Automation

Antriebseffizienz auch ohne Drehzahlverstellbarkeit

Beim Energiesparen wird zumeist an das drehzahlvariable System gedacht. Trotzdem bietet für viele Anwendungen (zum Beispiel Förderanlagen) der netzfrequente, mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotierende Motor (bei größeren Leistungen in Kombination mit Softstartern) eine wirtschaftliche Alternative.

Antrieb mit annähernd konstanter Drehzahl (Prinzip, auch einphasig).

Aktuell erreichen Festdrehzahlantriebe etwa die doppelte Stückzahl von drehzahlveränderlichen Anlagen. Jedes Prinzip erfüllt das Gebot der Verlustarmut, von geringerer Abwärme nur, wenn die Bemessung aller Komponenten unter Beachtung des Antriebsstranges mit realem Lastspiel der Arbeitsmaschine, für den tatsächlichen Arbeitspunkt erfolgt. Neben maximaler Energieeffizienz erreichen gleichfalls Gesamtanlageneffektivität, Energieproduktivität Bestwerte. Beide Lösungen verlangen den Einsatz von verlustarmen Komponenten und Motoren hohen Wirkungsgrades. Im Bereich bis 375 kW sind das Drehstrommaschinen/Energiesparmotoren (ESM) der Wirkungsgradklassen IE 1, 2, 3, (4) (IEC 60034-30).

Aufbau und Einsatz
Der Motor wird am starren Netz ohne statische Überlast betrieben. Dazu dient die Einspeisung über den verlustarmen Schutzschalter. Er erlaubt Dauerbetrieb und die kurzzeitige Überlastung während des Anlaufs. Längere Überlast oder Kurzschluss schaltet das Gerät ab, trennt den Motor sicher vom Netz. Zusätzlich überwacht der Schalter das Netz und schützt gegen Überspannungen. Der Antrieb kann sowohl in einer Drehrichtung als auch mittels einer Schützschaltung zum Phasentausch im Reversierbetrieb arbeiten. Das Schaltgerät fungiert als Direktstarter.

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Besonders vorteilhaft hinsichtlich Baugröße, Lebensdauer/Zuverlässigkeit sind Mikroprozessor-kontrollierte Hybridlösungen. Diese Kombination aus steuerbaren Leistungshalbleitern, die Ein- und Ausschaltstromstoß verschleißfrei führen, sowie elektromechanischen Kontakten für den eingeschwungenen Zustand vereint Rechts-, Linkslauf mit verbesserten Schutzfunktionen, Zustandsmeldekontakten, integrierter Strommessung, sogar mit der Not-Aus-Funktion (gemäß SIL). Weitere automatisierungsfreundliche Merkmale erlauben u. a. mit zusätzlichen Bauteilen das Anbinden an verbreitete Feldbusse (vgl. Contactron Hybrid-Wende-Motorstarter "4 in 1", http://www.phoenixcontact.de).

Festdrehzahlantriebe bieten sich an, wenn die Arbeitsmaschine eine Drehzahländerung lediglich im Rahmen der natürlichen Motorkennlinie akzeptiert und dazu konventionelles Schaltgerät und/oder mechanisches Getriebe ausreicht.

Motorauswahl
Die Belastungskennlinien von Motor und Last sind hinsichtlich Arbeitspunkt und Momentenüberschuss anzupassen. Um die Bemessungswerte von Leistung und Moment auswählen zu können sowie die Systemstabilität zu gewährleisten, muss das stationäre (Kennlinie) und dynamische (Zeitfunktion, Schaltvorgänge) Übertragungsverhalten des Arbeitsmechanismus bekannt sein. Häufig schwankt nämlich das Widerstandsmoment. Entsprechend ändern sich Motorstrom und -moment sowie die Verluste. Nur die genaue Kenntnis der Zeitfunktion garantiert die optimale, thermische Auslastung.

Abweichungen von der gleichmäßigen Drehzahl erzeugen zusätzliche Wärme, so dass ggf. ein Motor größerer Leistung vorzusehen ist. Andere Betriebsarten, die eine Überlastung kurzer Dauer auszeichnet (Kurzzeitbetrieb S2), benötigen eine Maschine kleinerer Baugröße.

Da sich die Zeitfunktionen nicht unmittelbar zur Motordimensionierung eignen, werden sie von ihrem Effektivwert ersetzt. Ein statisch richtig bemessener Motor hält die Bedingung (M - Effektivwert des Momentes, MAeff -Widerstandsmoment der AM, MM -Motor)

MAeff≤MM Bemessung

ein. Um sicherzustellen, dass selbst eine kurzzeitig auftretende, kaum zur Erwärmung beitragende Lastspitze durch die AM unter dem maximal zulässigen Kippmoment bleibt, gilt (m - Momentanwert):

mAMmax<mM max

Ein variabler Belastungsverlauf wird grundsätzlich auf eine konstante Ersatzbürde (Dauerbetrieb) zurückgeführt. Das der Wechsellast entsprechende, effektive Moment erwärmt den Motor auf die gleiche Temperatur, so dass ein S1-Motors zulässig wird.

Die Realität kennt vielfältige Belastungsverläufe. DIN EN 60034-1, DIN VDE 0530 reduzieren sie auf Nennbetriebsarten S1-10. Sie erleichtern die richtige Motorbemessung/-auswahl.

Um eine Fehlbemessung zu vermeiden, sind die Forderungen an die Auswahl zwingend einzuhalten. Führt die Abweichung zur Unterdimensionierung (Überlastung), verkürzt sich die Lebensdauer des Maschine. Unterlastung dagegen bedeutet teuere Anschaffung, höhere Betriebskosten.

Systemstabilität
Ist der Gradient der N-M-Kennlinie der AM größer als der Anstieg der entsprechenden Motorcharakteristik, arbeitet das System stabil. Dieser Zustand
 dMAM       dMM
 –––––– > ––––––
 AM       dΩM
stellt sich immer ein, da hier in Rede stehende Motoren ausnahmslos Nebenschlussverhalten zeigen.

Anlauf und Bremsen
Direktzuschaltung verlangt ggf. die bekannten Anlaufhilfen zum Absenken des Anlaufstromes. Zum Bremsen dienen Anordnungen mit Gegen- oder Gleichstrom.

Joachim Krause


Tabelle: Einsatzgesichtspunkte/Vorzüge von ungesteuerten Antrieben

  • Z.T. typgeprüfte, energieeffiziente Schaltung
  • Einfache Projektierung, Installation und Inbetriebsetzung
  • Niedrige Investitionskosten und hohe Zuverlässigkeit wegen geringer Funktionalität und einfacher Gerätetechnik
  • Geringer Wartungs-/Reparaturbedarf trotz zulässiger rauer Umgebungsbedingungen bei weltweiter Verfügbarkeit der Schaltgeräte (second source-Sicherheit)
  • Minimale Verluste der Geräte, verminderte Schaltschrankerwärmung
  • Geringes Gewicht, reduzierter Platzbedarf im Schaltschrank

Systemstabilität: Nach Auslenkung von einem stationären Arbeitspunkt infolge Belastungs-, Spannungsänderung o. a. kehrt der Antrieb in seinen stabilen Ausgangszustand zurück.

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