist ein entsprechendes Derating der Maschinen erforderlich bzw. es müssen Filter zwischen Frequenzumrichter und Maschine vorgesehen werden. 1.6 EMV Elektromagnetische Verträglichkeit EMV ist die Eigenschaft von elektrischen und elektronischen Geräten, Systemen und Anlagen, in einer vorhandenen elektromagnetischen Umwelt bestimmungsgemäss zu arbeiten, ohne dieselbe Umwelt über ein festgelegtes Mass hinaus zu belasten. Daraus wird folgende Vorgehensweise abgeleitet: - Nachweis der Einhaltung von Grenzwerten hinsichtlich elektromagnetischer Aussendung EMA (bisher besser bekannt als gesetzlich vorgeschriebene Funkenstörung ). - Nachweis der Störfestigkeit gegen elektromagnetische Beeinflussung EMB. EMV ist der übergeordnete Begriff und ist mit den Begriffen EMA und EMB verbunden. Bild 9 Besondere Achtsamkeit erfordert die fachgerechte Erdung der Abschirmung. (z.b. grossflächige Befestigung auf Kupferschiene). Wichtig ist die Abklärung, ob Drosseln oder Filter notwendig sind. 9.1.9
EMWB empfiehlt folgenden Schaltschrankaufbau: Mit obgenannter Montage und Verdrahtung sind die EMV-Auflagen erfüllt. 9.1.10
1.7 EMWB übernimmt die Gesamtverantwortung für das ganze Antriebssystem EMWB liefert aus einer Hand: - Elektromotoren gemäss Kapitel 2 8 - Druckfest gekapselte explosionssichere Motoren und Zentrifugalpumpen (Spez. Unterlagen) - Getriebe und Getriebemotoren (Spez. Unterlagen) - Frequenzumrichter von 0.18 kw 630 kw (Spez. Unterlagen) - Netzdrossel Option - Motorendrossel Option - Sinusfilter Option - LR-Filter Option - LC-Filter Option - Steuerungen / Regelungen und Automationen in Rack- oder Schaltschrankausführung - Reparatur und Service aller obgenannten Produkte - Schulung für die Antriebstechnik (Dienstleistung) - Labormessungen von Antriebssystemen oder Komponenten als zertifiziertes Labor für Drittpersonen (Dienstleistung) 9.1.11
Notizen: 9.1.12
2. Drehzahlerfassung Für die Drehzahlerfassung an Drehstrommotoren stehen verschiedene Drehzahlgebersysteme zur Verfügung, die sich mit andern Motoroptionen kombinieren lassen: Inkrementalgeber Tachogenerator Sensorlager (auf Anfrage) Resolver (auf Anfrage) Impulsgeber (auf Anfrage) 2.1 Inkrementalgeber Antriebsanwendungen zur Überwachung von mechanischen Bewegungsabläufen mit hohen Anforderungen lassen sich mit einer Drehzahlrückführung über Inkrementalgeber lösen. Damit ergeben sich Lösungen für vielfältige Anforderungen wie z.b.: - Drehzahlregelungen über einen grossen Verstellbereich - Hohe Drehzahlgenauigkeit - Gleichlaufregelungen - Positionierung Das Herzstück bei optisch abtastenden Drehgebern ist die Impulsscheibe, auf welcher eine bestimmte Anzahl Hell- / Dunkelsegmente angebracht sind und die durch einen Lichtstrahl abgetastet wird. Sie bestimmt somit die mögliche Auflösung und damit die Positioniergenauigkeit der zu überwachenden Bewegung. Prinzipschaltbilder TTL / -Ausgangssignal RS 422 HTL / -Ausgangssignal (ohne Invertierung) Gegentakt Bevorzugte Anwendung: - Kurze Kabellängen - Unempfindlichkeit gegenüber Störungen Bevorzugte Anwendung: - Bei elektrischen Störfeldern und besonders langen Leitungen (mit Invertierung) - Zählerkarten, elektronische Zähler und SPS-Eingänge 9.1.13
Technische Daten Impulse 100, 250, 500, 1000, 1024, 1250 2000, 2048, 2500, 3600, 4096, 5000 Schnittstelle TTL / RS422 HTL Gegentakt Impulsfrequenz max. 300 khz 300 khz Bemessungsdrehzahl max. 12'000 min -1 12'000 min -1 Umgebungstemperatur -20 +70 C -20 +70 C Schutzart IP 64 IP 64 Betriebsspannung 5 V 5 30 V oder 5 30 V oder 10 30 V max. Stromaufnahme 100 ma 100 ma Anbau Der Anbau von Inkrementalgebern ist bei allen Motoren der Baugrössen 63-315 möglich. Die Motoren können sowohl eigen- als auch fremdbelüftet, mit oder ohne Bremse ausgeführt werden. EMWB verwendet Inkrementalgeber mit einseitig offener Hohlwelle 12 mm mit folgenden Vorzugsdaten: Ausgangssignal (Spannungsversorgung): HTL (10-30 V) Impulszahl: 1024 Wellen-Innendurchmesser: 12 mm Elektrischer Anschluss: Stecker (Kabel auf Anfrage) 9.1.14
2.2 Tachogenerator Für einfache Rückmeldung der Motorendrehzahl eignet sich der sehr preisgünstige Tachogenerator. Er besitzt folgende Eigenschaften: - Kostengünstig - Kupplungsfrei - Absolut wartungsfrei - Betriebssicher Der Tachogenerator ist in folgenden Ausführungen erhältlich: - Gleichstromspannung Typ TD (normale Ausführung) - Wechselstromspannung Typ WTD - Drehstromspannung Typ DTD Die Abmessungen gelten für alle Ausführungen. Variante: 9.1.15
Beispiel Typ TD Ausführung: Mechanische Kenndaten: Gehäuse Leichtmetall, unlackiert Schutzart IP 66 (Angabe nach DIN 40 050, IEC 529) Max. Drehzahl n max 12000 min -1 Bohrungsdurchmesser d (H7) 14 mm, 15 mm (Standard), (6 16 mm möglich) Massenträgheitsmoment J 70 gcm 2 Gewicht Gehäuse ca. 270 g Rotor ca. 50 g Elektrische Kenndaten: bezogen auf 1000 min -1 Leerlaufspannung U 0 30 VDC ± 3% Polarität drehrichtungsunabhängig Max. Ausgangsstrom I max 20 ma Magnet Al Ni Co, 8-polig, stabilisiert Restwelligkeit 15% (Spitze Spitze) Restwelligkeitsfrequenz 400 Hz (f=0.4 x n) Linearitätsfehler F Regel 1% Linearitätsfehler F Regression ± 0.1% (100 min -1 < n 1000 min -1 ) Regelbereichsuntergrenze n R 30 min -1 Temperaturdrift Magnet -0.2% pro 10 K Anschlussart Kabelkasten, 2-polig Isolationsklasse F Wartung wartungsfrei Optionen: Leerlaufspannungsabgleich Abgleich auf Nennspannung Drehstromausgang Wechselstromausgang Doppelwicklung Höhere Schutzart Bohrungsdurchmesser < 30 VDC z.b. 30 VDC bei 12 kω Last (2.5 ma) DTD mit oder ohne Kabel WTD mit oder ohne Kabel mit oder ohne Kabel d 10 mm, 11 mm, 12 mm, 16 mm Belastungskennlinien: Aufbau: Der Aufbau von Tachogeneratoren ist bei allen Motoren der Baugrössen 63 315 möglich. Die Motoren können sowohl eigen- als auch fremdbelüftet, mit oder ohne Bremse ausgeführt werden. 9.1.16