Grundlagen für die Praxis Drehstromasynchronmotoren · Grundlagen für die Praxis Drehstromasynchronmotoren Aufbau Betriebsarten Auswahl Dimensionierung Motor Management TM

Grundlagen für die Praxis Drehstromasynchronmotoren

AufbauBetriebsartenAuswahlDimensionierung

MotorManagement

TM

Vorwort

Das vorliegende Fachbuch «Drehstromasynchronmotoren» bildet denAnfang einer Reihe von Publikationen zum Thema «Motor Management».

Mit diesen, in lockerer Folge erscheinenden Grundlagen für die Praxis stehtdem Anwender ein wachsendes Nachschlagewerk rund um denLeistungsabgang für Projektierung und Anwendung zur Verfügung.Vorgesehene Themenbereiche sind:• Anlauf und Betrieb von Motoren,• Schutz von Motor und Antrieb,• Auswahl und Anwendung von Schaltgeräten,• Kommunikation.

Elektromotoren sind heute in jedem Produktionsprozess zu finden.Der optimalen Ausnutzung der Antriebe kommt im unter dem Aspekt derWirtschaftlichkeit wachsende Bedeutung zu. «Motor Management» vonRockwell Automation hilft Ihnen,• Anlagen besser zu nutzen,• Unterhaltskosten zu senken,• die Betriebssicherheit zu erhöhen.

Wir freuen uns, wenn Ihnen unsere Publikationen mithelfen, wirtschaftlicheund effiziente Lösungen für Ihre Anwendungen zu finden.

Copyright © 1996 by Sprecher+Schuh AG Rockwell Automation, Aarau.

Alle Angaben erfolgen nach bestem Gewissen, ohne rechtliche Verbindlichkeit.

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Drehstromasynchronmotoren

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Inhalt:

1 Der Drehstromasynchronmotor 1.1

1.1 Wirkungsweise 1.11.1.1 Stator 1.11.1.2 Rotor 1.11.1.3 Schlupf 1.31.1.4 Verluste 1.4

1.2 Drehmomentverlauf 1.61.2.1 Grundsätzlicher Verlauf 1.61.2.2 Konstruktive Massnahmen 1.8

1.3 Betriebskennlinien 1.10

2 Betriebsarten elektrischer Antriebe 2.1

2.1 Hauptbetriebsarten S1 … S9 2.12.1.1 S1: Dauerbetrieb 2.22.1.2 S2: Kurzzeitbetrieb 2.32.1.3 S3: Aussetzbetrieb ohne Einfluss

des Anlaufvorganges 2.42.1.4 S4: Aussetzbetrieb mit Einfluss des

Anlaufvorganges 2.52.1.5 S5: Aussetzbetrieb mit Einfluss des

Anlaufvorganges und der elektrischen Bremsung 2.62.1.6 S6: Durchlaufbetrieb mit Aussetzbelastung 2.72.1.7 S7: Ununterbrochener Betrieb mit Anlauf

und elektrischer Bremsung 2.82.1.8 S8: Ununterbrochener Betrieb mit

periodischer Last- Drehzahländerung 2.92.1.9 S9: Ununterbrochener Betrieb mit

nichtperiodischer Last- und Drehzahländerung 2.11

2.2 Mittelwerte von Leistung, Drehmoment und Strom 2.122.3 Motorleistung und Betriebsarten 2.142.3.1 Leistungserhöhung gegenüber S1 2.142.3.2 Mechanische Grenzleistung 2.152.3.3 Leistungsverminderung gegenüber S1 2.15

iii


3 Charakteristische Lastmomente 3.1

3.1 Drehzahlabhängige Lastmomente 3.23.1.1 Das Drehmoment bleibt konstant 3.23.1.2 Das Drehmoment steigt proportional zur Drehzahl 3.33.1.3 Das Drehmoment steigt quadratisch zur Drehzahl 3.53.1.4 Das Drehmoment sinkt umgekehrt proportional

zur Drehzahl 3.5

3.2 Winkelabhängige Lastmomente 3.63.3 Wegabhängige Lastmomente 3.63.4 Zeitabhängige Lastmomente 3.63.5 Losbrechmoment 3.6

4 Auswahl und Dimensionierung elektrischer Antriebe 4.1

4.1 Leistungsvermögen von Motoren 4.24.1.1 Katalogdaten und Einsatzparameter 4.34.1.2 Bestimmen der Typenleistung 4.44.1.3 Katalogdaten 4.44.1.4 Betriebsbedingungen 4.44.1.5 Vorgehen bei der Motordimensionierung 4.4

4.2 Dimensionierung nach dem Lastmoment 4.74.3 Berechnung nach dem Beschleunigungs-

moment oder der Hochlaufzeit 4.84.3.1 Beschleunigungsmoment 4.84.3.2 Hochlaufzeit 4.8

4.4 Berechnung nach Schalthäufigkeit 4.114.5 Auswahl nach Katalogdaten 4.13

5 Formelzeichen 4.14

1.1

1 Drehstromasynchronmotor

Der Drehstromasynchronmotor – auch als Induktionsmotor bezeichnet – ist beiindustriellen Antrieben der überwiegend verwendete Motortyp. Besonders inseiner Ausführung als Kurzschlussläufermotor dominiert er die industrielleelektrische Antriebstechnik.

1.1 WirkungsweiseDer Drehstromasynchronmotor, besteht gemäss Bild 1.2.2 elektrisch aus demfeststehenden Stator oder Ständer mit einer aus dem Drehstromnetz gespeistenDreiphasenwicklung und dem umlaufenden Rotor. Zwischen Stator und Rotorbesteht keine elektrische Verbindung. Die Ströme im Rotor werden von derStatorseite her über den Luftspalt induziert. Stator und Rotor sind aushochmagnetisierbarem Dynamoblech mit geringen Wirbelstrom- undHystereseverlusten zusammengesetzt.

1.1.1 StatorDie Statorwicklung ist aus drei einzelnen Wicklungen aufgebaut, diegegeneinander um den elektrischen Winkel von 120° versetzt angeordnet sind.Schliesst man sie an das speisende Netz an, so dient zunächst der Strom derMagnetisierung des Blechkörpers. Dieser Magnetisierungsstrom erzeugt einDrehfeld, welches mit der synchronen Drehzahl ns umläuft.

Bei der kleinsten Polzahl von 2p = 2 ergibt sich im 50 Hz-Netz die höchste

synchrone Drehzahl von ns = 3000 min-1. Die synchronen Drehzahlen im 50 Hz-Netz sind in Tabelle 1.2.1 dargestellt:

1.1.2 RotorDer Rotor oder Läufer besteht bei Asynchronmaschinen mit Kurzschlussläuferaus einem genuteten zylindrischen Läuferblechpaket mit Stäben aus Aluminium,die stirnseitig durch Ringe zu einem geschlossenen Käfig verbunden sind.

Bei Drehstromasynchronmotoren wird der Rotor oft auch als Anker bezeichnet. Bei elektrischen Maschinen ist der Anker der Teil der Maschine, dessenWicklung vom Magnetfeld induziert wird. Bei Drehstromasynchronmotoren istdies der Rotor. Die Bezeichnung Anker hat historische Bedeutung; denn dieRotoren der ersten elektrischen Maschinen hatten die Form eines doppeltenSchiffsankers.


ns = synchrone Drehzahl in min-1

Synchrone Drehzahl ns = 60 f = Frequenz in s-1

p = Polpaarzahl (Polzahl/2)

fp

Tabelle 1.2.1 Gebräuchliche synchrone Drehzahlen im 50 Hz – Netz

Im 60 Hz – Netz sind die synchronen Drehzahlen um 20 % höher

Bild 1.2.2 Moderner geschlossener Käfigläufer-Drehstrommotor

Im Stillstand verhält sich der Asynchronmotor wie ein sekundärseitigkurzgeschlossener Transformator. Die Statorwicklung entspricht dabei derPrimärwicklung, die Rotorwicklung (Käfigwicklung) der Sekundärwicklung.Weil sie kurzgeschlossen ist, fliesst in ihr ein Rotorstrom, der von derinduzierten Spannung und ihrem Widerstand abhängig ist. Im Zusammenwirkendes magnetischen Flusses mit den stromdurchflossenen Leitern im Rotor entstehtein Drehmoment im Sinne der Umlaufrichtung des Drehfeldes. Die Rotorstäbesind in der Regel gemäss Bild 1.3.1 im Winkel zur Drehachse geschränktangeordnet, um Drehmomentschwankungen zu vermeiden

Im Leerlauf erreicht der Rotor fast die synchrone Drehzahl des Drehfeldes, weilnur ein geringes Gegenmoment (Leerlaufverluste) vorhanden ist. Würde er genausynchron drehen, so würde keine Spannung mehr induziert, es flösse kein Strommehr und es käme kein Drehmoment mehr zustande.


1.2

Polzahl 2p 2 4 6 8 10 12 16 24 32 48

ns in min-1 3000 1500 1000 750 600 500 375 250 188 125


1.3

Im Betrieb sinkt die Drehzahl des Rotors auf die Lastdrehzahl n ab, er schlüpft.Entsprechend diesem lastabhängigen Schlupf s, ändert die in der Rotorwicklunginduzierte Spannung, damit der Rotorstrom und somit auch das Drehmoment M.Mit zunehmendem Schlupf s steigt der Rotorstrom und das Drehmoment. Weilder Drehstromasynchronmotor wie ein Transformator wirkt, wird der Rotorstromauf die Statorseite (Sekundärseite) transformiert und der aus dem Netzentnommene Statorstrom ändert sich praktisch im selben Ausmass. Die vomNetz bezogene elektrische Leistung des Stators wird über den Luftspalt inmechanische Leistung im Rotor umgewandelt. Der Statorstrom setzt sich daheraus zwei Komponenten zusammen, dem Magnetisierungsstrom und demeigentlichen Laststrom.

a Einfach geschränkte Läuferstäbe

b Doppelt geschränkte Läuferstäbe

Bild 1.3.1 Ausführungsformen von Kurzschlussläufer-Wicklungen

1.1.3 SchlupfDie Differenz zwischen der synchronen Drehzahl ns und der imBemessungsbetrieb wirkenden Drehzahl n bezeichnet man als Schlupf s unddrückt ihn meist in Prozenten aus. Im Bemessungsbetrieb beträgt er je nachGrösse der Maschine etwa 10 bis 3%. Der Schlupf ist eine der wichtigstenKenngrössen der Asynchronmaschine.

s = SchlupfSchlupf s = ns = synchrone Drehzahl

n = Drehzahl des Rotors

ns - n

ns

Bild 1.4.1 Die Rotorspannung UR ist proportional vom Schlupf s abhängig.Einem Schlupf von 10 % entspricht eine Rotorspannung von 10 %

Die induzierte Rotorspannung UR ist gemäss Bild 1.4.1 proportional demSchlupf s. Im Stillstand bei n = 0 und s = 1 erreicht sie die den höchsten Wert,womit auch der grösste Strom fliesst. Diese Tatsache wird in der Praxis durchden hohen Anlaufstrom (Einschaltstromstoss) bestätigt. Für einen bestimmtenRotorwiderstand wird im Stillstand auch das Drehmoment am grössten. Durchkonstruktive Massnahmen lässt sich dieses Verhalten beeinflussen. Allerdingslegt man den Rotorwiderstand meistens nicht für diesen Fall aus. Für dieDrehzahl des Rotors ergibt sich:

1.1.4 VerlusteDa die Rotordrehzahl n um den Schlupf s kleiner ist als die synchrone Drehzahlns des Drehfeldes, ist auch die mechanische Rotorleistung P2 kleiner als dieelektrisch übertragene Drehfeldleistung PD. Die Differenz PVR geht im Rotor alsWärme verloren. Diese Wicklungsverluste sind somit direkt vom Schlupf sabhängig. Beim Startvorgang wird sogar im ersten Augenblick die gesamte imRotor induzierte Leistung in Wärme umgewandelt.

Die Gleichung zeigt, die grösste thermische Gefahr besteht bei stillstehendemRotor mit s = 1, da dann die gesamte aufgenommene elektrische Leistung imMotor in Verlustwärme umgesetzt wird. Wegen des erhöhten Anlaufstromes vonAsynchronmotoren beträgt die Verlustleistung ein Mehrfaches der Motor-Bemessungsleistung. Zusätzlich sind übliche eigenventilierte Motoren imStillstand schlecht gekühlt.


1.4

n = RotordrehzahlRotordrehzahl n = ns · (1 - s) ns = synchrone Drehzahl

s = Schlupf

Verluste im Rotor PVR = PD · s = Kupferverluste PCuR in W

Betrachtet man die gesamten Verluste Pv in einem Motor, so setzen sich gemässBild 1.5.1 aus den folgenden Einzelverlusten zusammen:

Die Eisenverluste PFe im Stator entstehen durch die Hysterese- undWirberlstromverluste, die von der Spannung und der Frequenz abhängig sind.Im Betrieb sind sie deshalb etwa konstant. Im Rotor können sie praktischvernachlässigt werden, weil im Betrieb die Frequenz des Rotorstromes sehrklein ist. Stromwärmeverluste entstehen im Stator PCuS und im Rotor PCuR,welche beide quadratisch von der Belastung abhängig sind. DieLuftreibungsverluste PLu und die Lagerreibungsverluste PLa sind wegen derpraktisch konstanten Drehzahl im Betrieb ebenfalls konstant. Die ZusatzverlustePzus entstehen vor allem durch Wirbelströme in den metallischenKonstruktionsteilen der Maschine.

Ausführung:

P1 = Aufgenommene elektrische Leistung

PFe = Eisenverluste im Stator

PCuS = Stromwärmeverluste im Stator

Pzus = Zusatzverluste

PD = Drehfeldleistung (Luftspaltleistung)

PCuR = Stromwährmeverluste im Rotor

PLu = Luftreibungs- und Ventilationsverluste

PLa = Lagerreibungsverluste

P2 = Abgegebene mechanische Leistung

Bild 1.5.1 Leistungen und Verluste beim Drehstromasynchronmotor

1.5


• PFe Eisenverluste im Stator ⇒ im Betrieb etwa konstant• PCuS Stromwärmeverluste im Stator ⇒ quadratisch vom Strom abhängig• PCuR Stromwärmeverluste im Rotor ⇒ quadratisch vom Strom abhängig• PLu Luftreibungsverluste ⇒ im Betrieb etwa konstant• PLa Lagerreibungsverluste ⇒ im Betrieb etwa konstant• Pzus Zusatzverluste ⇒ im Betrieb etwa konstant

1.2 Drehmomentverlauf1.2.1 Grundsätzlicher VerlaufDer typische Drehmomentverlauf von Asynchronmotoren mit Kurzschlussläufernist in Bild 1.6.1 dargestellt und durch nachstehende Grössen gekennzeichnet.Unter dem Hochlaufmoment wird dabei der ganze Bereich desDrehmomentverlaufs vom Stillstand bis zur vollen Drehzahl verstanden.

Mn = BemessungsmomentML = LastmomentMK = KippmomentMM = MotormomentnS = Synchrone DrehzahlAn = BemessungspunktMA = AnzugsmomentMB = BeschleunigungsmomentMS = Sattelmomentnn = Bemessungsdrehzahl(0,94..0,99 · nS)n = BetriebsdrehzahlA = Betriebspunktn0 = Leerlaufdrehzahl (0,98..0,997 · nS)

Bild 1.6.1 Drehmomentverlauf des Asynchronmotors über der Drehzahl

MA Anzugsmoment im Stillstand, auch Losbrechmoment genannt. DieListenwerte der Motorenhersteller dürfen von -15% bis +25% Toleranzaufweisen.

Mn Bemessungsmoment im Bemessungsbetrieb bei Bemessungsleistung Pn undbei Bemessungsdrehzahl nn. Im Leerlauf ist das Drehmoment sehr klein unddeckt die inneren Reibungen. Belastet man den Motor, so sinkt seineDrehzahl leicht um den Schlupf s ab und das Drehmoment nimmt zu. DasBemessungsmoment muss von einem Normalmotor im Dauerbetriebabgegeben werden können, ohne dass seine Grenztemperatur überschrittenwird.

Bei bestimmten Betriebsarten (S2, S3 und S6) darf das Bemessungsmomentauch in einem gewissen Ausmass überschritten werden, wenn über denganzen Betriebsbereich betrachtet die Grenztemperatur nicht überschrittenwird.

MK Kippmoment. Das ist das maximale Drehmoment, das der Motor abgebenkann. Steigert man die Leistung über die Bemessungslast Pn , so nimmt derSchlupf s weiter zu, die Drehzahl n wird kleiner und der Motor liefert eingrösseres Drehmoment. Dies kann bis zu einem Maximalwert MK(Kippmoment) gesteigert werden, wo der Motor kippt, das heisst seineDrehzahl bricht bei diesem Schlupfwert (Kippschlupf) plötzlich zusammen.


1.6


Gemäss den Normen muss das Kippmoment MK ≥ 1,6 Mn sein und derMotor muss mindestens 15 s lang mit diesem Wert bei Bemessungs-spannung und Bemessungsfrequenz überlastbar sein. Die Listenwerte dürfenbis -10% Toleranz aufweisen. Bei den meisten Motoren ist das Kippmomentbedeutend grösser und erreicht üblicherweise Werte von etwa MK = 2...3,5Mn. Der Asynchronmotor eignet sich deshalb ausgezeichnet für stossweiseBelastung, wenn die zusätzlich entstehende Verlustwärme abgeführt werdenkann.

MS Sattelmoment, auch als Durchzugsmoment bezeichnet, ist das kleinste

Drehmoment, das während des Hochlaufs auftritt. Es muss auf jeden Fall

grösser sein, als das in diesem Augenblick wirkende Lastmoment ML, da

der Antrieb sonst nicht beschleunigt werden kann. Minimalwerte für das

Sattelmoment sind in den Normen für den Betrieb mit Bemessungsspannung

vorgeschrieben.ML Lastmoment, das Gegenmoment das die Last während des Hochlaufs

darstellt.

MM Motormoment auch als Hochlaufmoment bezeichnet.

MB Beschleunigungsmoment als Differenz des Motormoment MM minus das Lastmoment ML

Im Dauerbetrieb mit der Betriebsart S1 und der Bemessungsbelastung Pn drehtder richtig dimensionierte Motor mit der Bemessungsdrehzahl nn und gibt dabeidas Bemessungsmoment Mn ab:

Das Drehmoment M kann aber auch mit den elektrischen Daten des Motorsberechnet werden:

1.7

Mn = Bemessungsmoment in NmBemessungsmoment Mn = 9555 · Pn = Bemessungsleistung in kW

nn = Bemessungsdrehzahl in min-1

Pn

U = Spannung in VBemessungs- I = Strom in Amoment Mn = cosϕ = Leistungsfaktor

η = Wirkungsgradn = Drehzahl in

√3 · U · I · cosϕ · η · 9,55n

Beim Start muss gemäss Bild 1.6.1 das Anzugsmoment MA grösser als dasLosbrechmoment der Last sein und das Motormoment MM muss während demgesamten Hochlauf dauernd über dem Lastmoment ML liegen.

Im Schnittpunkt der beiden Momentenlinien (Betriebspunkt A) arbeitet derAntrieb mit konstanter Drehzahl n. Bei Überlast steigt der Betriebspunkt A überden Bemessungspunkt An. Dies ist nur eine kurze Zeit zulässig, damit sich derMotor nicht unzulässig erwärmt.

Der Betriebspunkt A sollte aber auch nicht zu tief liegen, das heisst es soll nichtein zu grosser Motor gewählt werden. Unterhalb 50% der Bemessungslast fallender Wirkungsgrad η und der Leistungsfaktor cosϕ stark ab und die Motorenarbeiten nicht mehr wirtschaftlich. Ein grösserer Motor hat auch einen grösserenAnzugsstrom IA, denn dieser ist vom Lastmoment unabhängig. Einzig dieHochlaufzeit würde durch einen grösseren Motor verkürzt.

1.2.2 Konstruktive MassnahmenDer Drehmomentverlauf lässt sich bei Drehstromasynchronmotoren weitgehenddem Verwendungszweck anpassen. Wesentliche Eigenschaften sind dabei eingeringer Anlaufstrom IA und ein hohes Anlaufmoment MA. DieDrehmomentcharakteristik und auch die Höhe des Anlaufstromes wird dabeihauptsächlich durch die Art des Rotorkäfigs und die Form der Rotornut gemässBild 1.8.1 bestimmt.

Ein hohes Anzugsmoment MA und einen kleinen Anlaufstrom IA erreicht mandurch einen relativ hohen ohmschen Rotorwiderstand im Startmoment.Grundsätzlich wirkt beim Starten bei allen unterschiedlichenRotorkonstruktionen ein mehr oder weniger grosser "Stromverdrängungseffekt"(Skineffekt). Man unterscheidet die folgenden Konstruktionsformen:

a Einfachkäfigläufer für Druckgussausführung

b Tiefnutausführung

c Doppelkäfiganker

Bild 1.8.1 Nutformen bei Käfigläufern


1.8

• Normale Käfiganker mit Einfachnut mit runden, viereckigen odertrapezförmigen Leitern meist aus Aluminium mit relativ hohemAnlaufmoment von 1,8...2,5 x Mn und hohem Anlaufstrom von 5...10 x In.

• Stromverdrängungsanker, auch als Hochstab- oder Tiefnutanker bezeichnet.Werden die Rotorstäbe hoch und schmal ausgeführt, so wirkt beimEinschalten die Stromverdrängung, da dann die Rotorfrequenz hoch ist. DerEffekt bewirkt eine Verkleinerung des wirksamen Leiterquerschnittes unddamit eine Erhöhung des ohmschen Widerstands. Dies führt zu einem gutenAnlaufdrehmoment MA und einem günstigen Anlaufstrom IA. Im Betriebwirkt sich die Stromverdrängung nicht mehr aus, da die Rotorfrequenz dannsehr klein ist.

• Doppelkäfiganker-Rotor mit Unterteilung des Stabes in zwei Einzelstäbe, diemeist elektrisch voneinander getrennt sind. Den Aussenkäfig führt man mithohem, den Innenkäfig mit kleinem ohmschem Widerstand aus. Dies erreichtman durch entsprechende Materialwahl (Cu, Al, Ms) und Dimensionierungder Leiterquerschnitte. Der Effekt ist noch ausgeprägter als beimStromverdrängungsanker. Beim Anlauf fliesst der Strom praktisch nur imAussenkäfig, was eine Reduktion des Anlaufstromes IA und eine relativeErhöhung des Anlaufmoments MA bewirkt. Im Betrieb verteilt sich derStrom dann auf beide Käfige, entsprechend ihren ohmschen Widerständen.

• Widerstandsläufer, auch als Schlupfläufer bezeichnet, mit einer Nutform wiebeim normalen Käfigläufer, aber mit Leitern aus Messing anstelle von Aloder Cu, wodurch der ohmsche Widerstand grösser wird. Dieser bleibt nunim Gegensatz zum Stromverdrängungsanker über den ganzenDrehzahlbereich konstant und führt im Betrieb zu grossem Schlupf mitweichem Drehzahlverhalten ohne ausgeprägtes Kippmoment. Das Anlaufmoment MA ist entsprechend dem Rotorwiderstand hoch und derAnlaufstrom IA wird reduziert. Da im Betrieb der grosse ohmscheWiderstand vorhanden bleibt, entstehen relativ grosse Verluste, so dass derBetrieb unwirtschaftlich ist. Sie haben deshalb heute keine grosse Bedeutungmehr, weil die gewünschten Kennlinien auch mit verlustarmen elektronischenZusatzeinrichtungen gefahren werden können.

1.9


K = normaler Käfig (Al)TN = Tiefnutanker (Al oder Cu)DK = Doppelkäfiganker (Al oder Cu

bzw. aussen Al und innen Ms)W = Widerstandsläufer (Ms)M = Drehmomentn = Drehzhl

Bild 1.10.1 Prinzipieller Drehmomentverlauf verschiedener Käfigarten

1.3 BetriebskennlinienUnter den Betriebskennlinien versteht man die grafische Darstellung und somitden Verlauf von:

• Drehzahl • Strom• Leistungsfaktor • Leistung• Wirkungsgrad • Schlupf

als Funktion der Belastung.

Bild 1.10.2 zeigt die Betriebskennlinien eines typischen Asynchronmotors.

Bild 1.10.2 Betriebskennlinien eines Asynchronmotors in Abhängigkeit von derBelastung

n = Drehzahl nS = Synchrone DrehzahlP1 = aufgenommene Leistung P2 = abgegebene Leistungη = Wirkungsgrad cosϕ = LeistungsfaktorI = aufgenommener Strom In = Bemessungsstroms = Schlupf Pn = Bemessungsleistung


1.10


n Die Drehzahl n nimmt mit zunehmender Belastung nur leicht ab. NormaleKäfigankermotoren haben somit ein "hartes" Drehzahlverhalten.

s Der Schlupf s nimmt mit steigender Belastung etwa proportional zu.

cosϕ Der Leistungsfaktor cosϕ ist stark von der Belastung abhängig underreicht seinen Höchstwert erst bei Überlast. Im Teillastbereich ist errelativ ungünstig, weil auch bei Teillasten die Magnetisierung praktisch konstant ist.

η Der Wirkungsgrad η verläuft relativ flach und ist oberhalb der Halblast fast konstant. Seinen Höchstwert erreicht er im Allgemeinen unterhalb derBemessungsleistung Pn

I Der Strom I nimmt ab etwa der Halblast proportional zu. Unterhalb reduziert er sich weniger stark und geht dann in den Leerlaufstrom I0 über.(Konstante Magnetisierung)

P Die Leistung P1 nimmt ausgehend von der Leerlaufleistung etwa proportional mit der Belastung zu. Im Überlastbereich steigt sie etwasstärker an, weil die Verluste stärker zunehmen.

Da vor allem der Wirkungsgrad η und der Leistungsfaktor cosϕ bezüglich derWirtschaftlichkeit eines Antriebes eine grosse Bedeutung haben, ist die Kenntnisder Teillastwerte wichtig. Beide bestimmen die Wirtschaftlichkeit im Betrieb. ImTeillastbereich sinken beide ab. Zusätzlich ist bei langsamlaufenden(hochpoligen) Motoren der Leistungsfaktor cosϕ kleiner als bei schnellaufenden.

Es sind deshalb knapp dimensionierte und schnellaufende Motoren nicht nur inder Anschaffung billiger, sie kosten im Betrieb auch weniger.

1.11

2.1

2 Betriebsarten elektrischer AntriebeNormalerweise sind Drehstromasynchronmotoren für Dauerbetrieb mit derBemessungsleistung ausgelegt; Ausnahmen sind zum Beispiel Stellantriebe. Einerheblicher Anteil der Antriebe wird jedoch mit einer vom Dauerbetriebabweichenden Betriebsart gefahren. So werden manche Motoren nur kurzzeitigeingschaltet, andere laufen zwar den ganzen Tag, werden aber nur kurzzeitigbelastet und viele Antriebe haben eine grosse Schwungmasse zu beschleunigenoder werden im Schaltbetrieb gefahren und elektrisch abgebremst.Bei allen diesen unterschiedlichen Betriebsarten erwärmt sich ein Motor andersals im Dauerbetrieb. Damit die Motorwicklung und der Läufer keine schädlichenÜbertemperaturen erreichen, muss diesen speziellen ErwärmungsvorgängenRechnung getragen werden.

2.1 Hauptbetriebsarten S1 … S9Zur Projektierung benötigt man möglichst genaue Angaben über die Betriebsart,da die Leistungsausbeute stark von der Dauerbetriebsleistung abweichen kann.Die Anzahl der möglichen Betriebsarten ist dabei theoretisch unbegrenzt. Damiteine Verständigung zwischen Hersteller und Betreiber möglich ist, wurden inIEC 34 neun Hauptbetriebsarten S1 bis S9 näher beschrieben. Damit können fastalle in der Praxis vorkommenden Fälle einer dieser Betriebsarten zugeordnetwerden:

Der Motorhersteller muss die Belastbarkeit des Motors in einer dieser definiertenBetriebsarten festsetzen und wo notwendig die Werte für die Betriebsdauer, dieBelastungszeit oder die relative Einschaltdauer angeben.


• S1: Dauerbetrieb• S2: Kurzzeitbetrieb• S3: Aussetzbetrieb ohne Einfluss des Anlaufvorganges• S4: Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorganges• S5: Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorganges und der

elektrischen Bremsung• S6: Durchlaufbetrieb mit Aussetzbelastung• S7: Ununterbrochener Betrieb mit Anlauf und elektrischer Bremsung• S8: Ununterbrochener Betrieb mit periodischer Last- Drehzahländerung• S9: Ununterbrochener Betrieb mit nichtperiodischer Last- und

Drehzahländerung

In den Beschreibungen und Diagrammen für die Betriebsarten S1 bis S9 werdendie folgenden Formelzeichen verwendet:

Die Drehzahl n wird bei den Motordaten meist in U/min angegeben. Auf denLeistungsschildern steht meist die Bemessungsdrehzahl nn bei Vollast, inKatalogen aber auch die synchrone bzw. Bemessungsdrehzahl.

Die Betriebsarten S1 bis S9 decken in der Praxis viele vorkommendeEinsatzfälle ab. Kann die Art der Belastung keiner der definierten Betriebsartenzugeordnet werden, so ist dem Hersteller ein genauer Spielverlauf anzugeben,oder es ist eine Betriebsart zu wählen, die eine mindest so schwere Belastungdarstellt wie der wirkliche Betriebsfall.

2.1.1 S1: DauerbetriebEin Betrieb mit konstantem Belastungszustand gemäss Bild 2.2.1, dessen Dauerausreicht, um den thermischen Beharrungszustand zu erreichen. DieBelastungszeit tB ist viel grösser als die thermische Zeitkonstante T

Bild 2.2.1 Betriebsart S1: Dauerbetrieb


2.2

P = Leistung in kW tBr = Bremszeit in s, minPv = Verluste in kW tL = Leerlaufzeit, s, min oder hn = Drehzahl in min-1 tr = Relative Einschaltdauer (%)ϑ = Temperatur in °C tS = Spieldauer in s, min oder hϑmax = Maximale Temp. in °C tSt = Stillstandszeit in s, min oder ht = Zeit in s, min oder h T = Thermische Zeitkonstante in mintB = Belastungszeit tA = Anlaufzeit in s, minJM = Trägheitsmoment des Motors in kgm2

Jext = Trägheitsmoment der Last auf die Motorwelle bezogen in kgm2

Kennzeichnung S1: Angabe der Leistung in kW, ev. mit demKurzzeichen S1.

2.1.2 S2: KurzzeitbetriebEin Betrieb mit konstantem Belastungszustand gemäss Bild 2.3.1, der aber nichtso lange dauert, dass der thermische Beharrungszustand erreicht wird, und miteiner nachfolgenden Pause, die so lange besteht, bis die Maschinentemperaturnicht mehr als 2 K von der Temperatur des Kühlmittels abweicht.

Man spricht von Kurzzeitbetrieb, wenn die Belastungszeit tB ≤ 3 T (thermischeZeitkonstante) ist. Gegenüber der Dauerleistung kann der Motor während derBelastungszeit mehr Leistung abgeben. Details sind beim Hersteller zu erfragen.

Bild 2.3.1 Betriebsart S2: Kurzzeitbetrieb

2.3


Kennzeichnung S2: durch die Angabe der Betriebsdauer tBund der Leistung P in kW- Beispiel: S2: 10 min, 11 kW.

- Für die Betriebsdauer tB werden die Zeiten 10, 30, 60, 90 min empfohlen.


2.4

2.1.3 S3: Aussetzbetrieb ohne Einfluss des AnlaufvorgangesEin Betrieb gemäss Bild 2.4.1, der sich aus einer Folge von gleichartigenSpielen mit der Spieldauer tS mit konstanter Belastung und einer Pausezusammensetzt, deren Dauer im allgemeinen so kurz ist, dass der thermischeBeharrungszustand nicht erreicht wird und der Anlaufstrom die Erwärmungnicht merklich beeinflusst. Dies ist der Fall, wenn die Betriebszeit tB ≤ 3 T ist.Die Leistung darf während dieser Zeit höher als die Dauerleistung des Motorssein. Details sind beim Hersteller zu erfragen.

Relative Einschaltdauer

tr = · 100

Bild 2.4.1 Betriebsart S3: Aussetzbetrieb ohne Einfluss des Anlassvorganges

Werden für die Spieldauer keine Angabe gemacht, so gilt tS = 10 min.Empfohlene Werte für die relative Einschaltdauer tr sind 15, 25, 40, und 60%

Relative Einschaltdauer tr = · 100

tB Belastungsdauer in s, min ts = Spieldauer in s, mintr = Relative Einschaltdauer in %

Kennzeichnung: durch die Angabe der Belastungsdauer tB, der Spieldauer tS und der Leistung P, aber auch durch die relative Einschaltdauer tr in % und durch die Spieldauer.- Beispiel: S3: 15 min / 60 min, 11 kW

- Beispiel: S3: 25%, 60 min, 11 kW

tB

tB + tS

tBtB + tS


2.1.4 S4: Aussetzbetrieb mit Einfluss des AnlaufvorgangesEin Betrieb gemäss Bild 2.5.1, der sich aus einer Folge gleichartiger Spiele mitder Spieldauer tS zusammensetzt, von denen jedes eine merkliche Anlaufzeit tA ,eine Zeit tB mit konstanter Belastung und eine Pause tSt umfasst.


tr = · 100

Bild 2.5.1 Betriebsart S4: Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorganges

Dabei ist zu beachten, ob der Motor am Ende der Spieldauer unter der Wirkungder Last stehen bleibt, oder ob er durch eine mechanische Bremse zum Stillstandkommt. Läuft der Motor nach dem Ausschalten so lange weiter, dass sich dieWicklungen nennenswert abkühlen, so ist dies anzugeben. Bei keiner Angabe,wird angenommen, dass er in sehr kurzer Zeit zum Stillstand kommt.

Bei dieser Betriebsart geht man von der zulässigen Anzahl Leerschaltungen Z0aus und berechnet dann die zulässige Schalthäufigkeit entsprechend demLastmoment, einer eventuellen Zusatzmasse und einem eventuell vorhandenenSchwungmoment. Gegenüber dem Dauerbetrieb S1 ist eine Leistungsreduktion

2.5

Relative Einschaltdauer tr = = · 100

tA = Anlaufzeit s, min ts = Spieldauer in s, mintr = Relative Einschaltdauer in % tB = Belastungszeit in s, mintSt = Stillstandszeit in s, min

Kennzeichnung: durch die relative Einschaltdauer tr in %, derAnzahl ZL Anläufe pro Stunde und der Leistung P- Beispiel: S4: 25%, 500 Anläufe pro Stunde, 11 kW

- Dazu kommen Angaben über die Trägheitsmomente des Motors und der

Last JM und Jext während des Anlaufs.

tA + tB

tS

(tA + tB) · 100

tA + tB + tSt

tA + tBtA + tB + tSt

2.1.5 S5: Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorganges und der elektrischen Bremsung

Ein Betrieb gemäss Bild 2.6.1, der sich aus einer Folge gleichartiger Spiele mitder Spieldauer tS zusammensetzt, von denen jedes eine merkliche Anlaufzeit tA,eine Zeit tB mit konstanter Belastung P und eine Zeit tB schneller elektrischerBremsung umfasst. Es tritt keine Pause auf.


tr = · 100

Bild 2.6.1 Betriebsart S5: Aussetzbetrieb mit Einfluss der Anlaufvorganges und der elektrischen Bremsung.

Gegenüber dem Dauerbtrieb S1 ist bei dieser Betriebsart eineLeistungsreduzierung notwendig. Details sind beim Hersteller zu erfragen.


2.6

Relative Einschaltdauer tr = = · 100

tA = Anlaufzeit s, min tSt = Stillstandszeit in s, mintB = Belastungszeit in s, min tr = Relative Einschaltdauer in %ts = Spieldauer in s, min tBr = Bremszeit in s, min

Kennzeichnung: ähnlich wie S4, aber zusätzlich mit Angabe der Bremsart (Gegenstrom, generatorisches Bremsen usw.)gekennzeichnet.- In Zweifelsfällen und wenn die Zeiten des Anlaufs und der Bremsung relativ

zur Bemessungsbetriebszeit gross sind, sollen alle drei Zeitabschnitte gesondert angegeben werden.

- Beispiel: S5: 25%, 500 Spiele pro Stunde, Bremsung durch Gegenstrombremsen, 11 kW.

- Zusätzliche Angaben über die Trägheitsmomente des Motors und der Last JMund Jext bei Anlauf und Bremsung.

tA + tB + tBr

tS

(tA + tB+ tBr) · 100

tA + tB+ tBr + tSt

tA + tB+ tBr

tA + tB + tBr + tSt

2.1.6 S6: Durchlaufbetrieb mit AussetzbelastungEin Betrieb gemäss Bild 2.71., der sich aus einer Folge gleichartiger Spiele mitder Spieldauer tS zusammensetzt, von denen jedes eine Zeit mit konstanterBelastung tB und eine Leerlaufzeit tL umfasst, wobei keine Pause auftritt. Nachder Betriebszeit tB dreht der Motor im Leerlauf weiter und kühlt sich wegendem Leerlaufstrom nicht auf die Kühlmitteltemperatur ab, wird aber währendder Leerlaufzeit tL belüftet. Dieser Betriebszustand ergibt sich, wenn tB ≤ T ist.


tr = · 100

Bild 2.7.1 Betriebsart S6: Durchlaufbetrieb mit Aussetzbelastung

Gegenüber dem Dauerbetrieb S1 darf die Leistung während der Betriebszeit tBgrösser gewählt werden. Details sind beim Hersteller zu erfragen.

2.7


Relative Einschaltdauer tr = · 100 = · 100

tB = Belastungszeit in s, min tL = Leerlaufzeit in s, mints = Spieldauer in s, min tr = Relative Einschaltdauer in %

Kennzeichnung: wie bei S3, durch die Einschaltdauer tB und dieSpieldauer tS, sowie der Leistung P- Beispiel: S6: 25%, 40 min, 11 kW- Werden keine Angaben über die Spieldauer gemacht, so gelten für tS = 10 min.

tB

tS

tB

tB+ tL

tBtB + tL

2.1.7 S7: Ununterbrochener Betrieb mit Anlauf und elektrischer Bremsung

Ein Betrieb gemäss Bild 2.8.1, der sich aus einer Folge gleichartiger Spiele mitder Spieldauer tS zusammensetzt, von denen jedes eine merkliche Anlaufzeit tA,eine Zeit tB mit konstanter Belastung P und eine Zeit tBr mit schnellerelektrischer Bremsung umfasst. Es tritt keine Pause auf.

Relative Einschaltdauer tr = 1

Bild 2.8.1 Betriebsart S7: Ununterbrochener Betrieb mit Anlauf und elektrischer Bremsung

Gegenüber dem Dauerbetrieb S1 ist bei dieser Betiebsart eineLeistungsreduzierung notwendig. Details sind beim Hersteller zu erfragen.


2.8

Relative Einschaltdauer tr = 1

Kennzeichnung: ähnlich wie S4, ohne Angabe der relativenEinschaltdauer tr, aber zusätzlich mit Angabe der Bremsart(Gegenstrom, generatorisches Bremsen usw.) gekennzeichnet.

- In Zweifelsfällen und wenn die Zeiten des Anlaufs und der Bremsung relativzur Bemessungsbetriebszeit genügend gross sind, sollen alle drei Zeitabschnitte gesondert angegeben werden. zum Beispiel:

- Beispiel: S7: 500 Spiele pro Stunde, Bremsung durch Gegenstrombremsen, 11 kW. - Zusätzliche Angaben über die Trägheitsmomente des Motors und der Last JM

und Jext bei Anlauf und Bremsung.

2.1.8 S8: Ununterbrochener Betrieb mit periodischer Last- Drehzahländerung

Ein Betrieb gemäss Bild 2.10.1, der sich aus einer Folge gleichartiger Spiele mitder Spieldauer tS zusammensetzt; jedes dieser Spiele umfasst eine Zeit mitkonstante Belastung und bestimmter Drehzahl; anschliessend eine oder mehrereZeiten anderer Belastung, denen unterschiedliche Drehzahlen, zum Beispieldurch Polumschaltung, entsprechen. Es tritt keine Pause und keine Leerlaufzeit auf.

Diese Betriebsart ist nicht mit einer einfachen Formel zu erfassen. Es muss einepassende Dauerbelastung als Bezugsgrösse für das Lastspiel zugrunde gelegtwerden.

2.9


Relative Einschaltdauer tr1 = = · 100

RelativeEinschaltdauer tr2 = = · 100

RelativeEinschaltdauer tr3 = = · 100

tA = Anlaufzeit in s, min ts = Spieldauer in s, mintB = Belastungszeit in s, min tr = Rel. Einschaltdauer in %tBr = Bremszeit in s, min

Kennzeichnung: ähnlich wie S5, aber für jede Drehzahl die Angabender Zeiten, in denen diese Drehzahlen innerhalb der Spieldauerauftreten.- Beispiel: S8: 30%, 3000 min-1, 10 min, 1500 min-1 20 min, 2 Spiele pro

Stunde, 11 kW. - Zusätzliche Angaben über die Trägheitsmomente des Motors und der Last JM

und Jext bei Anlauf und Bremsung.

tA + tB1

tS

(tA + tB1) · 100

tA + tB1 + tBr1 + tB2 + tBr2 + tB3

(tBr1 + tB2) · 100


(tBr2 + tB3) · 100


tBr1 + tB2

tS

tBr2 + tB3

tS

Bild 2.10.1 Betriebsart S8: Ununterbrochener Betrieb mit periodischer Drehzahländerung

Relative Einschaltdauer tr1 = · 100



Gegenüber dem Dauerbetrieb S1 ist bei dieser Betriebsart eineLeistungsreduktion notwendig. Die genaue Berechnung ist sehr aufwendig undist nur mit detaillierten Angaben des Herstellers möglich.


2.10

tA + tB1

tA + tB1 + tBr1 + tB2 + tBr2+ tB3

tBr1 + tB2


tBr2 + tB3



2.1.9 S9: Ununterbrochener Betrieb mit nichtperiodischer Last- und Drehzahländerung

Dies ist ein Betrieb gemäss Bild 2.11.1, bei dem sich im allgemeinen dieBelastung und die Drehzahl innerhalb des zulässigen Betriebsbereichesnichtperiodisch ändert. Es können häufig Belastungsspitzen auftreten, die weitüber der Bemessungsleistung liegen können. Die Überlast lässt sich durch einegezielte Überdimensionierung berücksichtigen.Diese Betriebsart ist nicht mit einer einfachen Formel zu erfassen. Es muss einepassende Dauerbelastung als Bezugsgrösse für das Lastspiel zugrunde gelegtwerden.

Bild 2.11.1 Betriebsart S9: Ununterbrochener Betrieb, mit nichtperiodischerLast- und Drehzahländerung

Gegenüber Dauerbetrieb S1 kann die äquivalente Dauerleistung der BetriebsartS9 je nach Lastverlauf und Länge der Pausen tiefer, gleich oder sogar höhersein.

2.11

Kennzeichnung: Hersteller und Benutzer vereinbaren in der Regelanstelle der variierenden Last bei verschiedenen Drehzahlen undunregelmässigem Betrieb inkl. Überlast eine äquivalente ("equ")DauerleistungBeispiel: S9, 11 kW equ 740 min-1 ; 22 kW equ 1460 min-1

2.2. Mittelwerte von Leistung, Drehmoment und StromIn vielen Fällen weicht der praktische Einsatz eines Antriebes insofern von denBetriebsarten S1 bis S9 ab, weil die geforderte Leistung P bzw. dasDrehmoment ML und damit der Strom I nicht konstant sind. Weil die VerlustePv quadratisch mit der Belastung ändern, kann man die einzelnen Werte(Leistungen, Drehmomente, Ströme) durch eine mittlere Leistung Pmi ersetzen.

Bild 2.12.1 Bestimmen der mittleren Leistung Pm , des mittleren Drehmomentes Mmi und des mittleren Stromes Imi (Ieff).

Mittlere Leistung Pmi =

Diese bestimmt man durch eine quadratische Umrechnung, gemäss Bild 2.12.1,mit den einzelnen Leistungen und den zugehörigen wirksamen Zeiten. Dashierbei auftretende maximale Moment darf allerdings 80% des Kippmomentesbeim Drehstromasynchronmotor nicht übersteigen. Diese Art derMittelwertsbildung ist bei S2 allerdings nicht möglich.


2.12

P1 · t1 + P2 · t2 + P3 · t3t1 + t2 + t3

2 2 2


Wenn sich die Leistungen um mehr als den Faktor 2 unterscheiden, so wirddiese Mittelwertsbildung zu ungenau, es muss dann mit dem mittleren Stromgerechnet werden, den man der Kennlinie des Motors entnimmt.

Beispiel: Bei einem Industrial-Handling-Automaten, werden für eine Spieldauervon 10 min die folgenden Belastungsspiele ermittelt:

6 kW während 3 min, 3 kW während 2 min, 7 kW während 2 min, 2 kWwährend 3 min

Wie gross ist die mittlere Belastung?

Pmi = = = 4,85 kW

2.13

P1 · t1 + P2 · t2 + P3 · t3 + ...

t1 + t2 + t3 + ...

2 2 26 · 3 + 3 · 2 + 7 · 2 + 2 · 3

3 + 2 + 2 + 3

2 2 2 2

Mittlere Leistung Pmi =

Mittleres Drehmoment Mmi=

Mittlerer Strom (Ieff) =

P1 · t1 + P2 · t2 + P3 · t3 + ...

t1 + t2 + t3 + ...

2 2 2

M · t1 + M2 · t2 + M3 · t3 + ...

t1 + t2 + t3 + ...

2 2 2

I1 · t1 + I2 · t2 + I3 · t3 + ...

t1 + t2 + t3 + ...

2 2 2

2.3 Motorleistung und BetriebsartenDie Betriebsarten S1 bis S9 können in zwei Gruppen eingeteilt werden, wobeigegenüber S1 eine Erhöhung bzw. eine Verminderung der Bemessungsleistungmöglich, bzw. notwendig ist:

2.3.1 Leistungserhöhung gegenüber S1Da bei den Betriebsarten S2, S3 und S6 die Maschine nicht dauernd mit Vollast,sondern nur blockweise betrieben wird und sie sich während der StillstandzeittSt wieder abkühlen kann, darf sie mechanisch und thermisch während derBelastungszeit tB höher belastet werden. Bei der Bestimmung der zulässigenErhöhung spielen die folgenden Einflussgrössen eine wichtige Rolle:

Die Berechnung ist zum Teil nicht ganz einfach. Viele Hersteller vonDrehstromasynchronmotoren bieten deshalb auch Computerprogramme zurBerechnung von Antrieben an. Mit diesen kann man rasch und sicher denrichtigen Antrieb finden.


2.14

Leistungserhöhung gegenüber S1: ⇒ bei S2, S3 und S6Leistungsverminderung gegenüber S1: ⇒ bei S4, S5, S7 und S8

Pn Bemessungsleistung des Motors in kWPmech Mechanische Grenzleistung des Motors in kWPth Thermische Grenzleistung des Motors in kWMn Bemessungsmoment in NmMK Kippmoment in NmT Thermische Zeitkonstante in min (Tabelle 2.18.1) k0 Verhältn. der Äquivalentverluste Leerlauf/Last (Tabelle 2.18.2)tr Relative Einschaltdauer in %h Verhältn. der Wärmeabgabe belüftet/unbelüftet(Tabelle 2.19.1)z0 Leerumschalthäufigkeit in h-1 (Tabelle 2.19.2)

2.3.2 Mechanische GrenzleistungBei der Leistungserhöhung bei den Betriebsarten S2, S3 und S6 ist diemechanische Grenzleistung Pmech zu beachten. In den Normen steht:"Mehrphasen- Induktionsmotoren müssen unabhängig von ihrer Betriebsart undAusführung 15 s bei Bemessungsspannung und Netzfrequenz bis zum 1,6-fachen Bemessungsmoment überlastbar sein." Die Katalogangaben sind aber mitToleranzen bis zu -10% behaftet, so dass das Kippmoment MK bezüglich desneuen erhöhten Moment Mmax um den Faktor ≤1,76 höher sein sollte. Bezüglichder Katalogdaten lässt sich deshalb die mechanische Grenzleistung wie folgtdefinieren:

2.3.3 Leistungsverminderung gegenüber S1Bei den Betriebsarten S4, S5, S7, S8 und S9 ist eine Reduktion derMotorleistung notwendig, da in allen diesen Fällen die Anlaufverluste bzw.Bremsverluste eine wesentliche Rolle spielen.

Die Berechnungsmethode basiert auf der Anzahl der zulässigenLeerumschalthäufigkeit z0 nach Tabelle 2.19.2. Dies ist die maximal zulässigestündliche Umschaltzahl, ohne dass der Motor zu warm wird. Die maximalzulässige Schalthäufigkeit z für einen bestimmten Belastungszustand ergibt sichdann über Reduktionsfaktoren wie Trägheitsfaktor, Gegenmomentfaktor, undLastfaktor.

Trägheitsfaktor FI (factor of inertia), der die äusseren Trägheitsmomente wieMotorträgheitsmoment JMot und zusätzliche Trägheitsmomente Jzusberücksichtigt:

2.15


Mechanische Grenzleistung Pmech ≤ ·

Pn = Bemessungsleistung in WMn = Bemessungsmoment in NmMk = Kippmoment in Nm

MK

Mn

Pn

1,76

Trägheitsfaktor FI =

JMot = Motorträgheitsmoment in kgm2

Jzus = Zusätzliches Trägheitsmoment in kgm2

JMot + Jzus

JMot

Sind die Drehzahlen von Arbeitsmaschine und Motor nicht identisch, so müssenalle Trägheitsmomente J auf die Motordrehzahl nMot umgerechnet werden:

Gegenmomentfaktor kg, der ein während dem Hochlauf vorhandenes mittleresLastmoment ML berücksichtigt, das vom mittleren Motormoment MMotüberwunden werden muss:

Werden Getriebe mit dem Getriebewirkungsgrad ηG eingesetzt und sind damitverschiedene Drehzahlen vorhanden, so müssen die Lastmomente derArbeitsmaschine auf die Motordrehzahl nn umgerechnet werden:


2.16

Umgerechnete zusätzliche Trägheitsmomente Jzus =

J = Trägheitsmoment in kgm2

n = Drehzahl in min-1

J1 · n21 + J2 · n2

2 +...

n2Mot

Gegenmomentfaktor kg = 1 -

ML = Lastmoment MMot = Motormoment

ML

MMot

Umgerechnete Lastmomente ML = + + ...

M = Drehmoment in Nm n = Drehzahl in min-1

η = Getriebewirkungsgrad

ML1 · n1

ηG1 · nn

ML2 · n2

ηG2 · nn

Wegen des Einfluss des Anlaufvorgangesbezüglich der Erwärmung, ist dieBemessungsleistung Pn des Motors grösser zuwählen, als es die eigentliche BedarfsleistungP verlangt.

tA = Anlaufzeit, tB = Belastungszeit,tSt = Stillstandzeit, tS = Spieldauer

Bild 2.17.1 Betriebsart S4 für den Aussetzbetrieb eines automatischenBearbeitungszentrums.

Wegen dem Einfluss des Anlauf- undBremsvorganges bezüglich der Erwärmung, ist die Bemessungsleistung Pndes Motors grösser zu wählen, als dieeigentliche Bedarfsleistung P verlangt.

tA = Anlaufzeit, tB = Belastungszeit,tBr = Bremszeit, tSt = Stillstandzeit,tS = Spieldauer

Bild 2.17.2 Betriebsart S5 für den Aussetzbetrieb einer Kreissäge.

0 0.5 1 n/ns

Bild 2.17.3 Typischer Streubereich der Drehmomentenkennlinie fürDrehstromasynchronmotoren

2.17


Lastfaktor kL, mit dem die Last während der Betriebszeit berücksichtigt wird. InFällen , wo die Belastungskennlinie nicht exakt bekannt ist gilt:

Tabelle 2.18.1 Typische Erwärmungszeitkonstante T in min fürAsynchronmotoren

Tabelle 2.18.2 Typisches Verhältnis der Äquivalentverluste ko im Leerlauf zu denen im Betrieb


2.18

Lastfaktor kL = 1 - (P / Pn)2 ·

kL= LastfaktorP = Verlangte Leistung in kWPn = Bemessungsleistung des Motorsk0 = Verhältnis der Äquivalentverluste Leerlauf/Last (Tabelle 2.18.2)h = Verhältnis der Wärmeabgabe belüftet/unbelüftet (Tabelle 2.19.1)tr = Relative Einschaltdauer (siehe Betriebsarten S1...S9)

(1 - ko)tr

(1 - ko)tr + (1 - tr)h

Pn Bemessungs- 2pol. 4pol. 6pol. 8pol.leistung

kW min min min min0,09 … 1,1 7 … 10 11 … 10 12 —1,5 … 3,0 5 … 8 9 … 12 12 12 … 16

4,0 14 11 13 125,5 … 18,5 11 … 15 10 … 19 13 … 20 10 … 1422 … 45 25 … 35 30 … 40 40 … 50 45 … 5555 … 90 40 45 … 50 50 … 55 55 … 65

110 … 132 45 … 50 55 60 75


kW

0,09...1,5 0,35 0,45 0,5 0,5

2,2...18,5 0,25 0,25 0,3 0,3

22

30...55 0,25 0,3 0,3 0,3

75...160 0,35 0,35 0,3 0,3

Die Äquivalentverluste sind die Summe der zur Wicklungserwärmungbeitragenden Anteile der Einzelverluste wie zum Beispiel Kupfer-, Eisen- undLäuferverluste.

Tabelle 2.19.1 Typisches Verhältnis h der Wärmeabgabe des unbelüfteten zumbelüfteten Motor.

Tabelle 2.19.2 Typische Leerumschalthäufigkeit z0 in h-1

2.19



kW

0,09...18,5 0,4 0,45 0,5 0,5

22...500 0,2 0,3 0,3 0,3

Baugrösse 2pol. 4pol. 6pol. 8pol.

56 2 300 5 000 8 000 -63 3 000 8 600 8 000 - 71 4 000 6900 6 000 7 00080 1 700 5 000 5 500 8 000

90S 2 000 3 000 7 900 11 00090L 2 000 2 500 6 200 11 000100L 1 000 4 000 5 100 10 000112M 720 1700 3 200 2 500132S 450 850 2 200 2 800132M - 1000 1 700 3 000160M 400 900 1 700 2 300160L 400 900 1 600 2 300180M 200 600 - -180L - 550 800 1 200200L 150 400 620 900225S - 280 - 700225M 90 270 450 670250M 60 200 320 500280S 41 130 260 400280M 39 120 240 370315S 34 100 180 300315M 32 90 170 269

3 Charakteristische Lastmomente

Motoren sind dann richtig dimensioniert, wenn sie im Mittel mit demBemessungsmoment (Nennmoment) Mn bei der Bemessungsdrehzahl(Nenndrehzahl) nn betrieben werden. Sie geben dann auch dieBemessungsleistung (Nennleistung) Pn ab und nehmen den Bemessungsstrom(Nennstrom) In auf. Den Drehmomentverlauf der meisten Arbeitsmaschinenkann man typischen und damit charakteristischen Kennlinien zuordnen, was dieAntriebsprojektierung enorm erleichtert.Unter Last oder Arbeitsmaschinen versteht man maschinenbauliche Geräte, diezur Bearbeitung oder Umformung von Werkstoffen dienen wieWerkzeugmaschinen, Pressen, Kalander, Zentrifugen usw., aber auchFörderanlagen wie Krane, Transportbänder, und Fahrantriebe. Im weiteren kannman Pumpen und Lüfter zu einer Gruppe zusammenfassen. Bei sehr grossen undkomplexen Maschinen wie zum Beispiel Walzwerken oder Papiermaschinen teiltman die Anlage in Teile auf und betrachtet die einzelnen Antriebe gesondert.Bei der Antriebsprojektierung ist im allgemeinen nicht auf die Feinstruktur derArbeitsmaschine Rücksicht zu nehmen. Meist lässt sie sich genau genug durchdie Momentenkennlinie ML = f(n) oder ML = f(t), den zeitlichenDrehzahlverlauf n = f(t), durch maximal zulässige Beschleunigung/Verzögerungund das gesamte Trägheitsmoment, bezogen auf die Antriebswelle, beschreiben.Die Kennlinien unterscheiden sich meist stark zwischen Leerlauf und Vollast.Auch das Trägheitsmoment kann, je nach dem ob sich viel oder wenigArbeitsgut in der Maschine befindet, varieren.Für die Antriebsdimensionierung sowie für die Nachprüfung von Anlass-und Bremsvorgängen ist die Kenntnis des Verlaufs des Lastmomentes ML alsFunktion der Drehzahl äusserst wichtig.Jede Arbeitsmaschine setzt dem Antrieb ein bestimmtes Moment entgegen, dasmeist von der Drehzahl abhängig ist. Es wird auch als Beharrungsmomentbezeichnet und ist im wesentlichen durch den technologischen Prozessfestgelegt. Es wirkt in der Regel der Bewegungsrichtung entgegen, ausser beiHubwerken bei der Senkbewegung, wo es in Bewegungsrichtung wirksam ist.Dazu kommen noch Beschleunigungs- und Verzögerungsmomente beiDrehzahländerungen, die durch das Trägheitsmoment bestimmt werden.Der Verlauf des Lastmomentes bei einem Antrieb ist oft typisch und kanndeshalb mit bestimmten Merkmalen beschrieben werden. Man spricht von derKlassifikation der Arbeitsmaschinen.


Eine Übersicht über die vielgestaltigen Antriebsmaschinen ist nur möglich, wennman sie in typische Lastkennlinien bzw. Leistungskurven gemäss Bild 3.2.1 undBild 3.4.1 einteilt. Dabei ist zu beachten, dass zum Beispiel Gebläse undVerdichter unterschiedliche Kennlinien zeigen, je nachdem ob sie unter Vollastoder entlastet gefahren werden. Sinnvoller ist es, sie entlastet anzufahren.

Bild 3.2.1 Drehmoment- respektive Leistungsverlauf für typische Lasten alsFunktion der Drehzahl

a M ≈ konst. ⇒ P proportional nb M ≈ proportional n, ⇒ P proportional n2

c M ≈ proportional n2 ⇒ P proportional n3

d M ≈ proportional 1/n ⇒ P ≈ konst.

In vielen Fällen ist das mittlere Lastmoment MLm wichtig. Bei bekanntemMomentenverlauf kann es gemäss dem Moment Mn nach beendetem Hochlaufbestimmt werden.

3.1 Drehzahlabhängige LastmomenteAus den physikalischen Grundlagen der Antriebstechnik ist bekannt, dass diemechanische Leistung P eines Antriebes vom Drehmoment M und der Drehzahl n bzw. der Winkelgeschwindigkeit ω abhängig ist:

3.1.1 Das Drehmoment bleibt konstantDas Drehmoment der Arbeitsmaschine ergibt sich im wesentliche aus dermechanischen Reibung, die in weitem Drehzahlbereich gemäss Bild 3.2.1 akonstant bleibt. Beim Starten ist oft eine erhöhte Haftreibung zu überwinden.


3 . 2


3 . 3

Beispiele für mechanische Lasten mit konstantem Drehmoment sind:

- Hebezeuge, Aufzüge, Winden- Werkzeugmaschinen bei konstanter Schnittkraft- Förderbänder , Vorschubantriebe- Mühlen ohne Lüfterwirkung- Kolbenpumpen und Verdichter bei konstantem Druck- Walzwerke- zT. auch Scheren und Stanzen- Hobelmaschinen- Lager, Getriebe

Das mittlere Lastmoment MLm entspricht bei diesen Antrieben etwa demBemessungsmoment MN der Last. Damit lässt sich bei diesen Antrieben durcheine Reduzierung der Drehzahl n die Leistung P proportional verkleinern. EineHalbierung der Drehzahl ergibt eine Halbierung der Leistung.

3.1.2 Das Drehmoment steigt proportional zur Drehzahl Dieser Zusammenhang entsteht gemäss Bild 3.2.1 b zum Beispiel beigeschwindigkeitsproportionaler Reibung (Viskosereibung) beim Walzen undBearbeiten von Papier, Textil oder Gummifliesen.

Beispiele sind:

- Kalander, Extruder- Glätten von Papier und Geweben- Wirbelstrombremsen

Das mittlere Lastmoment MLm beträgt bei diesen Antrieben etwa die Hälfte desBemessungsmomentes Mn / 2. Bei einer Reduzierung der Drehzahl n geht dieLeistung P quadratisch dazu zurück. Bei einer Halbierung der Drehzahl nbeträgt die Leistung P nur noch ein Viertel.

P = M · 2 π · n = M · ωBei konstantem Drehmoment M ist die Leistung P proportional vonder Drehzahl n abhängigP ~ n

Bei proportional ansteigendem Drehmoment M nimmt die Leistung P quadratisch mit der Drehzahl n zu:

P ~ n2

Bild 3.4.1 Typische Gegenmomentkennlinien von Arbeitsmaschinen mit Anlauf

A Diverse Antriebea Aufzüge, Hub, Vorschubantriebeb Werkzeugmaschinen spanabhebendc Fahrzeuge mit kleiner, c' mit hoher Geschwindigkeitd Extrudere Kalander

B Verdichterf Kolbenverdichter mit Gegendruck, f' entlastetg Rotationsverdichter mit Gegendruck, g' entlasteth Turboverdichter

C Gebläsei Gebläse oder Zentrifugalpumpen mit Gegendruck, i' Gebläse entlastetk Drehkolbengebläse, k' entlastet

D Mühlenl Kugelmühlem Schleudermühlen Hammermühleo Prallmühlen


3.1.3 Das Drehmoment steigt quadratisch zur DrehzahlDieser Zusammenhang ergibt sich gemäss Bild 3.2.1 c vorwiegend, wenn Gas-bzw. Flüssigkeitsreibung vorliegt.

Beispiele sind:

- Lüfter und Ventilatoren aller Art- Propeller- Kolbenmaschinen mit Förderung in ein offenes Rohrnetz- Kreiselpumpen- Rührwerke, Zentrifugen- Fahrzeuge

Das mittlere Lastmoment MLm beträgt etwa einen Drittel desBemessungsmomentes: Mn / 3. Weil das Drehmoment M mit steigenderDrehzahl n quadratisch ansteigt, ist die Leistung P in der dritten Potenz von derDrehzahl abhängig. Eine Halbierung der Drehzahl erfordert nur noch einenAchtel der Leistung.Dieser Zusammenhang ist zum Beispiel bei Pumpen- und Ventilatorantrieben fürHeizungs- und Lüftungsantrieben wichtig. Statt die Fördermenge mit einemStauschieber oder einer Drosselklappe zu reduzieren, ist es besser, die Drehzahldes Antriebsmotors zu regeln.

3.1.4 Das Drehmoment sinkt umgekehrt proportional zur Drehzahl

Mit zunehmender Drehzahl sinkt gemäss Bild 3.2.1. d das Drehmoment.Beispiele sind:

- Plandrehmaschinen- Rundschälmaschinen- Wickelmaschinen - Haspeln

Das mittlere Lastmoment ML ist nur grafisch zu bestimmen.

3 . 5


Bei quadratisch ansteigendem Drehmoment M steigt die Leistung Pmit der dritten Potenz der Drehzahl nP ~ n3

Nimmt das Drehmoment M umgekehrt proportional zur Drehzahl n ab, so bleibt die Leistung P konstant.

P ≈ konst.

3.2 Winkelabhängige LastmomenteDiese Verläufe treten bei Maschinen mit Hin- und Herbewegungen auf, zumBeispiel bei Tischantrieben. Auch bei Kolbenmaschinen (Kompressoren beiWärmepumpen) ergeben sich solche Verläufe, weil die Belastung stossweiseerfolgt. Der aufgenommene elektrische Strom des Antriebsmotors folgt diesemBewegungstakt und kann im Netz einen rhythmisch schwankendenSpannungsabfall erzeugen. Bei der Planung solcher Antriebe erstellt man meistein sogenanntes Drehkraftdiagramm.

3.3 Wegabhängige LastmomenteDiese sind zum Beispiel bei Fahrzeugen typisch, oder bei Tischantrieben,Seilbahnen und Förderbänder.

3.4 Zeitabhängige LastmomenteDiese Antrieb werden zum Beispiel stossweise oder zu bestimmten Zeitpunktenbelastet. Beispiele sind:

- Stanzen- Hebezeuge- Förderanlagen- Steinbrecher- Kugelmühlen

3.5 LosbrechmomentEin wichtiger Begriff ist das sogenannte Losbrech- oder Stillstandsmoment fürdas die Stillstandsreibung verantwortlich ist. Damit ein Antrieb sicher startenkann, sollte sein Wert möglichst genau bekannt sein und das AnlaufdrehmomentMA des Motors muss über demjenigen der Last liegen. Bei grossen Maschinenmit Gleitlagern kann es wesentlich über dem Nennmoment Mn liegen.

In Bild 3.4.1 sind einige Drehmomentverläufe viel verwendeterArbeitsmaschinen eingezeichnet. Ein Vergleich mit Bild 3.2.1 zeigt, dass diemeisten einen typischen Verlauf aufweisen und damit eine Klassifizierungmöglich ist.

Beispiel: Die Drehzahl eines mit einem Frequenzumrichter betriebenenAsynchronmotors lässt sich stufenlos zwischen 50% bis 100% regeln. Wie wirktsich dies auf die Förderleistung einer Kolben-, bzw. einer Kreiselpumpe aus?

• Kolbenpumpe: Der Drehmomentenbedarf ist gemäss Bild 3.2.1 a von derGeschwindigkeit nahezu unabhängig, das Drehmoment bleibt praktischkonstant. Die Förderleistung ist deshalb der Drehzahl proportional. Bei derhalben Drehzahl geht sie demnach auch auf P' = P · 0,50 = 50% zurück.



• Kreiselpumpe: Bei Kreiselpumpen besteht gemäss Bild 3.2.1 c einquadratischer Zusammenhang zwischen Drehmomentenbedarf und Drehzahl.Die Leistung ändert deshalb in der dritten Potenz. Bei der halben Drehzahlergibt sich damit eine Leistung von P' = P · 0,53 = 0,125 = 12,5% . DieFörderleistung kann deshalb auf einen Achtel des ursprünglichen Wertesverringert werden.

Aus dem Beispiel ist ersichtlich, wie die Drehzahlregulierung die Leistung einerArbeitsmaschine stark beeinflusst.

3 . 7

4.1

4 Auswahl und Dimensionierung elektrischer Antriebe

Elektromotoren sind Energiewandler für Bewegungsvorgänge wie sie in derTechnik bei den meisten Arbeitsmaschinen vorkommen. Beispiele sind:

• Motorantriebe:- Werkzeugmaschinen- Krane, Aufzüge, Fahrzeuge- Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren- Pressen, Biegemaschinen, Walzanlagen, Kalander usw.

• Stellvorgänge:- Schieber und Ventile- Vorschubeinrichtungen, Roboterantriebe- Bewegungsvorgänge bei Gestängen

Bei allen Bewegungsvorgängen geht es um die Grössen Kraft – Drehmoment –Leistung – Energie und Zeit. Feste, flüssige oder gasförmige Körper verändernihren Ort dabei in Abhängigkeit von der Zeit. Es spielen aber noch weitereBegriffe eine Rolle, wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Wirkungsgrad usw.Elektromotoren beziehen elektrische Energie aus einem Versorgungsnetz undwandeln sie in mechanische Energie um. Zwischen dem Motor und dereigentlichen Last - dem bewegten festen, flüssigen oder gasförmigen Körperbzw. Medium können Hilfseinrichtungen wie Kupplungen, Getriebe, Bremsenund Arbeitsmaschinen liegen. Zur Auswahl und Dimensionierung einesAntriebes sind die relevanten Parameter aller Elemente in der Kette desEnergieflusses, ausgehend von der eigentlichen Last mit genügender Genauigkeitzu ermitteln. Eine richtige Dimensionierung ist deshalb wichtig.Die Aufgabe bei der Auswahl eines Motors besteht darin, für eine bestimmteBewegungsaufgabe den geeigneten Antrieb festzulegen. Nebst der Frage desgeeigneten Motortyps und des Zubehörs wie Getriebe, Bremsen, Kupplungenusw., steht die Dimensionierung im Vordergrund.Ein unterdimensionierter Antrieb wird im Dauerbetrieb versagen, einüberdimensionierter verursacht unnötige Kosten, arbeitet unwirtschaftlich(grössere Anschaffungskosten, im Betrieb schlechterer Wirkungsrad und höhereVerluste, benötigt mehr Blindleistung) und kann durch einen zu grossausgelegten Motor die Maschine mit einem unzulässig hohenBeschleunigungsmoment belasten.


In jedem Fall müssen die grundsätzlichen Einsatzbedingungen abgeklärt werden.Massgebend sind:

• die Leistungsübertragung: Der Motor kann als Einzelantrieb direkt oderüber ein Getriebe mit der Last gekoppelt werden, aber auch als zentralerAntrieb über Zwischenwellen, Riemen- und Kettentrieben usw. mehrereAntriebsfunktionen übernehmen.

• die Betriebsbedingungen wie Überlastbarkeit, Anlasshäufigkeit,Betriebsart, Spitzenmomente, Umgebungstemperatur usw. haben nicht nurEinfluss auf die Motordimensionierung, sondern bestimmen auch wesentlichdas Zubehör mit.

• die Platzverhältnisse sowie die Anordnungsmöglichkeiten des ganzen Systems haben vor allem Einfluss auf die Auswahl des Zubehörs des Motors.

4.1 Leistungsvermögen von MotorenIn der Antriebstechnik findet der Drehstrom-Asynchronmotor vor allem wegenseines einfachen mechanischen und elektrischen Aufbaus und wegen seinergeringen Störanfälligkeit die grösste Anwendung. Seine Einsatzgrenzen werdennur durch seine Moment- und Drehzahlcharakteristiken bestimmt.

In der Statorwicklung wie auch im Rotor findet infolge Stromdurchgang eine Erwärmung statt, die eine von der Isolationsklasse der verwendetenIsoliermaterialien abhängige Temperatur nicht übersteigen darf. Die sicheinstellenden Temperaturen hängen von der Höhe der Motorbelastung ab, derenzeitlichem Verlauf und den Kühlbedingungen. Motoren sind so dimensioniert,dass sie bei konstanter Belastung mit Bemessungsleistung und unterBemessungskühlbedingungen die zulässigen Temperaturen nicht überschreiten.

• Das Beschleunigungsmoment zur Beschleunigung der Schwungmasse verzögert den Hochlauf des Motors. Der in dieser Zeit fliessende Anlaufstromerwärmt die Wicklung stark.

• Die zulässige Schalthäufigkeit, das ist die Anzahl der zeitlich hintereinander liegenden Anläufe, ist limitiert. Auch im Leeranlauf ohneLastmoment und ohne zusätzliche Schwungmasse erreicht der Motor beihäufigen Startvorgängen seine zulässige Grenztemperatur.

• Die Einschaltdauer ist bei der Dimensionierung zu berücksichtigen. Die Abkühlzeit in den Schaltpausen muss so gross sein, dass beim folgendenAnlauf die Grenztemperatur nicht überschritten wird. Ist die Einschaltdauernur kurz, so kann der Motor in dieser Zeit höher belastet werden. Er erwärmtsich in der begrenzten Zeit nicht bis zur Grenztemperatur und kühlt in denPausen wieder ab.

• Unterdimensionierte Motoren können wegen zu langer Anlaufzeit thermisch überlastet werden, überdimensionierte Motoren würden beimAnlaufvorgang das Getriebe und die Arbeitsmaschine überlasten.


4.2


4.1.1 Katalogdaten und EinsatzparameterIn den meisten Fällen kann man bei antriebstechnischen Problemen auf einensogenannten "Normmotor", meist einen Asynchronmotor zurückgreifen. Auf ihnbeziehen sich nachstehende Ausführungen, so weit nicht ausdrücklich etwasanderes vermerkt ist. Asynchronmotoren sind in einem breitenAnwendungsspektrum einsatzfähig. Damit der richtige Motor zum Einsatzkommt, sind die Minimalanforderungen festzulegen, um gemäss denHerstellerunterlagen den richtigen Typ auswählen zu können. Das Ziel derProjektierung besteht darin, die Anforderungen hinsichtlich

• des speisenden Netzes• der elektrischen und mechanischen Kennwerte des Motors• Betriebsbedingungen• der Anschaffungs-, Betriebs- und Wartungskosten• der Lebensdauer• der Umwelt- und Unfallschutzmassnahmen

festzulegen, auf deren Basis der Motor und die Hilfseinrichtungen zu wählen,die die Anforderungen zufriedenstellend erfüllen können.

Tabelle 4.3.1 Dimensionierungsgrösse für Motortyp und Bemessungsleistung

4.3

Dimensionierungsgrösse Motormerkmal

Drehmoment ⇒ LeistungTrägheitsmoment ⇒ AnlaufzeitTypische Lastmomente ⇒ MotormomentBerechnung nach ⇒ Optimierung- Lastmoment - Motormoment- Beschleunigungsmoment - Anlaufzeit- Hochlaufzeit - Beschleunigungsvermögen- Schalthäufigkeit - MotorerwärmungBetriebsarten ⇒ MotorerwärmungAnlaufsverhältnisse ⇒ DrehmomentverlaufBremsen und Umsteuern ⇒ BremswärmeThermische Vorgänge ⇒ Leistungsvermögen

4.1.2 Bestimmen der TypenleistungDie Bestimmung der Typenleistung des Motors kann nach verschiedenenGesichtspunkten durchgeführt werden, da nicht jeder Antriebsfall gleichbehandelt werden kann. Die Übersicht in Tabelle 4.3.1 gibt an, welcheDimensionierungsgrössen wichtig sind:

4.1.3 KatalogdatenDer Grad der Erfüllung der Anforderungen durch den individuellen Motor zeigtsich in deren Vergleich mit den Katalogdaten der Hersteller. Tabelle 4.5.1 listetdie wichtigsten Parameter auf, die je nach Anwendung zu beachten sind. Siesind zum Teil genormt, zum Teil aber herstellerspezifisch oder können vomKunden meist aus mehreren Alternativen frei gewählt werden. So hat derprojektierende Ingenieur oft eine gewisse Auswahlfreiheit bei derDetailbestimmung eines Antriebes. Bei vielen Herstellern lassen sich dieAntriebsmaschinen innerhalb einem Baukastensystems zusammenstellen. ZumBeispiel können

• die Rotorkonstruktion und damit die Drehmomentkennlinie• das Kühlsystem• die Isolierstoffklasse der Wicklungen• die Bauform• die Montageart• die Schutzart und Schutzeinrichtung oder auch andere Daten bei der

Bestellung festgelegt werden.

4.1.4 BetriebsbedingungenGleichbedeutend wie die Daten des Motors, sind für die Projektierung dieBetriebsbedingungen und die Parameter der getriebenen Last.

Tabelle 4.6.1 zeigt die wichtigsten Daten, die bei der Projektierung zu beachten sind. In kritischen Fällen ist die Auswahl des Antriebsmotors für die gegebeneAntriebsaufgabe in Zusammenarbeit mit dem Motorlieferanten zu treffen.

4.1.5 Vorgehen bei der MotordimensionierungEine Grosszahl von Antrieben wird im Dauerbetrieb S1 betrieben. DieDimensionierung richtet sich in einem ersten Schritt nach der Leistung imDauerbetrieb. Da die Lebensdauer elektrischer Maschinen stark von dereinwirkenden Dauerbetriebstemperatur abhängt, ist die Auswahl sorgfältigdurchzuführen. In einem zweiten Schritt ist die Eignung des Motors für denAnlauf zu untersuchen, sei es bezüglich Anlaufzeit oder Anlaufmoment.Bei Motoren mit komplizierten Betriebsarten (S2 … S9) gelten grundsätzlichdie gleichen Überlegungen. Wegen der wechselnden Lastverhältnisse und dendamit schwankenden Wicklungstemperaturen ist in der Regel Rücksprache mitLieferanten erforderlich.


4.4

Tabelle 4.5.1 Katalogangaben für Motoren

4.5


Festzulegende Daten BemerkungenNetzverhältnisseStromart Betriebsspannung, bei spannungs-Drehstrom, Einphasenstrom V umschaltbaren Motoren alle WerteFrequenz Hz ev. Toleranz angeben

KatalogdatenTypbezeichnung HerstellerangabeLeistung Bei Motoren mit mehreren Drehzahlen

pro DrehzahlDrehzahl Bei Motoren mit mehreren Polzahlen

pro LeistungBemessungsstrom A HerstellerangabeAnzugs-/Bemessungsstrom HerstellerangabeDrehmoment Nm Bei SpezialanwendungenAnzugs-/Bemessungsmoment HerstellerangabeSattel-/Bemessungsmoment HerstellerangabeKipp-/Bemessungsmoment HerstellerangabeTrägheitsmoment kgm2 HerstellerangabeWirkungsgrad η % Herstellerangabezul. Blockierzeit s Herstellerangabemax. Anlaufzeit s HerstellerangabeToleranzen Festgelegt in Normen

AusführungsartSchaltung Bei Stern-Dreick -Anlauf immer Dreieck, Stern Dreieck angebenLäuferartKäfigläufer, Schleifringl.Bauform IM... IEC 34-7, Part 7Schutzart IP... IEC 34-7, Part 7KühlartSelbst-, InnenkühlungEigen-, Oberflächenk. Fremdk-, Kreislaufk. IsolierstoffklasseB, F, H ev. zulässige Grenztemperatur angeben

Schwingstärke Normal oder reduziertGeräuschstärke dbBesondere Vorschriften elektrische und mech. VorschriftenKlemmenkasten ev. Schutzart und Ausführung angebenWellenenden ev. Schutzart und Ausführung angebenAn- und Einbauten ev. Schalter oder Stecker angebenBremse, TachomaschineFremdlüfter, StillstandsheizungTemperaturmesseinrichtungen Für Lager oder Ständerwicklungen- Thermistorschutz - Bimetallschalter Schliesser oder Öffner- PTC-Widerstände

Tabelle 4.6.1 Daten die für eine Antriebsprojektierung eine Rolle spielen


4.6

Festzulegende Daten BemerkungenGegenmoment Nm ev. auf Motorwelle umrechnen- konstant- quadratisch ansteigend- spezielle Kurve ev. mit Hersteller besprechen

Trägheitsmoment der Last kgm2 auf max. Motordrehzahl umrechnen

Einschaltart - Stern-Dreieck ev. verstärkter Stern-Dreieck-Anlauf- Vollastanlauf- Entlasteter Anlauf- Andere Methode ev. Softstarter oder Frequenzumrichter

Elektrisches Bremsen Gegenstrom oder Gleichstrom

BetriebsartS1 DauerbetriebS2 min KurzzeitbetriebS3 % Aussetzbetrieb ohne Einfluss des AnlaufsS4 %, c/h Aussetzbetrieb mit Einfluss des AnlaufsS5 %, c/h Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufs

und der el. BremsungS6 % Durchlaufbetrieb mit AussetzbelastungS7 c/h Ununterbrochener Betrieb mit Anlauf

und el. BremsungS8 %, c/h Ununterbrochener Betrieb mit

periodischer DrehzahländerungS9 Ununterbrochener Betrieb mit

nichtperiodischen Verhältnissen

Umgebungstemperatur °CAufstellungshöhe m ü. M.

Drehrichtung rechts, links oder beideDrehzahlverstellung Methode und von....bis....

Klimaeinflüsse auch relative Luftfeuchte beachten

Lager- und Wellenbeanspr.Axialkraft N Kraftrichtung bezüglich WellenlageRadialkraft N Abstand von der Wellenschulter

angebenUmlaufende Kräfte N

4.2 Dimensionierung nach dem LastmomentDas Lastmoment ML ergibt aus dem Gegenmoment der Arbeitsmaschinezusätzlich dem Wirkungsgrad η, mit dem alle mechanischen Verluste erfasstwerden.

Gemäss den charakteristischen Lastkennlinien kann sich das Lastmoment während dem Hochlauf

- allmählich aufbauen (z.B. Ventilator) - schon zu Beginn den Bemessungswert erreichen (z.B. Hebezeuge)- erst nach dem Hochlauf anstehen (z.B. Holzbearbeitungsmaschinen)- gleichmässig oder stossweise vorhanden sein

Für ein konstantes Lastmoment ML = konst. und die Bemessungsdrehzahl nerfolgt die Berechnung nach folgender Beziehung:

Bei einem Hebezeug ergibt sich für die Hubleistung P mit einer bestimmtenGeschwindigkeit v und Kraft F, sowie unter Berücksichtigung desWirkungsgrades η:

Das Lastmoment ML muss während dem Hochlauf zu jeder Zeit niedriger sein,als das jeweils zur Verfügung stehende Motormoment MM. Ist dies nicht derFall, so erfolgt keine Beschleunigung zu höheren Drehzahlen.

4.7


P = Leistung in W

Leistung P = M = Drehmoment in Nm

n = Drehzahl in min-1

η = Wirkungsgrad

M · n

9,55 · η

P = Hubleistung in W

Leistung P = F = Hubkraft in N

v = Hubgeschwindigkeit in m/sη = Wirkungsgrad

F · v

η

4.3 Berechnung nach dem Beschleunigungsmoment oder der Hochlaufzeit

4.3.1 BeschleunigungsmomentEin Antrieb kann nur beschleunigt werden, wenn der treibende Motor eingrösseres Drehmoment zur Verfügung stellt, als die Last jeweils erfordert. DieDifferenz bezeichnet man als Beschleunigungsmoment MB. Aus demBeschleunigungsmoment und dem zu beschleunigenden Schwungmoment vonMotor, Getriebe und Anlage ergibt sich die Hochlaufzeit tA. In vielen Fällenmacht man die vereinfachte Annahme, das Lastmoment sei während desHochlaufs konstant, indem man ein mittleres Lastmoment errechnet und dasveränderliche Motormoment durch ein konstantes mittleres Hochlaufmomentersetzt, das aus der Kennlinie ermittelt wird.

Für eine bestimmte Anlaufzeit tA errechnet sich das erforderliche Beschleunigungsmoment MB wie folgt:

4.3.2 HochlaufzeitAus der obigen Beziehung lässt sich die Hochlaufzeit tA bestimmen, wenn dasmittlere Beschleunigungsmoment MB bekannt ist. Eine relativ einfache Methodezu dessen Bestimmung zeigt Bild 4.8.1. Man zeichnet das Motormoment MMund das Lastmoment ML auf Millimeterpapier auf und bildet grafisch, zumBeispiel durch Auszählen der Quadrate, die mittleren Momente und gewinnt sodas mittlere Beschleunigungsmoment MB.

MM MotormomentML LastmomentMbmi mittleres Beschleunigungsmomentnb Betriebsdrehzahl

Bild 4.8.1 Bestimmen des mittleren Beschleunigungsmomentes durchFlächenausgleich auf mm-Papier.


4.8

Beschleunigungsmoment

MB = Mm - ML = J' · α = J' · = =

MM = Motormoment in Nm ML = Lastmoment in NmtA = Anlaufzeit in s α = Winkelbeschleunigung in s-2

n = Motordrehzahl in min-1 ω = Winkelgeschwindigkeit in s-1

MB = Mittleres Beschleunigungsmoment in NmJ' = Auf die Motorwelle reduziertes Trägheitsmoment in kgm2

ωtΑ

J' · n

9,55 · tA

J' · 2π · n

60 · tA


Beispiel: Ein zweipoliger Motor mit n = 2980 min-1 , P = 110 kW,J = 1,3 kgm2 weise im Leerlauf ein mittleresBeschleunigungsmoment MB = 1,5·Mn auf. Wie gross ist

a) die Anlaufzeit im Leerlauf?

b) die Anlaufzeit zusammen mit einer Last mit JL = 1000 kgm2

bei einer Drehzahl nL = 300 min-1, wenn sie während dem Hochlaufständig das Bemessungsmoment fordert?

Lösung: a) Anlaufzeit im Leerlauf

Bemessungsmoment des Motors Mn = = = 352,5 Nm

Beschleunigungsmoment MB = 1,5 · Mn = 1,5 · 352 Nm = 528,7 Nm

Hochlaufzeit tA = = = 0,76 s

b) Hochlaufzeit mit Last

Auf die Motordrehzahl umgerechnetes Trägheitsmoment der Last:

J' = JL · (nL/n)2 = 1000 kgm2 · (300 min-1/2980 min-1)2 = 10,1 kgm2

Das wirksame Beschleunigungsmoment zusammen mit der Last ergibt sich ausder Differenz des mittleren Beschleunigungsmoment des Motors abzüglich demdauernd geforderten Bemessungsmoment der Last:

MB = 1,5Mn - Mn = 0,5·Mn

Hochlaufzeit tA = = = 20 s

4.9

Hochlaufzeit in s tA =

MB = Mittleres Beschleunigungsmoment in NmJ' = Auf die Motorwelle reduziertes Trägheitsmoment in kgm2

n = Motordrehzahl in min-1

J’ · n

9,55 · MB

P · 60

2π · n

110 000 W · 60

2π · 2 980 min-1

J · n

9,55 · MB

1,3 kgm2 · 2 980 min-1

9,55 · 528,7 Nm

9,55 · MB

(10.1+1,3) kgm2 · 2 980 min-1

9,55 · 0,5 · 352,5 Nm

Bei der Auswahl des Antriebes muss die Hochlaufzeit tA unter Berücksichtigungder Schalthäufigkeit kleiner sein als die zulässigen Angaben des Herstellers.Unbelastete und nur mit geringen zusätzlichen Schwungmassen wie Kupplungenusw. verbundenen Motoren erreichen ihre Leerlaufdrehzahl sehr rasch. Dies istmeist auch beim Anlauf mit Last so. Nur wenn grosse Schwungmassen zubeschleunigen sind, ergeben sich sehr lange Anlaufzeiten. Man spricht dann vonSchweranlauf. Dies zum Beispiel bei Zentrifugen, Kugelmühlen, Kalandern,Transportanlagen und grossen Ventilatoren der Fall. Solche Antriebe erfordernoft spezielle Motoren und entsprechende Schaltgeräte. Bild 4.10.1 gibtRichtwerte für die Anlaufzeit von Normmotoren in Funktion derBemessungsleistung.

Bild 4.10.1 Typische Richtwerte für die Anlaufzeit von Normmotoren inFunktion der Bemessungsbetriebsleistung 1 Leeranlauf (Motor + Kupplung)2 Anlauf unter Belastung (ohne grosse Schwungmasse)

Ist der Verlauf des Lastdrehmoment ML kompliziert und das Motormoment MMnicht konstant, so ist es von Vorteil, die Berechnung in einzelne Zonen gemässBild 4.11.1 aufzuteilen. Man rechnet dann für die einzelnen Drehzahlabschnitte(zum Beispiel je 20% Drehzahlerhöhung) mit den abschnittsweise wirkendenmittleren Beschleunigungsmomenten die Hochlaufzeiten für die einzelnenZonen aus und addiert sie.


4.10

4.4 Berechnung nach SchalthäufigkeitWerden Motoren häufig gestartet, so bezeichnet man dies als Schaltbetrieb undes ist die zulässige Schalthäufigkeit pro Stunde zu überprüfen. InHerstellerunterlagen sind die zulässigen Leerschaltungen pro Stunde angegeben,bei welcher der Motor im Leerlauf, also ohne zusätzliches Schwungmoment undohne Lastmoment die Maximaltemperatur erreicht. Die Schalthäufigkeit spieltvor allem bei der Betriebsart S4 eine entscheidende Rolle.

Die zulässige Schalthäufigkeit des Motors wird durch seine Erwärmungsgrenze bestimmt. Sie ergibt sich durch den quadratischen Mittelwert des Stromes ausdem Spielverlauf welcher den Bemessungsstrom der Maschine nicht übersteigendarf.

Bild 4.11.1 Abschnittsweises Bestimmen des mittlerenBeschleunigungsmoments zum Ausrechnen der Hochlaufzeit, wennMotormoment MM und das Lastmoment ML nicht konstant sind undeinen stark unterschiedlichen Verlauf aufweisen.

4.11


Hochlaufzeit bei nicht konstanten MomententA = Anlaufzeit in s

tA = J' = auf die Motorwelle red. Trägheitsmoment in kgm2

∆n = Drehzahldifferenz in min-1

MB = Beschleunigungsmoment in Nm

∑J' · ∆n

9,55 · MB

Unzulässige Schalthäufigkeiten und damit das Ansprechen der Schutzeinrichtungen oder sogar die Zerstörung des Motors entstehen oft beiInbetriebsetzungsarbeiten, bei Einstellarbeiten und beim Tippbetrieb.

Meist ist eine Zusatzschwungmasse als Last vorhanden. Dann lässt sich aus demEnergiesatz für den Schaltbetrieb die Anzahl der zulässigen Schaltungen zz proStunde errechnen:

Bei Schaltbetrieb mit einem vorhandenen Lastmoment ML bestimmt man dieAnzahl der zulässigen Schaltungen zL pro Stunde:

In der Praxis ist meist eine Zusatzschwungmasse Jz und ein zusätzlichesLastmoment ML vorhanden. Damit gilt für die Anzahl zZul zulässigenSchaltungen pro Stunde:

zZul = zz · = z0 · und umgeformt:


4.12

Zulässige Schaltungen mit Zusatzmassezz = Zulässige Schaltungen pro Stunde mit Zusatzmasse

zz = z0 = Zulässige Leerschaltungen pro StundeJM= Massenträgheitsmoment des Motors in kgm2

Jz= Reduziertes Zusatzmassenträgheitsmoment in kgm2

z0 · JM

JM + Jz

Zulässige Schaltungen mit Lastmoment

zL =

zL = Zulässige Schaltungen pro Stunde mit Lastmoment

z0 = Zulässige Leerschaltungen pro StundeMM = Mittleres Motormoment während dem Hochlauf in NmML = Mittleres Lastmoment während dem Hochlauf in Nm

z0 · (MM - ML)

MM

z0

JM · (MM - ML)

(JZ + JM) · MM


Tabelle 4.13.1 Typische Leerumschalthäufigkeit z0 in h-1

4.5 Auswahl nach KatalogdatenMit den so für einfachere Fälle berechneten Mittelwerte für die Leistung Pmi,das Dehmoment Mmi und den Strom Imi, wählt man anhand der Katalogdateneinen Motor aus, wobei die entsprechenden Katalogdaten nicht kleiner seindürfen als die berechneten Mittelwerte:

Pmi ≤ Pn, Mmi ≤ Mn, Imi ≤ In

Die meisten Antriebsfälle können den 9 Betriebsarten S1 bis S9 zugeordnetwerden. In komplizierteren Situationen, wo dies nicht eindeutig möglich ist,bestimmt man eine ähnliche Betriebsart und rechnet sie dann auf S1 um. Dazusind aber detaillierte Kenntnisse bezüglich der thermischen Zeitkonstanten sowieder Kühlverhältnisse notwendig. Diese Angaben kann der Hersteller des Motorsliefern.

4.13

Zulässige Schaltungen mit Zusatzlast und Schwungmoment

zL = z0 ·

zL = Zul. Schaltungen pro Stunde mit Zusatzschwungmasse und

Lastmoment

z0 = Zulässige LeerschaltungenMMmi = Mittleres Motormoment während dem Hochlauf in NmMLmi = Mittleres Lastmoment während dem Hochlauf in NmJz = Reduziertes Zusatzmassenträgheitsmoment in kgm2

JM = Massenträgheitsmoment des Motors in kgm2

1 - MLmi / MMmi

1 + Jz / JM


kW

0,09...1,5 1500...4000 2500...8500 5500...8000 7000...11000

2,2...18,5 400...1000 800...4000 1500...5000 2000...10000

22 200 600 800 1200

30...55 50...150 200...400 300...600 500...900

75...160 30...40 90...130 170...260 270...400


4.14

5 FormelzeichenZeichen Bedeutung Einheit Bemerkung

f Frequenz s-1 Netzfrequenz

FI Trägheitsfaktor

h Verhältnis der Wärmeab-

gabe belüftet/unbelüftet

I Strom A Strom in der Zuleitung

Imi Mittlerer Strom (Ieff) A Effektivwert

In Bemessungsstrom A Zulässiger Dauerstrom

J' Auf die Motorwelle reduziertes

Trägheitsmoment kgm2

Jext Trägheitsmoment der Last

auf die Motorwelle bezogen kgm2

JM Trägheitsmoment des Motors kgm2

Jmot Motorträgheitsmoment kgm2

Jz Reduziertes Zusatzmassen-

trägheitsmoment kgm2

Jzus Zusätzliches Trägheitsmoment kgm2

k0 Verhältnis der Äquivalent-

verluste Leerlauf/Last

kg Gegenmomentfaktor Nm

kL Lastfaktor

M Drehmoment Nm

MA Anzugsmoment Nm

MB Beschleunigungsmoment Nm

MK Kippmoment Nm

ML Lastmoment Nm

MLmi Mittleres Lastmoment

während dem Hochlauf Nm

MM Motormoment Nm

MMmi Mittleres Motormoment

während dem Hochlauf Nm

Mmi Mittleres Drehmoment Nm

Mn Bemessungsmoment Nm

MS Sattelmoment Nm

4.15


Zeichen Bedeutung Einheit Bemerkung

n Drehzahl min-1

n Betriebsdrehzahl min-1

n0 Leerlaufdrehzahl min-1

nn Bemessungsdrehzahl min-1

ns synchrone Drehzahl min-1

p Polpaarzahl (Polzahl/2)

P Leistung kW

P2 abgegebene Leistung kW

P1 aufgenommene Leistung kW

PCu Kupferverluste kW

PCuR Stromwärmeverluste

im Rotor kW quadratisch vom Strom

abhängig

PCuS Stromwärmeverluste kW quadratisch vom Strom

im Stator abhängig

PFe Eisenverluste im Stator kW im Betrieb etwa konstant

PLa Lagerreibungsverluste kW im Betrieb etwa konstant

PLu Luftreibungsverluste kW im Betrieb etwa konstant

Pmech Mech. Grenzleistung

des Motors kW

Pmi Mittlere Leistung kW

Pn Bemessungsleistung kW

Pth Thermische Grenzleistung kW

Pv Verluste kW

PVR Verluste im Rotor kW

Pzus Zusatzverluste kW im Betrieb etwa konstant

s Schlupf kW

S1 Dauerbetrieb

S2 Kurzzeitbetrieb

S3 Aussetzbetrieb ... ohne Einfluss des

Anlaufvorganges

S4 Aussetzbetrieb …mit Einfluss des

Anlaufvorganges

S5 Aussetzbetrieb …mit Einfluss des

Anlaufvorganges und

el. Bremsung


4.16

Tabelle Verwendete Formelzeichen und Einheiten

Zeichen Bedeutung Einheit Bemerkung

S6 Durchlaufbetrieb …mit Aussetzbelastung

S7 Ununterbrochener Betrieb …mit Anlauf und

elektrischer Bremsung

S8 Ununterbrochener Betrieb …mit periodischer Last-

Drehzahländerung

S9 Ununterbrochener Betrieb …mit nichtperiodischer

Last- und

Drehzahländerung

t Zeit s, min, h

T Thermische Zeitkonstante min

tA Anlaufzeit s, min

tB Belastungszeit, Betriebszeit s, min

tB Betriebszeit s, min

tBr Bremszeit s, min

tL Leerlaufzeit, s, min, h

tr Relative Einschaltdauer %

tS Spieldauer s, min, h

tSt Stillstandszeit s, min, h

U Spannung V

z0 Leerumschalthäufigkeit h-1

zA Leeranlaufhäufigkeit h-1

zL Zulässige Schaltungen pro

Stunde mit Lastmoment

und ev. Zusatzmasse h-1

zz Zulässige Schaltungen pro

Stunde mit Zusatzmasse h-1

zzul Zulässige Schalthäufigkeit h-1

η Wirkungsgrad %

ϑ Temperatur °C

ϑmax Maximale Temperatur °C

∆n Drehzahldifferenz min-1

cosϕ Leistungsfaktor

Publikation WP-Motors, Nov. 96 Printed in Switzerland

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