Elektrische Antriebe im Maschinenbau

Energieeffizienz, Sanftlauf, drehzahlvariable und synchrone Steuerungen


Diplomarbeit, 2008

139 Seiten, Note: 2


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Grundlagen der Asynchronmaschinen
1.1 Stand der Technik und Marktsituation
1.2 Wirkungsweise und Aufbau
1.2.1 Bauarten
1.2.1.1 Kurzschlussläufer
1.2.1.2 Schleifringläufer
1.2.2 Bauformen
1.2.3 Motorkonfigurationen
1.2.3.1 Bremsmotoren
1.2.3.2 Getriebemotoren
1.2.3.3 Umrichtermotoren
1.2.3.4 Asynchron-Servomotoren
1.2.4 Baugrößen (Achshöhe und Baulänge)
1.3 Motorkühlung und Motorschutz
1.3.1 Motorschutz
1.3.2 Schutzart
1.4 Betriebsverhalten und Kenngrößen
1.4.1 Drehzahl und Schlupf.
1.4.2 Drehmoment
1.4.3 Leistung
1.4.4 Verluste und Wirkungsgrad
1.5 Herstellerneutrale Motortabelle
1.5.1 Normen
1.5.1.1 Normzahlen
1.5.1.2 Toleranzen
1.5.2 Herstellerneutrale Tabelle für Käfigläufer
1.5.2.1 Herstellertabellen
1.5.2.2 Konstruktion der herstellerneutralen Tabelle
1.5.2.3 Charakteristische Kennlinien
1.5.3 Herstellerneutrale Tabelle für Schleifringläufer
1.5.3.1 Alte Motortabelle aus der Vorlesung
1.5.3.2 Betriebsarten
1.5.3.3 Relative Einschaltdauer ED
1.5.3.4 Konstruktion der herstellerneutralen Tabelle
1.5.3.5 Charakteristische Kennlinien
1.6 Wachstumsgesetze

2 An- und Auslaufsteuerungen von Asynchronmaschinen
2.1 Zeitkonstanten bei Antrieben
2.1.2 Hochlaufzeitkonstante
2.1.3 Übergangsvorgänge
2.2 Anlaufverfahren - Konventioneller Betrieb (ohne Elektronik)
2.2.1 Stromverdrängungsläufer
2.2.2 Veränderung der Streuung
2.2.3 Direktschalten
2.3 Konventionelle elektrische Anlaufverfahren (Hochlauf)
2.3.1 Stern-Dreieck-Anlauf (Y-Δ)
2.3.2 Symmetrische Anlassvorwiderstände
2.3.3 Anlasstransformator
2.4 Sanftanlasser
2.4.1 Aufbau und Betriebsverhalten von Sanftanlaufgeräten
2.5 Schweranlauf mit Anlaufkupplung
2.6 Bremsschaltungen
2.6.1 Generatorbetrieb
2.6.2 Gegenstrombremsen
2.6.3 Gleichstrombremsen (DC-Bremsen)
2.7 Dimensionierung von Antriebsmaschinen
2.7.1 Stationäre Kennlinien von Antriebsmaschinen
2.7.2 Stationäre Kennlinien von Arbeitsmaschinen
2.7.2.1 Konstante Antriebsleistung
2.7.2.2 Konstantes Lastmoment
2.7.2.3 Linear ansteigendes Lastmoment
2.7.2.4 Quadratisch ansteigendes Lastmoment
2.7.3 Stabilität des Arbeitspunktes

3 Drehzahlvariable Asynchronmaschinen
3.1 Änderung der Polpaarzahl
3.1.1 Getrennte Wicklungen (p1 und p2)
3.1.2 Dahlanderschaltung (2:1)
3.1.3 Polamplitudenmodulation (PAM)
3.2 Vergrößerung des Schlupfes (Schlupfsteuerung)
3.3 Spannungsabsenkung bei Wechselstrombetrieb
3.4 Drehzahlvariabler Betrieb mit Leistungselektronik
3.4.1 Stromrichter und ihre Bauteile (Halbleiterschalter)
3.4.2 Betrieb am Drehstromsteller
3.4.2.1 Symmetrische Stellerschaltungen
3.4.2.2 Anlaufsteuerung
3.4.2.3 V3-Schaltung
3.4.2.4 Sanftanlauf mit 2-Strang-Geräten
3.4.2.5 Betrieb am Steller mit variabler Drehzahl
3.4.3 Betrieb am Frequenzumrichter
3.4.3.1 Betrieb variabler Speisefrequenz
3.4.3.2 Betriebsbereiche: Konstantfluss- und Feldschwächbereich
3.4.3.3 Spannungsstellbereich - Konstantflussbereich
3.4.3.4 Feldstellbereich - Feldschwächbereich
3.4.4 Steuer- und Regelverfahren sowie besondere Parameter
3.4.4.1 U/f-Kennliniensteuerung
3.4.4.2 Feldorientierte Regelung (FOR)
3.5 Bewegungssteuerungen und Synchronlauf (Motion Control)
3.5.1 Motion Control in der Automatisierung
3.5.2 Elektronische Lösungen
3.5.2.1 Gleichlauf
3.5.2.2 Elektronisches Getriebe
3.5.2.3 Tänzerregelung
3.5.2.4 Kurvenscheibe
3.5.3 Beispiele aus der Praxis
3.5.3.1 Abfüllanlagen
3.5.3.2 Zugregelung
3.5.3.3 Verpackungsmaschinen
3.5.3.4 Sortieranlagen
3.6 Dimensionierung drehzahlvariabler Asynchronmaschinen
3.6.1 Ermittlung der Auslegungsgrößen für Frequenzumrichter
3.6.2 Wahl des Frequenzumrichters
3.7 Demag Antriebsauslegungsprogramm Caldrive
3.7.1 Projektierungsdaten
3.7.2 Lastdaten
3.7.3 Rad und Fahrbahn
3.7.4 Besonderes
3.7.5 Datenbank
3.7.6 Auswahl-Rad
3.7.7 Auswahl Getriebemotor

4 Energieeffiziente Asynchronmaschinen
4.1 Motoren für die EU-Motorwirkungsgradklassen
4.2 Möglichkeiten der Energieeinsparung
4.2.1 Einzelverluste
4.2.2 Statorstromwärme
4.2.3 Rotorstromwärme
4.2.4 Energieeinsparung durch Drehzahlregelung
4.2.4.1 Stoffmengenregelung
4.3 Amortisationszeit
4.3.1 Software zur Ermittlung der Amortisierungszeit
4.4 Kriterien für den Einsatz von Energiesparmotoren

5 Zusammenfassung

6 Anhang
6.1 Formelzeichen
6.1.1 Indizes
6.2 Literaturverzeichnis

Aufgabenstellung

Diplomaufgabe

für Herrn cand. Ing. Uzun

Elektrische Antriebe im Maschinenbau - Energieeffizienz, Sanftlauf, drehzahlvariable und synchrone Steuerungen

Die Diplomaufgabe hat folgende Schwerpunkte:

1. ) Ermittlung des Standes der Technik: Motordaten

Typische eingesetzte Elektromotorenarten und -konfigurationen. Recherche der Kennwerte der Baureihen verschiedener Hersteller. Aufbau einer herstellerneutralen Motortabelle. Abgleich mit der im Lehrgebiet verwendeten Motortabelle

Hierzu Auswertung von Fachliteratur einschl. Fachaufsätzen und Herstellerangaben

2. ) Ermittlung des Standes der Technik: Anlaufsteuerungen

Anlaufsteuerungen (Sanftanlauf) für verschiedene Einsatzfälle bei besonderer Berücksichtigung der Stetigförderung (Förderbänder, Fahrtreppen, Ventilatoren, Pumpen, u.ä.), der Fahr- und Hubwerksantriebe. Schematische Einteilung. Vergleich mit Anfahrkupplungen. Betrachtung des Leistungsbedarfs. Auswahlkriterien und Dimensionierungsschritte. Kostengesichtspunkte. Anwendungsbeispiele nach Herstellerangaben

Hierzu Auswertung von Fachliteratur einschl. Fachaufsätzen und Herstellerangaben

3. ) Ermittlung des Standes der Technik: Drehzahlvariable Antriebe

Drehzahlvariable Antriebe für verschiedene Einsatzfälle der Automatisierungs- und Fördertechnik. Synchronlauf und Steuerung von Bewegungsabläufen. Schematische Einteilung. Auswahlkriterien und Dimensionierungsschritte. Kostengesichtspunkte. Anwendungsbeispiele nach Herstellerangaben

Hierzu Auswertung von Fachliteratur einschl. Fachaufsätzen und Herstellerangaben

4. ) Ermittlung des Standes der Technik: Energiesparmotoren

Untersuchung der gängigen Wirkungsklassen, Vergleiche mit Standardmotoren und Amortisierung, Schematische Einteilung, Auswahlkriterien und Dimensionierungsschritte. Kostengesichtspunkte. Anwendungsbeispiele nach Herstellerangaben

Hierzu Auswertung von Fachliteratur einschl. Fachaufsätzen und Herstellerangaben

5. ) Die Arbeit ist nachvollziehbar zu dokumentieren

1 Grundlagen der Asynchronmaschinen

1.1 Stand der Technik und Marktsituation

Elektrische Antriebe sind heute wichtige und bestimmende Komponenten vieler Maschinen und Anlagen. Dabei teilen sich die Antriebe in verschiedene Varianten auf. Zu einem hohen Prozentsatz (80%) sind es einfache Antriebe mit festen Betriebsdrehzahlen. Immer häufiger nehmen jedoch die anspruchsvolleren Antriebe zu, die in weiten Bereichen drehzahlvariabel arbeiten. Der Markt fordert kostengünstige, robuste und wartungsarme Lösungen. Dadurch wurde der bewährte Gleichstromantrieb bei Neukonstruktionen im betrachteten Leistungsbereich zu Gunsten des Drehstromantriebs weitgehend verdrängt. Dies zeigen die Prozentzahlen des Diagramms in Bild 1.1 sehr deutlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.1: Produktionsanteile elektrischer Antriebe (ZVEI)

Betrachtet man die Verteilung der Stückzahlen auf die Leistungsklassen, die die statistische Erfassung des ZVEI vorgibt, so erkennt man, dass die großen Stückzahlen im Leistungsbereich von 750 W... 7,5 kW liegen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.2: Marktanteile in den Leistungsklassen von AC- und DC-Antrieben (ZVEI)

Weitere Untersuchungen haben ergeben, dass 93% der Antriebe in die Leistungsklasse bis 7,5 kW und ca. nur 0,6% in die über 75 kW einzuordnen sind. Aus diesem Grund beschränken sich die Ausführungen weitgehend auf den oben genannten Leistungsbereich mit den hohen Stückzahlen. Um die vielfältigen Antriebsaufgaben zu erfüllen, werden 4 Arten von elektrischen Antrieben eingesetzt (Bild 1.3):

- direkt geschaltete Antriebe mit festen Betriebsdrehzahlen (Festdrehzahlantriebe),
- solche mit überwiegend festen Betriebsdrehzahlen, die zum Anlassen über Schalter oder Schütze sowie oft über Vorschaltelemente geschaltet werden,
- solche, die sanft starten und stillsetzen sowie
- solche mit überwiegend variablen Betriebsdrehzahlen, die zum Anlauf oder im Betrieb über elektronische Stellglieder gestellt oder geregelt betrieben werden. 1

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Bild 1.3: Antriebe mit fester und variabler Drehzahl2

Als elektronische Stellglieder zwischen Netz und elektrische Maschine werden abhängig von der entsprechenden Aufgabe Drehstromsteller oder Frequenzumrichter eingesetzt.

Zur Klassifizierung teilt man die Antriebe ein in Bewegungs- oder Positionierantriebe, zu denen auch die hochdynamischen Servoantriebe zählen. Zur Verdeutlichung zeigt folgende Tabelle hierzu einige ausgeführte Beispiele.

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Tabelle 1.1: Verschiedene Antriebsarten mit typischen Lastfallen;

Bewegungsantriebe finden ein breites Einsatzfeld in de Industrie, in der Gebäudetechnik und im Haushaltsbereich. Dabei überwiegen bei den eingesetzten elektrischen Maschinen eindeutig die Asynchronmaschinen mit Käfigläufer in Drehstrom- oder Wechselstromausführung. Letztere Variante ist besonders im unteren Leistungsbereich (< 2 kW) sehr stark vertreten; dort arbeiten jedoch nur wenige Antriebe drehzahlvariabel.2

Im speziellen Segment der hochdynamischen Positionier- oder Servoantriebe sind es die Antriebe mit Synchron- und EK-Maschinen (elektronisch kommutierte Gleichstrommaschinen) neben Lösungen mit angepassten Asynchronmaschinen. Diese Antriebe arbeiten alle drehzahlvariabel und werden von Umrichtern gespeist.

Getriebemotoren mit Asynchronmaschine sind in vielfältiger Ausführung im Einsatz. Sie wurden zur Mechatronik weiterentwickelt und haben so einen hohen Reifegrad erreicht. Diese mechatronischen Antriebe werden als dezentrale intelligente Antriebsmodule eingesetzt.

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Bild 1.4: Wandel in der Antriebstechnik [3]

Antriebsmodule sind konstruktive Einheiten, die aus dem angepassten Getriebemotor mit integriertem Frequenzumrichter bestehen. Die erweiterte Software des Umrichters verleiht dem Modul eine dezentrale Intelligenz und die Vernetzung über Busschaltungen eine hohe Flexibilität.

Die aktuellen Entwicklungen auf dem Gebiet der Umrichter- und Anwendersoftware lassen die bisher getrennten aufgabenorientierten Lösungen für Bewegungs- und Positionierantriebe wieder zu einer vielseitig einsetzbaren universellen Geratelösung - dem Servoumrichter - zusammenwachsen.

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Bild 1.5: Entwicklung bei drehzahlveränderbaren Drehstromantrieben [3]

Diese neuen Gerätereihen überdecken mit zielorientiert ersetzbarer Software den gesamten Anwendungsbereich der Bewegungs- und Positionierantriebe mit einem Gerät. Die Digitaltechnik mit schnellen Signalprozessoren (DSP) ermöglicht in der AC-Antriebstechnik Regelverfahren, z.B. die der feldorientierten Regelung (FOR) oder direkten Selbstregelung (DSR, digitaler Drehmomentregelung), die eine bessere Dynamik als die bisher eingesetzten Gleichstromantriebe erreichen. Bei Bewegungsantrieben wird dabei sogar oft auf besondere Drehzahlgeber verzichtet (sensorless speed control, SSC). Dies funktioniert heute sogar auch bei Drehzahl 0 stabil.3

Vorkonfigurierte Softwareblöcke mit Zusatzfunktionalitäten und Klein-SPS-Systeme im Umrichter übernehmen Technologiefunktionen und anwenderspezifische Steuerungsaufgaben, die bislang selbstständige SPS-Einheiten ausgeführt haben. Dadurch entlasten diese intelligenten Einheiten die übergeordneten Steuerungen. Durch die Gleichlauf-Technologiefunktionen werden die bisherigen mechanischen Wellenverbindungen durch rein elektronische Verbindungen abgelöst; Beispiele sind die Königswelle, das elektronische Getriebe oder koordinierte Bahnsteuerungen mehrerer Wellen.

Die Digitaltechnik in den Geräten ermöglicht die Datenvernetzung der Antriebe. Einzelantriebe erhalten über ihre serielle Schnittstelle Prozess- oder Parameterdaten just in time von einem übergeordneten Leitsystem oder einem anderen Modul, das umgekehrt die aktuellen Ist-Daten des Antriebs abfragen und auswerten kann. Die Digitaltechnik in den Stromrichtern gestattet über aufsteckbare Busmodule einen solchen bidirektionalen Datenverkehr über verschiedene Feldbussysteme ohne großen Zusatzaufwand. Der weitere Datenfluss geht dann über Ethernet und global über das Internet.4

Am öffentlichen Netz arbeiten die verschiedensten Verbraucher. Darunter auch solche, die sehr empfindlich auf Spannungsabsenkungen reagieren. Zu solchen Spannungseinbrüchen kommt es beim Direkteinschalten oder YΔ-Anlauf von größeren Asynchronmaschinen. Um Störungen zu reduzieren werden Anlaufdrosseln usw. oder Drehstromsteller vor die Asynchronmaschinen geschaltet, um sanft an- oder auszulaufen (Sanftanlaufgeräte, Softstarter). Sanft bedeutet dabei, dass sowohl das speisende Netz und die mechanischen Übertragungsglieder als auch die Arbeitsmaschine geschont werden. Bei Pumpenantrieben verhindert ein geführter sanfter Auslauf über Steller die gefürchteten Wasserschläge im Rohrsystem.5

1.2 Wirkungsweise und Aufbau von Drehstrom-Asynchronmaschinen

Anhand eines kausalen Erklärungsmodells soll die prinzipielle Wirkungsweise einer Asynchronmaschine erläutert werden.

- Zunächst wird ein Drehspannungssystem an die Ständerwicklungen gelegt.
- Der daraus resultierende Stromfluss durch die Ständerwicklung erzeugt ein Drehfeld Bd im Luftspalt. Das Drehfeld rotiert synchron mit der Netzfrequenz.
- Das Drehfeld induziert im (stehenden) Läufer eine Spannung U2 bzw. Ströme I2 (bei Belastung der Läuferklemmen).
- Wegen F = B * l * L wirken Tangentialkräfte auf die Läuferwicklungen bzw. Läuferstäbe. Es wirkt ein Drehmoment auf den Läufer.
- Der Läufer dreht sich mit einer Drehzahl n. Wird diese Drehzahl so groß wie die Drehfelddrehzahl (n = nj), reduziert sich die Spannungsinduktion im Läufer auf U2 = 0. Damit sinkt auch das erzeugte Drehmoment auf Null ab.

Die Drehstromasynchronmaschine besteht aus einem stillstehenden Teil, dem Stator und dem rotierenden Rotor bzw. Läufer. Sie sind durch einen kleinen Luftspalt (Bruchteil eines Millimeters) voneinander getrennt.

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Bild 1.6: Aufbau der Asynchronmaschine6

Der Ständer besteht aus gegeneinander isolierten Dynamoblechen, die ein geschichtetes Eisenpaket bilden. Das Eisenpaket enthält Nuten zur Aufnahme der (hier: feststehenden) Erregerwicklung (oft dreisträngig). Die Ständerwicklungen werden mit sog. Nutverschlüssen vor mechanischen Schäden geschützt. Das Gehäuse besteht aus Gusseisen mit Kühlrippen. Der Läufer sorgt für eine Oberflächenkühlung.

Alle elektrischen Ständergrößen werden mit dem Index gekennzeichnet (z.B. Ständerstrom I1).

Der Läufer (Rotor, Anker) besteht ebenfalls aus einem geschichteten Blechpaket mit Nuten (zur Aufnahme der Läuferwicklung). Der Luftspalt zwischen Läufer und Ständer ist möglichst gering (mm Bereich) zu halten. Nachteil: Leicht anfällig für Verschmutzung und Korrosion.

Alle elektrischen Läufergrößen mit dem Index 2 gekennzeichnet (z.B. Läuferstrom I2).

1.2.1 Bauarten

Es gibt zwei Arten von Asynchronmaschinen, nämlich mit

- Kurzschlussläufer und mit
- Schleifringläufer.

Diese unterscheiden sich, wie die Namen schon verraten, in der Konstruktion ihrer Läufer voneinander. Der Aufbau des Ständers dagegen ist bei beiden identisch.

1.2.1.1 Kurzschlussläufer

Kurzschlussläufer werden die Rotoren von Asynchronmotoren genannt, die statt einer aus Draht gewickelten Spule (Wicklung) mit Schleifringen (Schleifringläufermotor) im Blechpaket dauernd

kurzgeschlossene, massive Windungen (Käfigläufer) besitzen, die ähnlich wie ein Hamsterlaufrad aus metallenen Querstäben mit beidseitigen metallenen Kurzschlussringen aufgebaut sind.

Bei großen Leistungen wird die Käfigwicklung im magnetischen Eisenblechpaket des Rotors aus Kupfer- und Bronzestäben aufgebaut, die in beiderseits außenliegende Kurzschlussringe aus dem

gleichen Material eingelötet werden. Für Motoren mit kleinerer Leistung wird die „Käfigwicklung“ in entsprechende Aussparungen des Eisenblechpakets (Nuten oder Löcher) im Aluminium­Druckgussverfahren eingegossen. Eine besondere Bauart des Käfigläufers ist der Stromverdrängungsläufer.

Die Nuten für den Käfigläufer verlaufen in der Regel etwas schräg (leicht verdreht gestapeltes Blechpaket), um das Nutenpfeifen (inhomogenes Drehmoment, Netzverunreinigung) zu vermindern.

Durch das magnetische Drehfeld der Stator-Spulen werden in dem Metallkäfig Wirbelströme induziert, die in den untereinander kurzgeschlossenen Metallstäben fließen und ein eigenes Magnetfeld erzeugen. Die Verkopplung des Stator-Drehfeldes mit dem Käfigläufer-Feld führt zur Drehbewegung des Rotors.

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Bild 1.7: Läufertypen: Kurzschluss- und Schleifringläufer6

1.2.1.2 Schleifringläufer

Der Stator des Schleifringläufermotors ist genauso aufgebaut wie der Stator des Kurzschlussläufermotors. Auf der Läuferwelle befinden sich das Blechpaket und die Schleifringe. Je nach Baugröße des Motors wird entweder eine Rippenwelle oder eine zylindrische Welle verwendet. Auf die Welle wird das Blechpaket, in welchem sich rillenförmige Nuten befinden, aufgeschrumpft.

Die Läuferwicklung wird in die Nuten des Läuferblechpaketes eingefügt. Die zu den Schleifringen führenden Spulenenden sind wie auch bei Kollektormotoren mit einer Bandage gegen Zentrifugalkräfte gesichert.

Die Läuferwicklung hat einen kleineren Leiterquerschnitt als beim Käfigläufer und dementsprechend viele Windungen. Aus diesem Grund sind die induzierte Spannung und der Wirkwiderstand wesentlich größer als dies beim Käfigläufer der Fall ist. Der Strom ist geringer, wodurch die Übertragung über Schleifringe und Kohlebürsten ermöglicht wird.

Die Läuferwicklung ist in der Regel eine Dreiphasenwicklung. Die Wicklungen sind meistens in Stern, seltener in Dreieck geschaltet. Der Sternpunkt der Wicklungen wird im Innern des Läufers verschaltet. Bei einigen Motoren wird der Sternpunkt über einen vierten Schleifring nach außen geführt. Dieser Stempunktanschluss wird mit Q bezeichnet. Die Wicklungsenden sind an Schleifringen angeschlossen, an welchen als Stromabnehmer Kohlebürsten anliegen. Die dreisträngige Läuferwicklung hat die Anschlussbezeichnungen K, L, M.

Auf die Funktionsweise der Maschine hat es keinen Einfluss, ob die Rotorwicklung dreiphasig oder zweiphasig ausgeführt ist. Allerdings müssen der Rotor und der Stator die gleiche Polzahl haben; haben Rotor und Stator unterschiedliche Polzahlen, wird kein Drehmoment erzeugt.

Über die Schleifringe kann der Schleifringläufermotor mittels Leistungswiderständen angelassen werden. Die Anlassschaltung ist vom speisenden Netzpotential getrennt.6

1.2.2 Bauformen

Die Möglichkeiten für mechanische Gestaltung einer elektrischen Maschine und ihre Lage im Raum können auf verschiedene Arten kombiniert werden. Man nennt diese Kombinationen Bauformen.

Die Bauformen elektrischer Maschinen sind in IEC 60034-7 festgelegt. Zur einfacheren Verständigung sind Kurzzeichen genormt worden.

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Bild 1.8: Bauformen nach IEC 60034-7 [7]

Die Bauformen von Elektromotoren wurden bestimmt durch:

- Richtung der Antriebswelle (horizontal/vertikal...)
- Art der Lagerung(Lagerschild/Stehlager/...)
- Aufstellung(Bodenfläche/Grundplatte/...)
- Ausführung des Wellenendes (frei/Flansch/außengelagert/...)

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Tabelle 1.2: Häufig verwendete Bauformen elektrischer Maschinen (Auswahl aus IEC 60034-7) [7]

1.2.3 Motorkonfigurationen

Neben den Standardmodellen für Drehstrommaschinen gibt es eine Reihe von Asynchronmaschinen, die mit Hilfe von integrierten Antriebskomponenten oder konstruktionstechnischen Maßnahmen spezielle Eigenschaften besitzen. Im Fokus stehen nun die wichtigsten Konfigurationen, die in der Industrie zum Einsatz kommen.

1.2.3.1 Bremsmotoren

Asynchronmotor mit einer angebauten Einscheibenfederbremse oder einer anderen Bremsausführung. Die Bremse besitzt zwei Reibflächen und die Bremskraft wird von Druckfedern aufgebracht. Das durch Reibschluss erzeugte Bremsmoment steht im stromlosen Zustand zur Verfügung. Zum Lüften der Bremse wird die Bremsspule mit Gleichspannung beaufschlagt. Die entstehende Magnetkraft zieht die Ankerscheibe gegen die Federkraft an das Magnetteil.8

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Bild 1.9: Bremsmotor(DEMAG) 1)Welle, 2)Winkelfuß,3)Lagerschild AS, 4)Impulsgeber, 5)Magnetisierung für Impulsgeber, 6)Leitungsdose für Impulsgeber, 7)Ansteuerbaustein, 8)Reihenklemmen, 9)Ständer, 10)Läufer, 11)Bremsscheibe, 12)Bremsbelag, 13)Ankerscheibe mit Bremsbelag, 14)Magnetspule, 15)Handbremslüfteinrichtung, 16)Lagerschild BS, 17)Bremsfedern, 18)Lüfter, 19)Lüfterhaube

1.2.3.2 Getriebemotoren

Getriebemotoren bestehen aus einem Elektromotor mit einem Untersetzungsgetriebe und bildet eine konstruktive Einheit. Kriterien für die Auswahl der geeigneten Getriebeart sind unter anderem Platzverhältnisse, Befestigungsmöglichkeiten und Verbindung mit der Arbeitsmaschine. Es stehen Stirnradgetriebe, Flachgetriebe, Kegelradgetriebe in normaler und spielreduzierter Ausführung, sowie Schneckengetriebe, Spiroplan-Getriebe, Planetengetriebe und spielarme Planetengetriebe zur Auswahl.

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Bild 1.10: Getriebemotor (SEW)

Eine Besonderheit stellt das Stirnradgetriebe mit einer verlängerten Lagemabe dar. Es wird mit RM bezeichnet und hauptsächlich für Rührwerksanwendungen eingesetzt. RM-Getriebe sind für besonders hohe Quer- und Axialkräfte sowie Biegemomente ausgelegt. Die übrigen Daten entsprechen den Standard-Stirnradgetrieben.

Für besonders niedrige Abtriebsdrehzahlen lassen sich auch Doppelgetriebe durch antriebsseitigen Anbau eines passenden Stirnradgetriebes im Baukastensystem erzeugen.9

1.2.3.3 Umrichtermotoren

Der Umrichtermotor besteht aus einem eigenbelüfteten Elektromotor und einem Frequenzumrichter.

Auf dem Markt haben sich Umrichtermotoren mit zwei unterschiedlichen Konstruktionen etabliert. Bei der einen Konstruktion ist der Frequenzumrichter axial am Elektromotor angebaut. Bei der anderen Konstruktion ist der Frequenzumrichter in einem vergrößerten Klemmkasten integriert oder als separates Gehäuse am Motorumfang montiert. Dabei ist die vom Motor her mögliche Leistungsfähigkeit bei umrichterintegrierten Systemen häufig wegen Problemen hinsichtlich einer effektiven Abfuhr der Umrichterverluste eingeschränkt.

Die Verwendung von elektrisch betriebenen Fremdlüftern zur Umrichterkühlung ist häufig mit Einschränkung in der Ausführbarkeit der Gesamtschutzart und/oder der Lebensdauer der Fremdlüfter verbunden. Die Ausführungen der Umrichtermotoren führen in der Regel zu besonders langgestreckten oder hohen Bauformen, die von den Normabmessungen eines Standardmotors erheblich abweichen. Bei vielen Industrieanwendungen steht jedoch nur ein geringer Einbauraum für den Umrichtermotor zur Verfügung. Bei derartigen Industrieanwendungen muss wie allgemein üblich Motor und Frequenzumrichter räumlich getrennt aufgebaut werden, wodurch Kosten für Verkabelung und Schaltschrank entstehen.

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Bild 1.11: Umrichtermotor (CAV)

Im Handel ist ebenfalls ein Umrichtermotor erhältlich, dem A-seitig mit einem Stirnradgetriebe und B- seitig mit einem Lagegeber, einer Positionselektronik und einer Leistungsendstufe eines Stellgliedes zur Drehzahlverstellung eines bürstenlosen permanenterregten Synchronmotors integriert sind. Diesen Umrichtermotor gibt es im Leistungsbereich von ca. 50 W. Durch die Integration dieser Elemente in einem Elektromotor verlängert sich die Bauform des Elektromotors axial. Ein derartiger Umrichtermotor in einer höheren Leistungsklasse ist nicht vorhanden. Bei höheren Leistungsklassen steigt der Aufwand für eine Entwärmung des integrierten Frequenzumrichters.10

1.2.3.4 Asynchron-Servomotoren

Die speziell für Motion Control-Anwendungen konzipierten Asynchron-Servomotoren zeichnen sich im Unterschied zu Norm-Asynchronmotoren durch eine hohe Rundlaufgenauigkeit aus. Sie sind wesentlich kompakter und mit unterschiedlichen Einbaugebern erhältlich.

Es gibt verschiedene Schutzarten für unterschiedliche Umgebungsbedingungen und auch Ausführungen mit Hohlwelle. Asynchron-Servomotoren werden in Werkzeugmaschinen für Hauptantriebe und Spindeln benutzt oder in Produktionsmaschinen als Antriebe von Rundachsen wie Walzen und Wicklern.

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Bild 1.12: Asynchron-Servomotor (Bosch-Rexroth)

Für Vorschubachsen in Werkzeugmaschinen und Positionierachsen bei Produktionsmaschinen werden die noch kompakteren, in großer Variantenvielfalt erhältlichen Synchron-Servomotoren eingesetzt. Vor allem für Handling- und Fördertechnikanwendungen sind Getriebe-Servomotoren mit Winkel­und Stirnradgetriebe oder präzisen Planetengetrieben die beste Wahl.11

1.2.4 Baugrößen (Achshöhe und Baulänge)

In IEC 72 sind die Baugrößen und die dazugehörigen wichtigen Anbaumaße der Maschinen festgelegt. Bei der weitverbreiteten Fußbauform (IM B3) sind die Wellenhöhe (Achshöhe AH), Fußlochabstände, sowie Abstand der Wellenschulter von der Fußlochmitte; bei der Flanschbauform (IM V1) sind dies die Flanschabmessungen. Für Drehstrommaschinen liegen die Leistungsreihen und die Abmessungen der Wellenenden fest.

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Bild 1.13: Achshöhe H bzw. AH und Baulänge S/M/L

Das Maß für die Wellenhöhe (Achshöhe) entspricht der Baugrößenbezeichnung; die Baugröße ist oft noch unterteilt in S, M und L (short, medium, long). Für Normmotoren (oberflächengekühlte Drehstrommaschinen mit Käfigläufer IM B3) sind den Baugrößen bestimmte Bemessungsleistungen zugeordnet. Die Baugröße einer elektrischen Maschine wird im Wesentlichen durch das Drehmoment bestimmt.

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Bild 1.14: Auswirkung von Leistung und Drehmoment Auf die Baugröße bei elektrischen Maschinen [12.1]

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Tabelle 1.3:Einfluss der Drehzahl auf die Baugröße von Asynchronmaschinen gleicher Leistung(ABB)

Bei gleichem Drehmoment baut die Maschine bei fallender Drehzahl größer. Die Achshöhe (AH) steigt an und damit steigt auch das Gewicht. Mit zunehmender Polpaarzahl sinken cosç und Wirkungsgrad tendenziell ab. Wegen der besseren Wärmemenge in der niedrigeren Schutzart baut die Maschine auch kleiner.

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Tabelle 1.4: Einfluss der Schutzart (Küh ung) auf die Baugröße von Asynchronmaschinen gleicher Leistung [12.1]

1.3 Motorkühlung und Motorschutz

Die Verluste der elektrischen Maschine führen zur Erwärmung, vor allem der Wicklung, aber auch des Blechpaketes. Damit die Maschine keinen thermischen Schaden erleidet, muss sie über eine zuverlässige Kühlung verfügen. Je nach Umgebung (Schmutz, Spritzwasser) und Betriebsart (z. B. niedrige Drehzahl bei vollem Moment) werden innengekühlte, oberflächengekühlte oder fremdgekühlte Maschinen eingesetzt.

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Bild 1.15: Unterschiedliche Motorkühlungen [6]

1.3.1 Motorschutz

Der Motorschutz (zum Beispiel ein Motorschutzschalter) schützt Asynchronmaschinen vor thermischer Überlastung aufgrund mechanischer Überlastung oder bei Ausfall einzelner Phasen.

Es gibt zwei grundlegende Arten, eine Asynchronmaschine im Betrieb vor Überlastung zu schützen, zum einen die Überwachung seiner Stromaufnahme, zum anderen die direkte Überwachung der Temperatur in den Motorwicklungen. Zur ersten Kategorie gehört der Motorschutzschalter und das Überlastrelais (auch Motorschutzrelais), zur zweiten selbstrückstellende Bimetallschalter und Kaltleiter.

1.3.2 Schutzart

Schutzarten für elektrische Maschinen werden nach IEC 60034-5 durch die Kennbuchstaben IP und zwei Kennziffern für den Schutzgrad angegeben.

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Tabelle 1.5: Schutzarten nach IEC 60034-59

1.4 Betriebsverhalten und Kenngrößen der Asynchronmaschine

1.4.1 Drehzahl und Schlupf

Die Drehzahl der Asynchronmaschine ist primär von der Frequenz und der Polpaarzahl abhängig. Diese Größen bestimmen die Drehfelddrehzahl (Synchrondrehzahl) wie folgt:

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Das asynchrone Betriebsverhalten ist darauf zurückzuführen, dass der Läufer dem Drehfeld hinterherhinkt. Die Relativgeschwindigkeit zwischen nd und n wird als Schlupf bezeichnet. Er wird durch die Gleichung

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ausgedrückt. Uns interessiert aber meist der prozentuelle Unterschied zwischen der Drehzahl des Drehfeldes und des Läufers, sodass wir die Gleichung wie folgt erweitern:

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Für Stillstand des Motors ergibt sich n = 0 und damit s = 1. Falls Drehfeld und Läufer synchron laufen würden, also die gleiche Drehzahl hätten, dann wäre nd = n und damit s = 0. Die Grenze nd = n wird allerdings bei einem Asynchronmotor nicht erreicht. Sein Drehzahlarbeitsbereich bewegt sich viel mehr innerhalb der Grenze 0 < s < 1. Die Schlupfwerte von Asynchronmotoren liegen bei Nennbetrieb je nach Motorleistung bei etwa 3 bis 8 %. Seine Nenndrehzahlen sind deshalb nur wenig kleiner als die entsprechenden Synchrondrehzahlen. Haben wir den Schlupf eines Motors einmal ermittelt, können wir die Frequenz des Läuferstroms bestimmen:

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f1 = 50 Hz ist die Frequenz des Ständerstromes bzw. der Ständerspannung. Nehmen wir für den Schlupf einen Wert von s = 5% an, so ergibt sich für die Frequenz des Läuferstroms f2 = 2,5 Hz.

1.4.2 Drehmoment

Die vereinfachte Drehmomentgleichung, welche auch als Kloßsche Gleichung bekannt ist, erhält man bei Vernachlässigung des Ständerwirkwiderstandes R1 zu:

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oder umgestellt:

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mit dem Kippmoment MK und dem Kippschlupf sK (= R2’/X^). Für kleine Schlupfwerte s ist sK2 >> s2 und man erhält näherungsweise:

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Da der Bruch ein konstanter Wert ist, kann auch vereinfacht geschrieben werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.16: Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie

Diese lineare Abhängigkeit gilt sehr gut im hauptsächlichen Betriebsbereich zwischen dem Leerlauf­und dem Bemessungspunkt. Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie verläuft dort nahezu linear und somit ähnlich der Lastkennlinie einer fremderregten Gleichstrommaschine; daher spricht man auch vom Nebenschlussverhalten der Asynchronmaschine in diesem Bereich. Aus der Gleichung erkennt man aber nochmals deutlich, dass bei der Asynchronmaschine ohne Schlupf kein Drehmoment erzeugt wird.

1.4.3 Leistung

Das öffentliche Netz versorgt die Asynchronmaschine mit der Scheinleistung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Wirkleistung als Anteil der Scheinleistung beschreibt jene Leistung, durch die elektrische Energie umgewandelt wird und welche so Arbeit verrichtet, beispielsweise in Form von mechanischer oder thermischer Energie. Die Blindleistung hingegen ist jener Anteil der Scheinleistung, der periodisch zwischen Erzeuger und Verbraucher hin- und herpendelt und somit keine Arbeit verrichtet.

Uns interessiert primär die Wirkleistung, die auch in anderer Schreibweise dargestellt wird:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dem Ständer der Asynchronmaschine wird die elektrische Leistung Pel zugeführt. Hier entstehen bei der realen streuungsbehafteten Asynchronmaschine die Ständerverluste Pv1, die sich aus den Kupfer-, Eisen- und Zusatzverlusten zusammensetzen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die vom Ständer auf den Läufer vom Drehfeld übertragene Leistung (Drehfeld- oder Luftspaltleistung)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

teilt sich auf in die Läuferwicklungsverluste (ohmsche Läuferverluste) PV2 (PCu2) und in die mechanische Leistung Pmech auf:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

wobei:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Pmech’ die die nutzbare mechanische Leistung an der Welle ist. Die ohmschen Läuferverluste PV2 enthalten die Stromwärmeverluste der Läuferwicklung und die Verluste der eventuell vorhandenen Vorwiderstände (Schleifringläufer). Im Bemessungspunkt sind die Eisenverluste im Läufer zu vernachlässigen. Die mechanische Leistung enthält neben der an der Kupplung abgegebenen Leistung noch die Reibungs- und Zusatzverluste. Aus dem Zusammenhang zwischen Leistung und Drehmoment erhält man für die mechanische Leistung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

und für die Drehfeldleistung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus den beiden Gleichungen folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für die ohmschen Läuferverluste folgt daraus:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei der idealisierten Asynchronmaschine werden die Verluste im Ständer vernachlässigt, diese spielen bei kleineren Maschinen eine Rolle. Also folgt daraus:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hiermit kann man nun für den vereinfachten Fall der idealen Asynchronmaschine den Wirkungsgrad bestimmen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.17:Leistungsbilanz einer Asynchronmaschine [13]

1.4.4 Verluste und Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad eines Motors ist das Verhältnis der mechanisch abgegebenen Leistung zur elektrisch aufgenommenen Wirkleistung. Die aufgenommene Wirkleistung ist gleich der abgegebenen Leistung zuzüglich der Gesamtverluste.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Wirkungsgradverlauf eines Drehstrom-Asynchronmotors von 110 kW, 1500 1/min, in Abhängigkeit von der abgegebenen Leistung P2 kann Bild 3/4 entnommen werden. Der Wirkungsgrad ändert sich ändert sich über einen großen Lastbereich nur wenig. Dieser Verlauf, der für Motoren mittlerer Leistung typisch ist, kommt den in der Praxis vorkommenden Belastungsverhältnissen entgegen, da die Antriebe oft nicht voll belastet werden.

Die Gesamtverluste des erwähnten Drehstrommotors mit Käfigläufer verteilen sich wie folgt auf die Einzelverluste:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hinsichtlich der Verlustaufteilung unterscheidet man grundsätzlich zwei Gruppen von Motoren:

1. Motoren, bei denen die lastabhängigen Verluste, also die Stromwärmeverluste in den Wicklungen, überwiegen.
2. Motoren, bei denen die lastunabhängigen Leerlaufverluste, das sind die Eisen- und Reibungsverluste, überwiegen.14

1.5 Herstellerneutrale Motortabelle

1.5.1 Normen

1.5.1.1 Normzahlen

Normzahlen (NZ) nach DIN-323 sind ein durch internationale Normen vereinbartes, allgemeingütiges Zahlensystem, das einer umfassenden Ordnung und Vereinfachung im technischen und wirtschaftlichen Schaffen dient. NZ sind Vorzugszahlen für die Wahl bzw. Stufung von Größen beliebiger Art z.B.

- Längen
- Flächen
- Volumina
- Momente
- Leistungen
- Drehzahlen

mit dem Ziel, eine praktisch erforderliche Zahlenmenge auf ein notwendiges Minimum zu beschränken. Es ist anzustreben, die Zahlenwerte von Größen nach NZ zu wählen, soweit nicht besondere Gründe, z.B. bestimmte physikalische Voraussetzungen, die Wahl anderer Zahlen erfordern.15

1.5.1.2 Toleranzen

Nach IEC 34 (EN 60034) sind folgende Toleranzen für Elektromotoren bei Bemessungsspannung zulässig. Die Toleranzen gelten auch, wenn anstatt eines eindeutigen Werts für die Bemessungsspannung ein Bemessungsspannungsbereich angegeben ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1.5.2 Herstellerneutrale Tabelle für Käfigläufer

Nach DIN EN 50347 sind Baugröße und Leistung genormt. Es umfasst Baugrößen 56M bis 315M mit den Leistungen 0,06 kW bis 132 kW.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.6: DIN EN 50347 Oberflächengekühlte Käfigläufermotoren

Die Werte für Baugröße und Leistung basieren auf Normzahlen, die der DIN 323 Grundreihe R40 entnommen sind. Zur besseren Übersicht werden Normzahlen, die den Baugrößen zugeordnet sind, blau und die den Leistungen zugeordnet sind, rot markiert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.7: DIN 323 mit markierten Normzahlen für Baugröße und Leistung |I5|

Das untere Diagramm zeigt die Abhängigkeit der Nennleistung von der Baugröße für alle Polpaarzahlen. Es wurden die Baugrößen mit der maximalen Leistung aus den Baureihen gewählt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1.5.2.1 Herstellertabellen

Es gibt eine Fülle von Firmen, die Asynchronmaschinen herstellen, doch uns interessieren nur solche, die die geforderten Informationen anbieten.

Die herstellerneutrale Tabelle soll folgende Kenngrößen aufzeigen:

- Baugröße BG
- Polpaarzahl p (1, 2, 3 und 4)
- Nennleistung PN
- Nenndrehzahl nN
- Nennwirkungsgrad ηN
- Nennleistungsfaktor cosçN
- Nennstrom IN
- Nenndrehmoment MN
- Verhältnis von Anlauf- und Nenndrehmoment MA/MN
- Verhältnis von Anlauf- und Nennstrom IA/IN
- Verhältnis von Kipp- und Nenndrehmoment MK/MN
- Massenträgheitsmoment J
- Gewicht m

Nach umfangreichem Recherchieren ist die Wahl auf die folgenden vier Hersteller gefallen, von denen zwei marktführend und die anderen beiden eher bescheiden sind:

- Siemens
- VEM
- Kemmerich
- Gloor

Im Folgenden sind die Herstellertabellen aufgeführt, wobei man sich auf 2-polige Maschinen beschränkt hat (komplette Herstellertabellen auf den Internetseiten der Hersteller). Alle Motoren sind für Dauerbetrieb S1 (siehe 1.6.3.2) ausgelegt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.10: Kemmerich

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.11: Gloor

1.5.2.2 Konstruktion der herstellerneutralen Tabelle

Mit Hilfe der oben genannten Herstellertabellen ist es nun möglich, die herstellerneutrale Tabelle zu konstruieren. Dabei sind manche Größen schon vorgegeben, einige können nur durch Mittelwerte gebildet werden und andere rechnerisch ermittelt werden. Im Folgenden werden die einzelnen Schritte zur Ermittlung der Größen näher erläutert.

Baugröße, Polpaarzahl und Leistung

Diese Größen sind, wie schon bereits erwähnt, die einzigen, die von der DIN vorgegeben sind und müssen daher nicht ermittelt werden.

Drehzahl

Die Nenndrehzahl an der Motorwelle ist nicht vorgegeben und muss demnach ermittelt werden. Zu beobachten ist, dass die Nenndrehzahlen mit steigender Leistung bzw. Baugröße sich der Synchrondrehzahl nähern. Bei BG 100 beispielsweise beträgt die Nenndrehzahl ca. 96% und bei BG 315 ca. 99% der Synchrondrehzahl. Dazu ein Beispiel aus der Siemens-Tabelle:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Drehzahl wird per Mittelwert erfasst. Die aus den Herstellertabellen entnommenen Drehzahlen werden zunächst für die die kleinste BG miteinander addiert und durch die Anzahl der Hersteller dividiert. Danach wird dasselbe Verfahren für die übrigen Baugrößen angewendet. Zum Schluss wird dieser Wert durch die Anzahl der Baugrößen dividiert. So bekommt man die gemittelte Drehzahl.

Wirkungsgrad

Der Nennwirkungsgrad des Motors ist das Verhältnis aus abgegebener mechanischer Nennleistung zur aufgenommenen elektrischen Wirkleistung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Nach Vereinbarung verschiedener Kommissionen wurde die Klassifizierung von Drehstrom­Asynchronmotoren nach ihrem Wirkungsgrad beschlossen. Die Übereinkunft gilt für alle 2- und 4poligen Standardmotoren im Leistungsbereich von 1 bis 100 kW, und die Klassifizierung erfolgt durch Einordnung in eine der drei Klassen eff3, eff2 oder eff1, wobei eff3 den derzeit marktüblichen Wirkungsgraden, eff2 einer deutlichen Wirkungsgradverbesserung und eff1 hocheffizienten Motoren entsprechen.

Nachteil hierbei jedoch, dass es keine Auskunft über den Wirkungsgrad von 6- und 8-poligen Maschinen gibt. Somit kommt diese Möglichkeit zur Ermittlung des Nennwirkungsgrades nicht in Frage.

Eine andere Möglichkeit, den Nennwirkungsgrad zu bestimmen, besteht darin, den Nennschlupf einzubeziehen. Da im Vorfeld die Nenndrehzahl bestimmt wurde kann somit der Wirkungsgrad allgemein wie folgt berechnet werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hierbei ist zu erwähnen, dass diese Formel nur bei Vernachlässigung der Ständerwiderstände gilt. Die aufgenommene elektrische Leistung entspricht dann der Drehfeldleistung. Ein Rechenbeispiel soll dies verdeutlichen. Die Werte für Nennwirkungsgrad und Nenndrehzahl (siehe Gl. für Rechnung) werden aus der VEM-Tabelle für BG100L, 180M und 315M entnommen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.12: Vergleich Wirkungsgrad VEM und Berechnet

Wie man sehr deutlich erkennen kann, ist die Differenz bei kleinen Maschinen erheblich. Mit zunehmender Baugröße wird diese Differenz immer kleiner. Diese Tatsache ist darauf zurückzuführen, dass die Ständerwiderstände bei großen Maschinen kaum eine Rolle spielen. Sie werden in der Praxis vernachlässigt. Aber da wir hier das gesamte Spektrum de Baugrößen von klein, mittel bis groß betrachten, ist diese Methode zur Bestimmung des Wirkungsgrades eher ungeeignet. Daher wird auch hier der Mittelwert gebildet.

Leistungsfaktor

Der Nennleistungsfaktor ist ein Maß dafür, welcher Anteil der Scheinleistung in Wirkleistung umgesetzt wird. Er wird bei einem sinusförmigen Stromverlauf durch folgende Formel festgelegt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Leistungsfaktor wird nicht vorgegeben und um ihn andernweitig zu berechnen, benötigt man Größen, deren Herleitung kompliziert und zu aufwendig ist. Daher wird auch hier das Verfahren der Mittelwertbildung verwendet.

Strom

Der Nennstrom bezeichnet den Strom, der im Ständer des Motors induziert wird. Der Nennstrom kann nun auch berechnet werden, da man im Vorfeld die Größen

- Spannung UN
- Wirkungsgrad ηΝ
- Leistungsfaktor cosçN

kennt bzw. schon ermittelt hat. Bei Drehstrom gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Drehmoment

Das Nenndrehmoment [in Nm] an der Motorwelle kann auch nach DIN überschlägig mit folgender Nährungsformel berechnet werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Vergleichen wir dazu die berechneten Werte mit denen unserer Hersteller:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.13: Vergleich Drehmoment Hersteller und Berechnet

Für kleine Baugrößen stellt man fest, dass die auf diese Weise berechneten Nenndrehmomente mit denen der Hersteller übereinstimmen. Mit zunehmender Baugröße vergrößert sich die Differenz.

Da wir nun die Größen

- Nennleistung PN
- Nenndrehzahl nN

kennen, können wir das Drehmoment ziemlich genau mit der folgenden Formel berechnen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wir stellen die Gleichung um und passen sie an die Einheiten an, damit sieht sie wie folgt aus:

Die Verhältnisse MA/MN, IA/IN und MK/MN

Bei diesen Verhältnissen wäre es durchaus möglich Größen wie

- Anlaufmoment MA
- Anlaufstrom IA
- Kippmoment MK

rechnerisch zu ermitteln, doch hierbei wäre der Aufwand zu groß. Den einzigen Hinweis und das auch nur für das Kippmoment MK gibt die DIN 42681. Dieser soll nämlich mindestens 2,5*MN betragen. Die Verhältnisse werden ebenfalls durch Mittelwertbildung erfasst.

Gewicht und Massenträgheitsmoment

Das Gewicht der Asynchronmaschinen fällt je nach Hersteller sehr unterschiedlich aus. Zurückzuführen ist das auf die Tatsache, das Art und Menge der verwendeten Materialien zur Konstruierung unterschiedlich sind. Ob das Gehäuse aus Aluminium oder Grauguss ist, ob für erhöhte Leistung mehr Eisen verwendet wird, entscheidet hauptsächlich über das Gewicht. Betrachten wir dazu einmal unsere Herstellertabellen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.14: Vergleich Gewicht Hersteller

Bedingt durch diese ungleiche Bauweise wird auch beim Gewicht die Methode der Mittelwertbildung genutzt.

Das Massenträgheitsmoment kann im Allgemeinen durch folgende Formel berechnet werden:

Eingesetzt werden hierbei Masse des gesamten Motors und der Durchmesser des Wellenendes (Tabelle). Betrachten man den Sachverhalt jedoch genauer, stellt man fest, dass für m die Masse des Läufers und für D der Läuferdurchmesser eingesetzt werden muss. Beide Werte sind nicht ohne weiteres zu bestimmen. Ob diese wagen Annahmen zu einem wünschenswerten Ergebnis führen, soll in der folgenden Tabelle aufgezeigt werden. Gewählt werden die Motoren von VEM und Gloor.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.15: Vergleich Massenträgheitsmoment Hersteller und Berechnet

Auch hier ist deutlich erkennbar, dass mit dieser Nährungsformel keine genauen Massenträgheitsmomente berechnet werden können. Darum wird auch hier der Mittelwert gebildet.

Fassen wir noch einmal in der Übersicht zusammen, wie die Kennwerte ermittelt wurden.

Größen, die vorgegeben sind:

- Baugröße BG
- Polpaarzahl p
- Nennleistung PN

Größen, die durch Bildung des Mittelwertes erfasst wurden:

- Nenndrehzahl nN
- Nennwirkungsgrad ηN
- Nennleistungsfaktor cosçN
- Verhältnis von Anlauf- und Nenndrehmoment MA/MN
- Verhältnis von Anlauf- und Nennstrom IA/IN
- Verhältnis von Kipp- und Nenndrehmoment MK/MN
- Massenträgheitsmoment J
- Gewicht m

Größen, die anhand physikalischer Zusammenhänge mit Formeln berechnet wurden:

- Nennstrom IN
- Nenndrehmoment MN

Somit kann nun die herstellerneutrale Motortabelle für Käfigläufer konzipiert werden. Hierbei wurden zwei Varianten gewählt, die sich im Design unterscheiden:

1. Tabelle mit Gitternetz
2. Tabelle mit Farbkontrasten

Auf den nächsten beiden sind diese Tabellen aufgezeigt.

[...]

Ende der Leseprobe aus 139 Seiten

Details

Titel
Elektrische Antriebe im Maschinenbau
Untertitel
Energieeffizienz, Sanftlauf, drehzahlvariable und synchrone Steuerungen
Hochschule
Technische Hochschule Köln, ehem. Fachhochschule Köln
Note
2
Autor
Jahr
2008
Seiten
139
Katalognummer
V186564
ISBN (eBook)
9783656996941
Dateigröße
4628 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
elektrische, antriebe, maschinenbau, energieeffizienz, sanftlauf, steuerungen
Arbeit zitieren
Dipl.-Ing.(FH) Ayhan Uzun (Autor), 2008, Elektrische Antriebe im Maschinenbau, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/186564

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Titel: Elektrische Antriebe im Maschinenbau



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