1 Einleitung 1.1 Stand der Antriebstechnik Stromrichter Q: ZVEI Mit einem geschätzten Weltmarktpotential von ca. 13 Mrd. haben drehzahlveränderbare Antriebe ein erhebliches Wirtschaftsvolumen. Alle diese Antriebe sind «Stromrichterantriebe», wenn man vom verschwindend kleinen Anteil mechanischer Verstellantriebe absieht. Stromrichterantriebe sind ein anhaltend innovatives Produktgebiet mit jährlich durchschnittlichen Wachstumsraten von über 5%. Viele Komponenten der Produkte sind noch keine 3 Jahre alt. Heute arbeiten erst 12% der Industrieantriebe in Deutschland drehzahlvariabel. Bei Neuinstallationen sind es ca. 25%. Sinnvoll wäre ein Anteil aus energetischen Gründen eher bei 50% aller Antriebe (ZVEI). Waren vor ca. 20 Jahren noch rund 80% der drehzahlveränderbaren Antriebe in Gleichstromtechnik (DC) ausgeführt, so gab es seither einen enormen Strukturwandel, der die Situation heute mehr als umgekehrt hat. Drehstromantriebe (AC) liegen besonders bei Leistungen von 0,75 100 kw weit vorne, da die Fortschritte bei den Bauelementen der Leistungselektronik besonders bei der Hardware die Senkung der Kosten und Abmessungen ermöglicht haben (Bild 1.1) [1.1 bis 1.5, 1.8]. Durch den Einsatz von Intelligenten Power Modulen (IPM) weitet sich der Bereich besonders in Richtung kleiner Leistungen zunehmend aus. Der Absatz von AC- und DC-Motoren ist in den letzten Jahren nahezu stabil geblieben (Bild 1.1c und d). c) Bild 1.1 Entwicklungen der Antriebstechnik in der Bundesrepublik Deutschland (ZVEI) Entwicklung der Produktionswerte für Stromrichter zum Einsatz bei drehzahlveränderbaren Antrieben (Gleichstrom (DC) und Drehstrom (AC)), Produktionsanteile, U: Universalmotoren, c) Drehstromasynchronmotoren, d) Gleichstrommotoren d)
14 Einleitung Immer schnellere Mikrorechner revolutionierten die Steuer- und Regelungstechnik. Die großen analogen Baugruppen wurden durch kleine Mikrorechnerplatinen ersetzt. Auf engstem Raum werden in den digitalen Geräten komplexe Funktionalitäten realisiert. Die Software ersetzt voluminöse Analogtechnik und ermöglicht die schnelle Drehmomentregelung bei Asynchronmaschinen, die heute den Grundstock dieser Entwicklung bildet. Selbsttests, Inbetriebnahmehilfen, Regleroptimierung und schnelle elektronische Synchronisation von Wellen sind weitgehend zu einem hohen Standard in der digitalen Antriebstechnik geworden. All diese Entwicklungen ermöglichen den dezentralen intelligenten Antrieb in modularer Technik, der wiederum dem Maschinenbau die entscheidenden Kostenvorteile verschafft. Die Digitaltechnik brachte die digitalen Schnittstellen, die eine Datenvernetzung der Antriebseinheiten ermöglichte. Zur dezentralen Verteilung der Energieumsetzung in den Modulen kommt nun folgerichtig die dezentrale Installation. Die Antriebe sitzen in der Anlage genau dort, wo sie mechanisch gebraucht werden und werden dort «vor Ort» mit Energie und Daten versorgt. Die steuernde SPS wandert in den dezentralen Antrieb und macht den zentralen Schaltschrank z.t. überflüssig. Steckerverbindungen an den Geräten und Motoren ermöglichen den schnellen Austausch der Aggregate im Fehlerfall, ohne dass das Personal «elektrisch» geschult sein muss. Die 80er-Jahre waren durch eine stark zunehmende industrielle Automatisierung gekennzeichnet, die auch nicht vor dem Pkw (Tabelle 1.1) Halt machte einem Markt mit sehr großen Stückzahlen und hohen Anforderungen (Tabelle 1.2). Dies setzte sich auch in den 90er-Jahren wenngleich gebremst durch die Konjunkturkrise und verschärft durch den notwendigen Strukturwandel in der Industrie weiter fort. Heute sind dezentrale Module gefragt. So beobachtet man in den letzten Jahren eine ständig weiter wachsende Nachfrage nach reaktionsschnellen, wartungsarmen und möglichst kleinen Antriebssystemen in hoher Schutzart. Pneumatik, Hydraulik und Elektroantriebe stehen hier in einer gewissen Konkurrenz; wegen der einfacheren Steuerung und Regelung weitet sich der Bereich der Elektroantriebe besonders der drehzahlveränderbaren jedoch laufend aus. Der wichtigste Trend der letzten Jahre war der Systemgedanke, der heute durch den Be- Tabelle 1.1 Vernetzung der Fahrzeuge und der Umgebung (Quelle: DaimlerChrysler) 1949 170S 1990 S-Klasse 1999 S-Klasse ca. 40 Kabel ca. 60 Kontaktierungen ca. 1900 Kabel ca. 3800 Kontaktierungen Gewicht: ca. 39 kg Länge: ca. 3 km 40 Steuergeräte 90 Stellmotoren 3 Bussysteme 60 Steuergeräte 110 Stellmotoren Tabelle 1.2 Anforderungen an die Elektronik (Quelle: Bosch) Markt-Parameter Industrie Automobil Konsum Temperatur Betriebsdauer Feuchte tolerierte Feldausfallmenge Dokumentation Ersatz 10 C 70 C 5 10 Jahre Umwelt <1% bedingt bis 5 Jahre 40 C 85/155 C bis 15 Jahre 0% r.f. bis Watttiefe Ziel: 0 Fehler ja bis 30 Jahre 0 C 40 C 1 3 Jahre kaum <10% keine keine
Stand der Antriebstechnik 15 griff «Mechatronik» gekennzeichnet wird. Nicht einzelne Komponenten stehen im Vordergrund, sondern das elektromechanische System «Elektrischer Antrieb Motion Control» ergänzt durch den entsprechenden «Software»-Überbau. Die mechanischen Komponenten müssen in ein System eingebunden werden; dies ist auch der verbindende Grundgedanke des Buches. Elektrische Maschinen, Leistungselektronik und Software stehen nicht berührungslos nebeneinander, sondern sind eng verwoben. Die Grenzen der Disziplinen Mechanik, Elektrotechnik und Software sind aufgehoben. Die neuen Kompaktantriebe Umrichter, Maschine und Getriebe als Einheit sowie Motion Control bestätigen diesen Trend. Er setzt sich mit dem dezentralen, aber vernetzten Antriebsmodul in der Anlage weiter fort. Elektrische drehzahlveränderbare Antriebe sind ein wichtiger und bestimmender Bestandteil vieler Maschinen geworden. Ihr Verhalten beeinflusst in starkem Maße die Qualität und die Kosten der erzeugten Produkte im weitesten Sinn! Die gewünschten Anpassungen der Antriebe an die optimalen Produktionsbedingungen erfordern immer mehr Bild 1.2 Einsatz von drehzahlveränderbaren Antrieben in der Industrie Kenngrößen der Bereiche Einsatzfelder Bereich Anteil in Prozent Lebensmittelindustrie 19 Anlagenbau 16 Handhabung und Montage Papier und Druckmaschinen 12 13 Kunststoffverarbeitung 9 Energietechnik 7 Werkzeugmaschinen 5 Metallindustrie 6 Andere 13
16 Einleitung dezentrale drehzahlveränderbare Antriebslösungen. Die rein mechanischen Verstellmöglichkeiten der Drehzahl über Getriebe und die stufigen Verfahren, wie z.b. die Polumschaltung bei Asynchronmaschinen, werden in Zukunft sicher ihre Marktnischen behalten, aber an Bedeutung weiter verlieren. Fernziel ist sicher, möglichst alle infrage kommenden ca. 50% der Antriebe drehzahlvariabel arbeiten zu lassen allein schon, um Energie einzusparen und die Lebensdauerkosten zu senken. Zur Art der drehzahlvariablen Antriebe und zu ihrem Einsatz in den verschiedenen Industriezweigen gibt Bild 1.2 Hinweise. Die Wünsche der Nutzer der Antriebe sind: maßgeschneiderte, innovative Antriebslösungen, Antriebskonzepte, die sich schnell und effizient erweitern und modifizieren lassen, Antriebskonzepte, die flexibel und wirtschaftlich auf Anforderungen eingehen, Senkung der Engineeringkosten, Verkürzung der Projektlaufzeiten und Senkung der Lebensdauerkosten. 1.2 Besondere Eigenschaften Elektrische Antriebe haben besondere Eigenschaften, die mit zum verbreiteten Einsatz führten. Sie sollen kurz genannt werden: einfache Energiezufuhr über (biegbare) Leitungen «aus der Steckdose», hohe Verfügbarkeit und sofort einsatzbereit, leichte Bedienbarkeit und umweltschonender Betrieb, geringe Leerlaufverluste und hoher Wirkungsgrad, kleine Abmessungen mit guten Anbaumöglichkeiten, lageunempfindliche Aufstellung, einfache Anpassung an den geforderten Drehzahl- und Drehmomentverlauf, großer Drehzahlbereich, verbunden mit großem Stellbereich, Drehzahl 0 ist möglich (Stillstandsbelastung), gute Regelbarkeit, hohe, kurzzeitige Überlastbarkeit, Nutzbremsung (Energierückspeisung) ist möglich, geräusch- und erschütterungsarmer Lauf, einfache, messtechnische Erfassung der Betriebszustände. 1.3 Qual der Auswahl In den letzten Jahren gab es eine schnelle Weiterentwicklung bei elektronischen Bauteilen, z.b. bei den verschiedenen hochsperrenden, modernen Halbleiterschaltern und beim Einsatz der Mikroprozessoren und Signalprozessoren. Diese Fortschritte auf dem Gebiet der Leistungs- und Informationselektronik sowie der verstärkte Trend zum an die Antriebsaufgabe optimal angepassten Einzelantrieb (Modul) bestimmen das Bild in fast allen Industriezweigen, im Handwerk und im Haushalt. Im vorliegenden Buch wird die verwirrende Vielfalt am Markt bei drehzahlveränderbaren Antrieben (Bild 1.3): Gleich-, Wechselstrom- und Drehstrommaschinen, netzgeführten und selbstgeführten Stromrichtern, 1- oder Mehrquadrantenantrieben, 2- oder 6-pulsigen Stromrichtern antiparallel Umrichter mit Spannungs- oder Stromzwischenkreis sowie Gleichstrom- und Drehstromsteller usw. mit System durchleuchtet werden, wobei zur besseren Übersicht lediglich der Leistungsbereich von einigen 10 Watt bis zu rund 100 kw Wellenleistung näher betrachtet wird. Im darunterliegenden niedrigeren Leistungsbereich und bei Leistungen über dem genannten Bereich überwiegen spezielle Auslegungen und Konstruktionen, die nicht mehr allgemein beschrieben und erfasst werden können. In Sonderfällen werden jedoch auch die im Kontext relevanten Aspekte außerhalb des abgegrenzten Leistungsbereiches aufgegriffen.
Komponenten 17 1.4 Komponenten Elektrische drehzahlveränderbare Antriebe bestehen aus 3 Hauptkomponenten: dem Stromrichter als elektronischem Stellglied, der elektrischen Maschine als elektromechanischem Energiewandler und der mechanisch angekoppelten Arbeitsmaschine, dem «Verbraucher» der mechanischen Energie (Prozess), wie Bild 1.4 zeigt. Während lange Zeit der netzgeführte Stromrichter zusammen mit der fremderregten Gleichstrommaschine mit Nebenschlussverhalten (fgnm) das Feld beherrschte, wird diese Lösung heute vermehrt durch umrichtergespeiste Drehfeldmaschinen asynchroner (DAM) oder synchroner (SYM) Bauart substituiert. Ziel der Bemühungen der letzten Jahre war es, die wartungsarme Drehfeldmaschine anstelle der stromwenderbehafteten Gleichstrommaschine einzusetzen. Erst die bereits erwähnten neueren Halbleiterentwicklungen ermöglichten den Ersatz der aufwendigen Thyristorumrichter durch kompakte Umrichter mit IGTB-Halbleitern bis etwa 10 MW, wobei die obere Grenze fließend ist. Der Einsatz von Mikroprozessoren mit komplexen Regelalgorithmen kann dem Drehstromantrieb heute die gleichen Eigenschaften verleihen, die bisher nur den Gleichstromantrieb auszeichneten. Die neu entwickelten Kompaktantriebe mit Umrichter und Maschine als Einheit stellen einen weiteren Meilenstein dar. Bild 1.5 zeigt als Beispiel eine kleine Maschine mit integrierter Elektronik. Leistungsteil, Steuerteil und die elektronisch kommutierte Maschine Bild 1.3 Vielfalt der drehzahlveränderbaren Antriebe mit Stromrichtern im Leistungsbereich bis ca. 100 kw Bild 1.4 Grundsystem eines Stromrichterantriebs mit den Hauptkomponenten (Schem
18 Einleitung Bild 1.5 Kompaktantrieb; elektronisch kommutierte Maschine mit Getriebe (Quelle: Nekar-Mot.) (EK) mit nachgeschaltetem Getriebe sind als Einheit entwickelt. Wegweisendes Beispiel dafür, dass die heutige Entwicklungsrichtung zu kompakten und komplexen Antriebslösungen führt. Bereits hier sei vermerkt, dass die endgültige Entscheidung über den Einsatz einzelner Antriebsvarianten, wegen der unterschiedlichen Wichtung der mannigfaltigen Auswahlkriterien, vom Planer und/oder Betreiber selbst zu fällen ist [1.6, 1.7]. 1.5 Direkt und ohne Mechanik «Mechatronik» Elektrische Direkt-Linearantriebe und direktwirkende Drehantriebe finden als Positionierantriebe im Werkzeugmaschinenbereich oder der Handhabungstechnik zunehmendes Interesse. Sie werden meist als Drehstrommaschinen ausgeführt. Bild 1.6 zeigt einen direktwirkenden Drehantrieb aus dem Hebezeugbereich und einen direktwirkenden Linearantrieb. Ziel der Entwicklung ist es, die Mechanik, z.b. bei Textil- oder Druckmaschinen, möglichst zu reduzieren. Diese Entwicklung zeigt Bild 1.7 im Antriebsschema. Modular aufgebaute Maschinen wurden bisher mechanisch über Königswellen gekoppelt. Flexibler lässt sich das über schnelle Systembusse erreichen, Bild 1.6 Direktantriebe Anpassung über Getriebe und Direktantrieb mit Sondermotor Anpassung über Getriebe und Transportband sowie Linearmotor Bild 1.7 Kopplung von Antrieben Königswelle zur mechanischen Verteilung Systembus zur elektronischen Synchronisation der Antriebsmodule im mechatronischen System
Dezentral installiert 19 wenn man damit Antriebsmodule koppelt und synchronisiert. So wird die starre Mechanik konstruktiv aufgelöst und durch Elektronik ersetzt. Die Mechatronik hält Einzug in die Anlagen. 1.6 Dezentral installiert Statt des Hauptantriebs mit mechanischer Energieübertragung über Getriebe und Königswelle, sind die dezentralen modularen Antriebe im Einsatz, die ihre Daten über Bussysteme austauschen. Folgerichtig benötigen diese Antriebe auch eine dezentrale Installation. Dabei werden Energie- und Datenleitungen an die Maschine geführt und an Knoten bei «Bedarf» angezapft, wie in Bild 1.8 dargestellt ist. So ein Knoten kann auch komplette Stromrichter enthalten. Bild 1.9 zeigt ein typisches Beispiel verteilter dezentraler Antriebe an einem Fördersystem. Bild 1.8 Dezentrale Installation mit Geräteträger. Die Leitungen werden «gepierst». (Quelle: Weiland) Bild 1.9 Dezentrale Antriebe mit dezentraler Installation für Bussystem und Energieleitung (SEW)
20 Einleitung 1.7 Gleichstrom- oder Drehstromlösung? Die Frage, ob Gleichstrom oder Drehstromlösung, steht bei den Betrachtungen nicht mehr verbissen im Vordergrund, denn jede Variante hat ihre besonderen Eigenschaften, die der Anwender technisch und wirtschaftlich optimal nutzen sollte. So konkurrieren die Lösungen teilweise miteinander oder ergänzen sich bei anderen Aufgaben. Der Trend bei Industrieantrieben besonders in der Automatisierungstechnik und im Werkzeugmaschinenbereich geht allerdings eindeutig zum dreh- Bild 1.10 Pkw-Hilfsantriebe (Quelle: Bosch) DAM-Lenkantrieb und Steuergerät mit Leistungsteil (Ströme bis 140 A): Die um das Leistungsteil angeordneten 3 Leistungsplatinen sind gut zu erkennen. c) Scheibenwischer-Kompakteinheit c)
Lebensdauerkosten 21 zahlvariablen Drehstromantrieb mit Frequenzumrichter. Bei Kleinantrieben (P < 500 W) sieht die Verteilung anders aus. Besonders in der Kraftfahrzeugtechnik werden noch immer große Stückzahlen von Gleichstromantrieben eingesetzt, die immer öfter auch über Stromrichter gesteuert oder geregelt betrieben werden. Bei den Maschinen spielt der Verschleiß an Bürste und Stromwender kaum eine Rolle, da die Lebensbetriebszeiten in der Praxis sehr gering sind (oft unter 60 h). Die steigenden Energiepreise rücken die Lebensdauerkosten Life-Cycle-Costs immer stärker ins Blickfeld. Beim Betrieb einer Anlage fallen die Investitionen im Vergleich zu den Energiekosten bei elektrischen Antrieben immer weniger ins Gewicht. Hochwirkungsgradmotoren können die Betriebskosten erheblich senken, auch wenn zunächst die Beschaffungskosten 10 20% höher ausfallen. Bild 1.11 zeigt die grob aufgeschlüsselten Lebensdauerkosten für 3 Motoren mit unterschiedlichen Leistungen im betrachteten Bereich. Das Diagramm zeigt, dass der Kaufpreis und die Installation sowie die Wartung eine untergeordnete Rolle gegenüber den Energiekosten spielen. 1.8 Kfz-(Hilfs-)Antriebe Hybridantriebe sind zz. beim Pkw hoch aktuell, wenngleich sie langfristig in der Prognose nur einen geringen Prozentanteil (<2%) ausmachen werden. Asynchron- und Synchronmaschinen werden aus der 300-V-Batterie über Frequenzumrichter mit 3- oder 6-phasigem Drehstrom gespeist. Besonders Hilfsantriebe mit hohen Betriebsstundenzahlen, z.b. Lenkhilfsantriebe, werden als Umrichterantriebe gebaut und in Großserie eingesetzt. Bild 1.10 zeigt Hilfsantriebe. 1.9 Lebensdauerkosten Bild 1.11 Lebensdauerkosten für 3 Motoren mit unterschiedlichen Leistungen und Betriebszeiten
22
7 Stromrichterantriebe mit Drehfeldmaschinen 7.1 Übersicht In diesem Kapitel werden Stromrichterantriebe mit Drehfeldmaschinen kontinuierlich drehzahlverstellbare AC-Antriebe zum Bewegen und Positionieren im Leistungsbereich von einigen 10 W bis ca. 100 kw behandelt; dies sind: q Asynchron-, (PM-)Synchron- und Reluktanzmaschinen mit Frequenzumrichter, q Asynchronmaschinen mit Drehstromsteller, q Schleifringläufer mit über/untersynchroner Kaskade (USK) und als doppeltgespeiste Maschine, q Maschinen mit elektrischer Kommutierung (EK-Maschinen), q Schrittmotoren mit Steuerelektronik (getaktetem Frequenzumrichter) sowie q geschaltete Reluktanzmaschinen (Switched Reluctance Machine) mit Elektronik. Tabelle 7.1 zeigt in einer Übersicht eine Art Stammbaum der drehzahlveränderbaren Tabelle 7.1 Stammbaum der drehzahlveränderbaren Drehstromantriebe mit den Stellmöglichkeiten
192 Stromrichterantriebe mit Drehfeldmaschinen Drehstromantriebe mit den Stellmöglichkeiten. 7.1.1 Entwicklung der AC-Antriebe Die rasante Entwicklung und der breite Einsatz von Frequenzumrichtern bei drehzahlvariablen Drehstromantrieben besonders der mit Drehstrom-Asynchronmaschine beginnt erst Mitte der 80er-Jahre. Bis dahin war die Gleichstrommaschine mit vorgeschaltetem Stromrichter die Maschine bei drehzahlverstellbaren Antrieben. Ihrem Einsatz sind wegen des anfälligen Stromwendersystems jedoch Grenzen gesetzt, z.b.: q wegen der Wartung oder Überprüfung des Bürstenapparats, q bei schlechten Zugangsmöglichkeiten, q bei kleinem und begrenztem Einbauraum, q bei hoher Umfangsgeschwindigkeit des Stromwenders, q längerer Betrieb mit hoher Stillstandslast, q bei ungünstigen Umweltbedingungen z.b. bei aggressiven Gasen und q bei der Forderung nach erhöhter Zündsicherheit (Ex-Schutz). Bild 7.1 zeigt die Drehfeldmaschine schematisch in ihrem Umfeld und eine explosionsgeschützte Maschine (ABB) aus einer Maschinenreihe neuester Konzeption. Überall da, wo einer der oben genannten Gründe zutrifft, und an vielen anderen Stellen wurde und wird der DC-Antrieb besonders bei Neukonstruktionen durch AC-Lösungen abgelöst [7.40]. Bild 7.1 Drehfeldmaschine im Umfeld Hohe Schutzart (IP 56) beim Schutz der Maschine vor Umwelteinflüssen bzw. Schutz der Umwelt vor unerwünschten Wirkungen der Maschine Asynchronmaschine (Quelle: ABB) mit erhöhter Sicherheit (Ex-Schutz)
Übersicht 193 7.1.1.1 AC-Bewegungsantriebe/ Bearbeitungsantriebe In allen denkbaren Einsatzfällen können heute auch bei kleinen Leistungen ab einigen 10 Watt Antriebskonzepte mit drehzahlverstellbaren Drehfeldmaschinen kostengünstig realisiert werden, da die AC-Maschinen bei Betrieb über Frequenzumrichter nicht mehr direkt an die starre, vom öffentlichen Netz vorgegebene synchrone Drehzahl (Drehfrequenz) f n d = 4 (Gl. 7.1) p (mit der Polpaarzahl p und der Netzfrequenz f) gebunden sind. Für solche drehzahlverstellbaren Antriebe (Bild 7.2) wird das «normale» 50-Hz-Netz durch ein elektronisch erzeugtes, frequenz- und spannungsvariables Netz ersetzt. Sollen nur im Anlauf Stoßströme und Stoßdrehmomente kostengünstig reduziert werden, kann man statt Frequenzumrichtern auch Drehstromsteller angeboten als Sanftanlaufgeräte vorschalten. Dabei arbeitet die Drehstrom-Asynchronmaschine weiter mit fester Netzfrequenz, jedoch mit variabler Spannung. So können Strom und Drehmoment nicht unabhängig voneinander stufenlos reduziert werden. Dabei bleibt die Maschine jedoch weiter an die synchrone Drehzahl n d gebunden. In begrenztem Umfang ist auch drehzahlvariabler Betrieb mit Steller möglich, da wegen der Spannungsminderung das Drehmoment abnimmt und der Schlupf bei Belastung ansteigt, also die Drehzahl absinkt. Elektronisch kommutierte Maschinen mit angepassten Frequenzumrichtern sie haben drehzahlgetaktete Wechselrichter finden große Einsatzgebiete bei Vorschubantrieben, in der Handhabungstechnik, Lüftern und Antrieben in Speicherlaufwerken von Rechnern usw. Frequenzumrichterantriebe mit Hochwirkungsgradmotoren (Eff1) können sich bei hohen Betriebsstunden im Jahr schnell amortisieren. 7.1.1.2 AC-Kompaktantriebe als dezentrale Antriebe In den letzten Jahren kommen zunehmend Asynchronmaschinen mit integriertem Frequenzumrichter auf den Markt. Der Leistungsbereich geht zur Zeit bis ca. 22 kw. Der Umrichter ist im «Klemmenkasten» integriert oder axial an die Maschine angebaut und dadurch oft im Luftstrom des (Fremd-)Lüfters (Bild 7.3). Kompaktantriebe bieten auch Vorteile bei der Bedienung. Die Steuerung erfolgt über Taster und Potentiometer oder über eine Feldbusschnittstelle. Durch den Einsatz eines intelligenten Bedienfeldes mit integrierter PC- Schnittstelle und der Möglichkeit, Parameter auf dem Bedienfeld zu speichern, wird dem Anwender die Veränderung von Parametern erheblich erleichtert. Pumpen und Lüfter sind Einsatzfälle. Aber auch bei Anwendungen mit konstantem Drehmoment, z.b. bei Fördersystemen oder verbunden mit Getriebemotoren, finden die neuen Geräte ihr Einsatzfeld. Besonders geeignet sind sie für den platzsparenden Einbau ohne Schaltschrank. Da keine Leitungen mehr zwischen Maschine und Umrichter benötigt werden, kann man den Kompaktantrieb direkt nah am Prozess einsetzen, dort wo das Drehmoment benötigt wird. Dies bedeutet Ersparnisse bei Verkabelung und Inbetriebnahmezeit. Der Antrieb bietet aufgrund der fehlenden Maschinenleitungen auch Vorteile bei der EMV-Festigkeit [7.50 bis 7.53]. Für die Geräte werden Funkentstörfilter angeboten, die im Elektronikgehäuse integriert werden. Optional kann der Kunde neben Filtern der Klasse A auch Filter der Blasse B erhalten, womit einem Einsatz in Wohngebieten, beispielsweise in einer Klimaanlage oder einer Zentralheizung, nichts mehr im Wege steht (siehe Kapitel 11). 7.1.1.3 AC-Positionierantriebe/ Servoantriebe Auch bei Positionierantrieben (ca. > 1 Nm) haben sich die Lösungen mit Drehfeldmaschinen
194 Stromrichterantriebe mit Drehfeldmaschinen c) d) e) Bild 7.2 Stromrichter und Motoren Frequenzumrichter in Standardform (Quelle: Mitsubishi) Frequenzumrichter in Buchform (Quelle: Lenze) c) Frequenzumrichter mit Hauptschalter (Quelle: Bonfiglioli) d) Sanftanlaufgerät (Quelle: Siemens) e) Sanftanlaufgerät mit Steckeranschlüssen für Automobilbau (Quelle: Lenze) f) Motor mit Wechselrichter (Quelle: Indramat) g) Scheibenläufer mit Getriebe (Quelle: Infranor) h) Hochwirkungsgradmotor mit Cu-Läufer (Quelle: Siemens) i) Hohlwellenmotor mit Splinegetriebe (Quelle: Harmonic drive) j) Linearmotoren (Quelle: esr) f) g) h) i) j) weitgehend gegen die mit Gleichstrommaschinen durchgesetzt. Der fehlende Stromwender war dabei ein gutes Argument, der geringe Einbauraum ein anderes. Bei kleinen Drehmomenten (ca. < 10 Nm) ist die Lösung mit Schrittmotoren wegen der offenen Steuerkette kostenmäßig kaum zu schlagen. Die digitalen Positionsdaten werden so kostengünstig direkt in einen Drehwinkel umgesetzt. Hochdynamische Positionierantriebe werden mit EK-Maschinen, Asynchronmaschinen
Übersicht 195 Bild 7.3 Kompaktantrieb (Quelle: SEW) Getriebemotor mit integriertem Frequenzumrichter (Quelle: MOVIMOT). Der Umrichter ist zum Drehzahlstellen; das Getriebe vergrößert das Drehmoment oder geschalteten Reluktanzmaschinen im geschlossenen Regelkreis mit Rückführung realisiert. Die über Läuferlagegeber gesteuerten Stromrichter sind integraler Bestandteil dieser Systeme (Bild 7.4). 7.1.1.4 Drehende und lineare AC-Direktantriebe Eine andere Art von Antrieben sind die linearen oder drehenden Direktantriebe. Kleinere oder größere Linearbewegungen werden ohne den Umweg über drehende Elemente Spindeln, Zahnstangen oder Zahnriemen direkt realisiert, wie Bild 7.5 zeigt. Auch Direktantriebe für die Drehbewegung mit größerem Drehmoment zeigen neue Wege für den Konstrukteur auf, z.b. Direktantriebe für Drehtische (Bild 7.5, Rundschalttische oder Waschtrommeln von Industriewaschmaschinen. Letztlich ermöglichten erst die großen Fortschritte beim Frequenzumrichter diese Entwicklungen. Tabelle 7.2 zeigt Beispiele der verschiedenen Antriebsarten. In letzter Zeit führt die Entwicklung weg vom speziellen Umrichter hin zum universellen Servo-Umrichter (Bild 7.6), der sowohl für Bewegungsantriebe als auch für Positionieraufgaben eingesetzt werden kann. Auch Steueraufgaben Bild 7.4 Positionierantriebe Die Maschinen sind in quadratischer Ausführung. Die beiden Anschlüsse sind für den Geber und die Wicklung (Quelle: Lust) DC-Motor (Quelle: Maxon) mit Mini-Spline- Getriebe (Quelle: Micromotion) übernimmt dieser Typ mit integrierter SPS- Funktionalität [7.67]. Besondere Aufgaben wie Gleichlauf, elektronisches Getriebe usw. werden von der inplementierten Software ermöglicht (vgl. Abschnitt 7.3.7.1). Im Folgenden werden zunächst die für AC- Antriebe eingesetzten Drehfeldmaschinen vorgestellt, anschließend wird auf die eingesetzten Stromrichter und das Zusammenwirken im Antrieb eingegangen.
196 Stromrichterantriebe mit Drehfeldmaschinen Bild 7.5 Direktantriebe direkter Linearantrieb am Kreuztisch (Quelle: SKF) direkter Drehtischantrieb (Quelle: LUST) mit Transversal-Fluss-Motor 7.2 Drehfeldmaschinen 7.2.1 Aufbau der Drehstrommaschinen in der Übersicht Der Aufbau aller Drehfeldmaschinen ob drehend oder linear arbeitend ist prinzipiell sehr ähnlich; Hauptteile sind der Ständer und der Läufer (vgl. auch Bild 5.1). Im Ständer oder Primärteil liegt eine Drehstromwicklung. Sie wird zur Drehfelderzeugung an ein Drehspannungssystem angeschlossen. Das entstehende Drehfeld wirkt berührungslos über den Luftspalt auf den Läufer oder das Sekundärteil. Bei Linearmotoren asynchroner Bauart ist das Sekundärteil ein Cu-Blech, bei der synchronen Bauart sind es Permanentmagnete. Die einzelnen Arten der Drehfeldmaschinen unterscheiden sich im Läuferaufbau: q Asynchronmaschinen haben Läufer mit Kurzschlusswicklungen oder Wicklungen, deren Enden an Schleifringe geführt sind. q Synchronmaschinen haben Läufer mit ausgeprägten Polen. Diese werden entweder über Permanentmagnete oder über Strom erregt. Beim Reluktanzläufer treten «Pole» wegen der unterschiedlichen magnetischen Leitfähigkeiten im Polbereich und in der Lücke auf. q EK-Maschinen haben permanentmagneterregte Läufer, ähnlich der Synchronmaschine. Eine Besonderheit sind Schrittmotoren und geschaltete Reluktanzmaschinen (GR, Switched Reluctance Maschinen, SRM) mit den ausgeprägten Polen im Ständer und Läufer, wie noch gezeigt wird. Ebenso werden Linearantriebe noch später angesprochen. 7.2.2 Drehstrom-Asynchronmaschine Da weit über 80% der Antriebe mit Drehstrom-Asynchronmaschinen arbeiten, wird diese Maschinenart im Folgenden ausführlicher behandelt. 7.2.2.1 Aufbau Ständer und Läufer sind geblecht. In den Nuten des Ständers liegt die dreisträngige Drehstromwicklung, in den Läufernuten eine Stabwicklung, deren Enden über Ringe kurzgeschlossen sind (Kurzschlussläufer, Bild 7.7). In dem großen Leistungsbereich der Normmotoren wird die Läuferwicklung aus Aluminium- oder aus Kupferdruckguss hergestellt. Wegen dieses einfachen Läuferaufbaus hin-
Drehfeldmaschinen 197 Tabelle 7.2 Beispiele der verschiedenen Antriebsarten mit typischen Lastfällen Auswahl typischer Anwendungsfälle Maschinenart Einsatzfall Antriebsart* Eigenschaften Baumwoll- Spinnmaschine Ersatz einer mechanischen Kopplung B elektrische Welle Netzausfallerkennung Busvernetzung Regalförderfahrzeuge mit mehreren Antrieben Schienenfahrzeuge P Drehmomentenkopplung mit Drehzahlklammerung digitale Sollwertübertragung (Leitfrequenz) Verpackungsmaschinen Positionierantrieb P Drehzahlregler mit geringer Zykluszeit (250 ms) Encorde-Nachbildung Ablängeinheit hinter Extruder Schneiden auf Marke oder Länge P Leitfrequenzkopplung Tourch-Probe-Eingang Schnittpunktberechnung mit Funktionsblöcken Kunststoff- Fasermaschinen Materialverstreckung B elektrische Getriebe mit online veränderbaren Getriebefaktoren Motorpotifunktion Pumpstation für Wasserversorgung Pumpenantrieb für Füllstandsregelung B Füllstandsregelung Mindestdrehzahl Holzbearbeitungsmaschinen Lüfterantrieb für Spanabsaugung B Druckregelung Fangschaltung Drahtziehmaschinen Wickelantrieb B Tänzerlagerregelung Liniengeschwindigkeits- und Druckmesserbewertung Nachlaufregler Fördereinrichtungen Kettenabtrieb B Drehmomentregelung Drehzahlbegrenzung Spinnradmaschinen (Kardenmaschine) Walzenantrieb B Netzausfallerkennung Fangschaltung *) B: Bewegungsantrieb (FU), P: Positionierabtrieb (Servo) sichtlich der Herstellungskosten und der mechanischen Belastbarkeit des Läufers bei hohen Winkelgeschwindigkeiten (Drehzahlen) weist die Asynchronmaschine erhebliche Vorteile auf. Kurzschlusswicklungen arbeiten mit allen Polpaarzahlen des Ständers drehmomentbildend zusammen. Bei Schleifringläufern werden die Enden der Läuferwicklung an Schleifringe geführt. Die Polpaarzahlen von Ständer und Läufer müssen gleich sein, um ein Drehmoment zu entwickeln. Schleifringläufer werden nur noch sehr selten in Neuanlagen ohne Stromrichter eingesetzt. Ihr Einsatz ist auf Krananlagen und Windkraftanlagen begrenzt (Abschnitt 7.9). Die Produktion liegt bezogen auf Kurzschlussläufer in Bruchteilen von Promille. Die Belüftung der Standardmaschine erfolgt über ein auf der Welle sitzendes Lüfterrad (Eigenlüftung).
198 Stromrichterantriebe mit Drehfeldmaschinen Bild 7.6 Umrichter-Antriebe Entwicklungstrend der verschiedenen Umrichterantriebe zum «Servo-Umrichter» Einsatz der verschiedenen Varianten Die Standard-Asynchronmaschine ist in Schutzart IP 54 (oberflächengekühlt) ausgeführt. 7.2.2.2 Allgemeiner Betrieb Bei der Asynchronmaschine wird die Drehfeldleistung P d induktiv vom Ständer auf den Läufer übertragen (Induktionsmaschine), so dass ein empfindliches Bauteil, wie der Stromwenderapparat bei der Gleichstrommaschine entfällt (Bild 7.8). Auch beim Einsatz in Ex- Schutzzonen ist dies von Nutzen. Die Asynchronmaschine läuft in der Nähe der durch die Netzfrequenz f und die Polpaarzahl p festgelegten synchronen Winkelgeschwindigkeit w d = 2pf/p (Drehzahl n d = f/p). Damit im Läufer Spannungen induziert werden können, muss er gegenüber dem umlaufenden Drehfeld immer etwas schlüpfen, d.h. etwas langsamer (im Motorbetrie oder etwas schneller (im Generatorbetrie laufen. Den Schlupf s erhält man zu: s = (w d w)/ w d = (n d n)/n d (Gl. 7.2) Vernachlässigt man zur besseren Übersicht den Eisenverlustwiderstand R Fe und den Wicklungswiderstand R 1 im Ständer, dann entspricht die zugeführte Leistung P zu auch der Drehfeldleistung P d im Luftspalt, die sich bei der Asynchronmaschine abhängig vom Schlupf s aufteilt in:
Drehfeldmaschinen 199 d) c) Bild 7.7 Drehstrom-Asynchronmaschine Aufbau Ständer- und Läuferblechschnitte Längsschnitt durch eine Maschine und einen Läufer c) Normmotor mit Steckern zum schnellen Austausch (Werkbild: Siemens) d) Schleifringläufer P d = P d (1 s) + P d s (Gl. 7.3 oder zur Veranschaulichung: P zu = P mech + P v (Gl. 7.3 P zu P mech P v Zugeführte abgegebene Läufer-Verlustelektrische mechanische leistung Leistung Leistung Aus den Gleichungen 7.2 und 7.3a lassen sich die Möglichkeiten der stetigen Winkelgeschwindigkeitsverstellung (Drehzahlverstellung) der Asynchronmaschine ableiten: w = 2p n d (1 P v /P zu ) = 2p f/p (1 P v /P zu ) (Gl. 7.4 Es ergeben sich 3 Möglichkeiten, die Winkelgeschwindigkeit (Drehzahl) der Asynchronmaschine kontinuierlich zu verändern: q über die Speisefrequenz f durch Frequenzumrichter, q über die zugeführte Leistung P d durch Drehstromstelle und
200 Stromrichterantriebe mit Drehfeldmaschinen 7.2.2.3 50-Hz-Betrieb Bild 7.8 Drehstrom-Asynchronmaschine Arbeitsweise Leistungsfluss in der Maschine mit Leistungsaufteilung über den Schlupf vereinfachtes Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine (Strangwerte) -Werte sind auf den Ständer bezogen q über die Läuferverlustleistung P v durch Läuferkaskaden bei Schleifringläufern Auf diese konkreten Lösungen wird später eingegangen. Zunächst soll der Betrieb der Asynchronmaschine am 50-Hz-Netz behandelt werden. Aus dem einsträngigen T-Ersatzschaltbild (Bild 7.8) erkennt man, dass in der Ständerwicklung der Maschine im Leerlauf der Magnetisierungsstrom I m fließt, sobald Netzspannung anliegt. Bei Belastung steigt der Ständerstrom I 1 mit zunehmendem Schlupf kontinuierlich bis auf den 5 8-fachen Bemessungsstromwert im Anlaufpunkt (s = 1) an. Das Drehmoment steigt gleichzeitig über das Bemessungsmoment (M N ) bis zum Kippmoment (M K ) an; danach sinkt es. Abhängig von der Läuferkonstruktion kann im Anlaufbereich ein Sattelmoment (M s ) auftreten (Bild 7.9). Die Maschinennorm fordert eine Überlastbarkeit ü = M K /M N > 1,6; Anhaltswerte für Maschinendaten zeigt Bild 7.10 in einer Übersicht über Maschinendaten für verschiedene Polpaarzahlen. Im positiven Schlupfbereich s = 0 1 arbeitet die Maschine als Motor; negative Schlupfwerte kennzeichnen den Generatorbereich, der immer auch ein Bremsbereich ist. Bei s > 1 arbeitet sie im Gegenstrombremsbetrieb, der hier nicht weiter interessiert. Drehmoment Das Drehmoment der idealen Drehstromasynchronmaschine, die nur Läuferverluste hat, erhält man für jeden Schlupfwert s nach Kloss zu: 2 M K s K s M(s) = 002 s K ² + s² (Gl. 7.4 mit dem maximalen Kipp-Drehmoment M K und dem dort auftretenden Kippschlupf s K = R 2 /X σ (R 2 ist der Läuferwiderstand und X σ die Streuung). Strom- und Drehmomentkurven zeigt Bild 7.9,. Die Strom- und Drehmoment-Betriebskurven können auch punktweise aus dem Kreisdiagramm entnommen werden (Bild 7.9 c). Hinweis Das Kreisdiagramm stellt die Ortskurve des Ständerstroms I abhängig vom Schlupf s dar und ist über die Schlupfgerade in s-werten parametrisiert.