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AntriebstechnikPower Play

Elektrische Antriebe für höchste Leistungen

Die Intelligenz des Antriebs bestimmt seine Verzahnung (Bewegung, Positionierung) mit dem technologischen Prozess, den Grad des Ersatzes von Mechanik und die Integration in das Anlagen-Automatisierungssystem. Sein Leistungsspektrum erstreckt sich von Mikro- und Milliwatt in Feinmechanik und Medizintechnik bis zu Höchstwerten im dreistelligen Megawatt-Bereich für Schiffbau und Traktion, für Kraft-, Walzwerkstechnik und Hüttenindustrie, aber auch für Prüfstände oder den Transport von Gas und Erdöl. In diesen Branchen benötigen Pumpen, Verdichter, Ventilatoren/Gebläse, Drehrohröfen, Pressen, Extruder, Band-, Bahnanlagen, Schiffspropeller, Umformer elektrische Motoren, die sich stufenlos energieelektronisch in der Drehzahl verstellen lassen. Ihre Leistungsklasse erreicht gegenüber der mechanischen Drehzahländerung eine beachtliche Energieeinsparung.

Bis zum dreistelligen Megawatt-Bereich (derzeitiger Höchstwert 101 Megawatt für einen Bahnumformer) kommen alle bekannten Motortypen in der Grundstruktur des busfähigen Antriebssystems als Einzel-, Doppel- oder Mehrmotorantrieb zum Einsatz. Obwohl bei diesen ausschließlich in Schränken untergebrachten Power Drive Systems (IEC/EN 61800-1, 3) größte Ströme und Spannungen mit ihren Änderungen auf engstem Raum die Signale der Informationselektronik sowie die Umwelt beeinflussen, arbeitet selbst der Hochleistungsantrieb elektromagnetisch verträglich. EMV-Richtlinie der EU und EMVG werden eingehalten. Abgesehen von Spezialanlagen funktionieren die Systeme bis plus 55 Grad Celsius (untere Grenze kleiner gleich Null Grad Celsius) in Höhen bis zu 1.000 Meter über Normalnull. Erst nach Übersteigen dieser Kennwerte muss eine vorgeschriebene Leistungsminderung (Derating) erfolgen. Dazu zwingen ebenfalls höhere Frequenzen der Versorgungsspannung des Antriebs. Weil die Einspeisung bei großen Leistungen grundsätzlich über eine zugeordnete Nieder-/Mittelspannungs-Schaltanlage erfolgt, hat ihre Belastung bei Frequenzen über 50/60 Hertz gleichfalls zu sinken (zum Beispiel bei 100 Hertz auf etwa 0,9). Sowohl Stromrichter als auch Motoren dieser Antriebsklasse werden mit Luft oder Flüssigkeit gekühlt.

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Umrichterantrieb mit Asynchronmotor

Nieder- und Mittelspannungsantriebe mit Asynchronmotor mit Kurzschlussläufer (ASM-KL) unterscheiden sich im Grenzleistungsbereich hinsichtlich Stellglied, Übertragungsverhalten, Funktionalität und Informationselektronik nicht vom bekannten Aufbau. Allerdings erfordert die Mittelspannung eine veränderte Schaltungstopologie von Netz- und Maschinenstromrichter. Zum Netzanschluss dient generell ein Transformator, um die wählbare Netzspannung (bis 24 Kilovolt) der zulässigen Eingangsspannung des Stromrichters anzupassen. Seine Wicklungszahl bestimmt die Pulszahl des Netzstromrichters. Die verbreitete zwölfpulsige ungesteuerte Schaltung kann durch eine vollgesteuerte 18- oder 24-pulsige, rückspeisefähige Anordnung ersetzt werden. Übersteigen die Netzrückwirkungen dann immer noch die zulässigen Grenzen, bietet sich der extrem rückwirkungsarme Vier-Quadranten-Steller (4QS) als Alternative an.

Bei Mittelspannung wird in der Mehrpunktschaltung das Potenzial Null der Zwischenkreisspannung angezapft. Eine bereits ohne Pulsung an die Sinusform gut angenäherte Motorspannung entsteht, weil im Unterschied zum Niederspannungs-Umrichter in jeder Halbwelle mehrere unterschiedliche Potenzialwerte auftreten. Zusätzlich sinken Spannungsbeanspruchung der Ventile und Belastung der Isolation der Motorwindungen. Kommen beim Niederspannungsantrieb LV-IGBT zum Einsatz, erfordert die Mittelspannung neben Dioden, Thyristoren, GTO bevorzugt IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor), aber auch spezielle, schaltverlustarme Transistoren und Thyristoren niedriger Ansteuerleistung (HV-IGBT, IEGT).

Der für Hochleistungssysteme benötigte gesonderte Schaltraum kann ein mobiler Container sein, der in der chemischen Industrie zum Schutz gegen die aggressive Atmosphäre aus Edelstahl mit Überdruckbelüftung besteht.

Antrieb mit Permanentmagnet-Synchronmotor

Beim Innenpol-Synchronmotor mit verlustarmen Permanentmagnet-Läufer (PM-SM) steigt dank der permanentmagnetischen Erregung die Leistungsdichte. Weil die Maschine belastbarer ist, ihre Verluste zusammen mit dem Kühlaufwand sinken, nehmen die Betriebskosten ab. Nicht nur Servo- und Linearmotoren kleinerer Leistung (bis zu einigen 100 Kilowatt) werden so ausgeführt. Der PM-SM für Umrichterspeisung steht auch für höchste Drehzahlen und Leistungen (High-Speed-Motor) sowie für höchste Drehmomente (High-Torque-Motor) bereit. Mit vom Positionsgeber für die Läuferstellung (Rotorlagegeber) drehzahlsynchron selbstgesteuertem, lastkommutiertem Umrichter gleicht das Übertragungsverhalten des Systems dem der konventionellen, fremderregten Gleichstrom-Nebenschlussmaschine. Als bürstenlose Konstruktion kennzeichnet sie gegenüber der Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer ein verbesserter Wirkungsgrad und geringerer Verschleiß. Außerdem haben derartige Maschinen kleineres Bauvolumen, höheres Beschleunigungsvermögen sowie verbessertes Temperatur- und Geräuschverhalten. Als Dauermagnet eignen sich Materialien höchster Energiedichte wie Selten-Erd-Magnete, Neodym, Kobalt und andere. Derartige Maschinen werden mit Wasser oder Luft gekühlt.

Trotz des permanentmagnetischen Läuferfeldes ist durch den elektronischen Aufbau eines Kompensationsfeldes mittels eines vom Umrichter erzeugten Gegenstroms – vergleichbar der Ankerrückwirkung – ebenso wie bei Gleichstrom- und Asynchronmaschinen Feldschwächung möglich. Allerdings erfordert diese Betriebsart wegen der nicht abschaltbaren Läufererregung besondere Schutzmaßnahmen, um bei einem Defekt den Anstieg der induzierten Ständerspannung zu beherrschen. Permanentmagnet-Motoren dürfen auch generatorisch (Nutzbremsen) arbeiten.

Oft wird dieser Drehstromantrieb großer Leistung als Stromrichtermotor bezeichnet. Funktionell fallen in die gleiche Kategorie die für geringere Leistungen reservierten Begriffe Elektronikmotor und bürstenloser Gleichstromantrieb.

Untersynchrone Stromrichterkaskade

Die doppeltgespeiste Asynchronmaschine mit Schleifringläufer (ASM-SRL) mit Untersynchroner Stromrichterkaskade (USK) wird bei großen Leistungen (über zehn Megawatt) vor allem dann zur technischen und wirtschaftlichen Alternative, wenn bestehende Anlagen zum Steigern von Produktivität wie auch zur Integration in den Fertigungsverbund zu modernisieren sind (Retrofit, Refurbishing). Verlustarm lässt sich nämlich die Drehzahl von Schleifringläufermaschinen über die Variation ihrer Läuferspannung verstellen. Der eingesetzte Stromrichter hat eine gegenüber dem Motor geringere Typenleistung. Mittels eines Stromzwischenkreis-Umrichters (Current Source Inverter, CSI) wird der Läufer über die Schleifringe direkt mit dem Mittel- oder Niederspannungs-Hauptnetz zurückverbunden. Sein ungesteuerter sechspulsiger Stromrichter auf der Motorseite richtet die induzierte Läuferspannung gleich. Der netzgelöschte, netzseitige Stromrichter – eine steuerbare Sechspulsbrücke – arbeitet ständig im Wechselrichterbetrieb und erzeugt wieder in eine Wechselgröße, damit die überschüssige Läuferenergie in die Versorgungsquelle fließen kann. Der Motorschlupf stellt sich hierbei so ein, dass die Gleichspannung des Rotors die verstellbare Wechselrichter-Spannung überwindet und sich ein dem geforderten Motormoment adäquater Strom aufbaut.

Für die Verfügbarkeit der Anlage spielt der netzseitige, ständig im anfälligeren Wechselrichterbetrieb arbeitende Stromrichter eine besondere Rolle. Versagt seine netzgeführte Kommutierung, verursacht das sogenannte Wechselrichterkippen einen kaum begrenzbaren Querstrom durch einen Zweig oder einen sehr großen Strom in das Hauptnetz. Eine hochdynamische, auch nachträglich installierbare Thyristorlöscheinrichtung vermeidet zwar nicht das Wechselrichterkippen an sich, wohl aber seine negativen Auswirkungen wie etwa den Sicherungsfall.

Antrieb mit Gleichstrom- Nebenschlussmotor

Gegenüber den beschriebenen Maschinentypen ist der Gleichstrom-Nebenschlussmotor (GS-NSM) wegen des mechanischen Kommutators wartungsintensiver und verschleißreicher. Sein steuerbares Stellglied speist als Drehstrombrückenschaltung den Einrichtungsantrieb, in gegenparalleler Anordnung zweier Brücken ist es für den Umkehrbetrieb ausgelegt. Nennströme von mehr als 5.000 Ampere bei Nennspannungen und Stellbereich bis zu 1.200 Volt Gleichspannung werden bei Luftkühlung realisiert. Die Versorgung aus dem Drehstromnetz 50/60 Hertz liegt zwischen 230 und 1.000 Volt. Neben Schutz und Überwachung durch die Informationselektronik enthalten die Stromrichterschränke Halbleiter-Sicherungen und Kommutierungsdrosseln sowie den oberschwingungsarmen Feldgleichrichter. Derartige Stellglieder erfüllen auch nichtmotorische Aufgaben wie Elektrolyse, Batterieladung, Elektromagnetversorgung. Joachim Krause

Stromrichter, elektrische Antriebssysteme <thin-space>Kennziffer<thin-space>56

Transresch, Berlin, Tel. 030/9861-2104, Fax 9861-2097, http://www.transresch.de

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