Niederspannungs- Antriebssysteme - VEM Gruppe · PDF fileBei 2- und 4-poligen Ie2-motoren kann der Umrichter-betrieb dazu führen, dass die Thermische Klasse 130 (B)

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    ELECTRIC DRIVESfor every demand

    Katalog 2015

    Niederspannungs-Antriebssysteme

  • Inhaltsverzeichnis

    einfhrung 4Hauptkomponenten eines antriebssystems 4Leistung und drehmoment 4Zustzliche Beanspruchung des motors bei fU-Betrieb 5 Thermische Beanspruchung abschtzung der erwrmung motorspannung und Wicklungsauslegung drehzahl-drehmoment-Kennlinie Bereich konstanten flusses (konstantes

    Kippmoment) feldschwchbereich Besonderheit 87-Hz-Betrieb Spannungsbeanspruchung (Isoliersysteme) namUr Lagerbeanspruchung (isolierte Lager) Informationen zur antriebsauslegung eckdaten frequenzumrichter 10 netzspannungsbereiche berlastbarkeit und Schutzart Khlung Schaltfrequenz optionen 11 motoren frequenzumrichter Technische daten / auswahltabellen 13

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    VEMoDRIVE Single

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    Netz Eingangs-komponenten

    Gleich - richter

    Zwischen-kreis- kondensator

    Wechsel-richter

    Ausgangs-komponenten

    Motorkabel Motor

    EMV-filter/Netz- drossel

    du/dtoderSinus-filter

    ein drehzahlvariables antriebssystem besteht aus folgenden Komponenten (siehe abbildung 1):

    Einspeisung (netzsicherungen, Hauptschalter, eingangsschtz usw.)

    Eingangskomponenten (funkentstrfilter, netzdrosseln usw.)

    Frequenzumrichter (inkl. optionen, z. B. Bremseinheit usw.) Ausgangskomponenten (drosseln, du/dt- oder

    Sinusfilter usw.)

    vemodrIve Single

    Motorkabel (wichtig: Lnge, Typ, verlegung, Schirmung usw.)

    Motor (Standard- oder Sonderisolation, isolierte Lager usw.)

    eine optimale auslegung aller Komponenten garantiert eine lange Lebensdauer des antriebssystems, die einhaltung der vorschriften bezglich emv und netzrckwirkungen sowie energieeffizienz und ein optimales Preis-Leistungs-verhltnis.

    Leistung und drehmomentBei Umrichterbetrieb kann die Betriebsdrehzahl der arbeits-maschine von der 50-Hz- oder 60-Hz-Bemessungsdrehzahl des motors abweichen. In diesen fllen sind die optimale Polzahl des motors festzulegen und die Typleistung zu bestimmen bzw. zu berprfen.

    Informationen zur arbeitsmaschine und zum technologi-schen Prozess sind fr eine optimale antriebsauslegung unerlsslich. es muss bekannt sein, ob eine Strmungsma-schine oder eine andere arbeitsmaschine wie z. B. frder-bnder, Krne usw. angetrieben werden.

    Bei Strmungsmaschinen sind, wenn die maximalfre-quenz der Bemessungsfrequenz des motors entspricht, keine weiteren Informationen erforderlich. motoren knnen fr den 100-%-arbeitspunkt und Umrichter fr geringe berlastung ausgewhlt werden.

    Bei allen anderen arbeitsmaschinen ist die bergabe einer drehzahl-drehmoment-Kennlinie oder wenigstens einiger arbeitspunkte im drehzahlstellbereich hilfreich (Beispiele siehe abb. 2). Werden bei niedrigen motordrehzahlen hohe drehmomente ber lngere Zeit bentigt, muss die dauer der Belastung bzw. des Spiels angegeben werden.

    einfhrungIm vorliegenden Katalog werden Hinweise gegeben, die bei der auswahl von motoren und Umrichtern zu beachten sind. So knnen nicht nur mechanische, sondern auch elektrische Komponenten der motoren fr den Umrich-terbetrieb modifiziert werden. das Zusammenwirken der

    Komponenten Umrichter, motorkabel und motor und der einfluss der optionen mssen bekannt sein. eine mangel-hafte Projektierung des antriebssystems macht sich meist erst durch Wicklungs- und/oder Lagerschden bemerkbar.

    Hauptkomponenten eines antriebssystems

    a. konstanter drehmomentverlauf ber einen drehzahl-bereich (Winden, frderbnder usw.)

    b. linearer Drehmomentverlauf mit steigender drehzahlc. quadratisch steigender drehmomentverlauf (typisch fr

    Strmungsmaschinen wie Pumpen und ventilatoren)

    Anhang

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    6. Die Auswahl eines MotorsDie Projektierung des Antriebs und die Auswahl desrichtigen Motors bestimmen entscheidend das Aufwand-Nutzen-Verhltnis, verhindern Fehlschlge beim Einsatzund beeinflussen entscheidend die konomische Effizienz.Bei der Auswahl sind alle wirksamen Einflussfaktoren,wie Leistungsbedarf, Betriebsart, Drehzahl, Netzverhlt-nisse, Anlauf-, Brems- und Steuerungsbedingungen,Lager- und Wellenbelastungen und Umgebungsbedin-gungen im Komplex zu beachten.

    Bei entsprechender Auswahl kann hufig die Grundaus-fhrung eingesetzt werden. Deshalb wird bei den ver-schiedenen Betriebsarten davon ausgegangen, dasseine Rckfhrung auf Betriebsart S1 (Dauerbetrieb) unddamit der Einsatz von Motoren mit der Grundbetriebsarterfolgt.

    7. Gegendrehmoment und Leistungsbedarf, TrgheitsmomentDie durch eine angetriebene Maschine gefordertemechanische Leistung bei Dauerbetrieb oder whrendder Beharrungsphase bei einer beliebigen Betriebsartwird grundstzlich bestimmt durch die Beziehung

    mit Mg = Gegendrehmoment der angetriebenen Maschine in Nm

    nA = Drehzahl der angetriebenen Maschine in U/min

    Bei direkt gekuppelten Antrieben ist dies auch gleichzeitigder vom Motor geforderte Leistungsbedarf (PA = P2).Ist zwischen Arbeitsmaschine und Antriebsmotor einDrehmomentwandler (Getriebe, Riemenantrieb) geschaltet,ergibt sich der Leistungsbedarf fr den Motor zu

    mit G = Wirkungsgrad des Drehmomentwandlers

    Whrend die zuvor genannten Beziehungen fr rein rota-torische Bewegungsablufe gelten, ist das Gegenmomentbei Arbeitsmaschinen mit geradlinigen Bewegungen wiefolgt zu bestimmen:

    mit FA = Belastungskraft in Nv = Geschwindigkeit in m/snM = Motordrehzahl in U/min

    Das Gegendrehmoment bzw. der Leistungsbedarf vonArbeitsmaschinen ist im Allgemeinen drehzahlabhngig.Fr eine bessere Verstndigung zwischen Motorherstellerund -anwender sollen einige charakteristische Gegen-momentverlufe angegeben und beschrieben werden(Bild 9)

    Drehmoment praktisch konstant ber der Drehzahl (a)Dieses Verhalten findet man z.B. bei Hebezeugen,Winden, Frderbndern, Verdichtern, bei Frderunggegen konstante Drcke u. .

    Drehmoment steigt linear mit der Drehzahl (b)z.B. beim Antrieb von elektrischen Generatoren gegenkonstante Belastung, Frequenzumformern u. .

    Drehmoment steigt mit einer bestimmten Potenz (z.B. parabelfrmig) der Drehzahl (c) Dieses Verhalten findet man beim Antrieb von Lftern,Kreiselpumpen, Zentrifugen u. .

    Bild 9 Charakteristische Gegenmoment-Kennlinien von Arbeitsmaschinen

    In der Praxis sind weitere Drehmomentverlufe mglich,die jedoch von untergeordneter Bedeutung oder auf dieerluterten Kennlinien zurckzufhren sind. Zu beachtenist, dass im Drehzahlbereich um 0 erhhte Reib- oderHaftmomente, sog. Losbrechmomente, auftreten knnen,die z.T. eine erhebliche Gre (z.B. Anlauf eines Kolben-verdichters bei Klte) aufweisen. Diese Losbrechmomentemssen mglichst genau bekannt sein und bei der Be-urteilung des Anlaufs bercksichtigt werden.

    Das Gesamtrgheitsmoment eines Antriebs setzt sichzusammen aus

    mit JM = Trgheitsmoment des Motors (aus den Technischen Informationen der jeweiligen Motorreihe zu entnehmen)

    JF = auf die Motordrehzahl bezogene Summe der Trgheitsmomente der angetriebenen Teile

    Ist das Trgheitsmoment einer angetriebenen Maschinenach bekannten Verfahren fr die Drehzahl dieser Ma-schine bestimmt, so lsst sich wie folgt auf die Drehzahlder Motorwelle umrechnen:

    mit JA = Trgheitsmoment der angetriebenen Maschine bei nA

    K11_Anhang_2008_dt 04.04.2008 9:40 Uhr Seite 236

    abb. 2: Typische drehmomentverlufe von arbeitsmaschinen

    abb. 1: Hauptkomponenten eines antriebsystems

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    Zustzliche Beanspruchungen der motoren bei Umrichterbetrieb

    Beispiel: 100-%-arbeitspunkt eines ventilators: 100 kW bei 2400 min-1 Welche ist die optimale Polzahl des motors?

    4-poliger Motor:der 100-%-arbeitspunkt des ventilators liegt mit 2400 min-1 oberhalb der Bemessungsdrehzahl des 4-poligen motors. Bei 2400 min-1 (80 Hz) ist die 100-%-Bemessungsleistung des motors noch verfgbar (siehe abschnitt: feldschwch-bereich).

    allerdings ist die berlastbarkeit des motors bei 80 Hz nur noch gering. Bei Unterspannung an den motorklemmen geht die berlastbarkeit weiter quadratisch zurck. dem steht der mit der drehzahl quadratisch steigende drehmo-mentverlauf des ventilators gegenber. drehzahlnderungen haben somit kubische Leistungsnderungen zur folge. da ein erhhter Leistungsbedarf im praktischen Betrieb nie ganz ausgeschlossen werden kann, sollte fr geregelte motoren, die Strmungsmaschinen antreiben, eine reserve von 10 % bis 15 % eingeplant werden. eine weitere reserve von ca. 5 % ist aufgrund der gegenber der Bemessungsspannung des motors geringeren Spannung an den motorklemmen empfehlenswert, sodass ein motor mit mindestens 120 kW ausgewhlt werden sollte. damit fllt die Wahl auf einen 4-poligen motor mit einer Typenleistung von 132 kW.

    arbeitet der motor oberhalb der Bemessungsfrequenz, besteht durch einsatz einer Sonderwicklung die mglichkeit, den Bereich konstanten drehmoments zu erweitern. die Leistung kann so von 110 kW bei 50 Hz auf 132 kW bei 60 Hz gesteigert werden.

    es ist sowohl ein 4-poliger 132-kW-motor mit 50-Hz-Standardwicklung als auch ein 4-poliger 132-kW-motor mit 60-Hz-Sonderwicklung einsetzbar. Letzterer hat eine geringere masse und aufgrund geringerer feldschwchung eine hhere berlastbarkeit.

    2-poliger Motor:Zu Berechnung der Leistung eines 2-poligen motors muss zuerst der drehmomentbedar