Elektrische Maschinen
123 Elektrische Antriebe
4.10 Wirkungsgrad von FU
Der Wirkungsgrad von kompletten FU va-riiert abhängig von der Leistung, der Aus-lastung und der Qualität des Umrichters.
Für eine konservative Abschätzung bei Nennleistung kann die rote Kurve in Abbil-dung 4.60 verwendet werden. Sie ent-spricht den Anforderungen gemäss IEC 61800-9. Gute Umrichter können aber durchaus höher liegen, wie die grüne Kurve zeigt. Verbessert werden können die Wirkungsgrade mit folgenden Mass-nahmen:
]
] Bei Diodengleichrichtern auf der seite kann mit einer verbesserten Netz-stromform die Leitdauer der Dioden ver-grössert werden. Damit sinkt der Span-nungsabfall etwas ab. Im Wirkungsgrad sind damit aber nur Promille zu gewinnen.
]
] Der Verbrauch von Steuerung und Hilfs-elektronik ist vor allem bei kleinen Antrie-ben im Vergleich zur Nennleistung rele-vant. Der Energiebedarf der Ansteuerung sollte deshalb klein gehalten werden.
]
] Eventuell eingesetzte Ventilatoren soll-ten in der Auslegung korrekt bemessen sein. Bei grossen Antrieben können sie, ab-hängig vom Kühlleistungsbedarf, geregelt oder geschaltet werden.
]
] Viel Potenzial steckt in den lastseitigen Stromrichtern: Werden die Leistungshalb-leiter eher überdimensioniert, sinken die Leitverluste, eventuell steigen dafür aber die Schaltverluste. Hier muss ein Optimum gesucht werden. Eine tiefe Schaltfrequenz reduziert die Schaltverluste, was sich aber negativ auf die Verluste in der Last und eventuell durch Geräusche manifestiert.
]]Mit dem Einsatz von GaN- und SiC-ba-sierten Halbleitern lässt sich der Wirkungs-oder bei konstanter Drehzahl einfacher
φ(t) = φ0 + ωt. Wird mit diesen Grössen eine Drehfeldmaschine gespeist, so be-stimmt das Vorzeichen von ω die Drehrich-tung des Feldes.
Auch xˆ, die Amplitude der drei Grössen xU, xV und xW, kann dabei eine Funktion der Zeit sein: xˆ = f(t).
Mit den vorgehenden Randbedingungen sind Stromrichter dreiphasige Strom- oder Spannungsquellen, wie in Abbildung 4.59 links dargestellt, je nach Regelung oder Steuerung. Diese einfache Betrachtung ist für die Anwendung sehr hilfreich.
Die drei beschriebenen Sollwert-Grössen kann man sich auch als Zeiger x(t) mit der Länge xˆ und dem Winkel φ bezüglich der U-Achse vorstellen, der auf die drei um 120º versetzten Achsen U, V, W abgebildet wird, wie das in Abbildung 4.59 rechts dargestellt ist.
Abbildung 4.60:
Wirkungsgrad von Frequenz-umrichtern.
0,1 kVA 1 10 100 1 MVA Sn
0,90 0,95 η 1,0
guter FU
konservativ
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Leistungselektronik
grad der Stromrichter weiter steigern. Zu-sätzlich kann aufgrund der kleineren Ver-luste, der zulässigen höheren Temperatu-ren und der höheTemperatu-ren möglichen Schaltfre-quenzen die Baugrösse der Stromrichter reduziert werden.
]
] Bei inaktiven Antrieben können die Strom richter teilweise deaktiviert werden.
Am einfachsten geschieht das durch Ab-schalten der PWM. Damit fallen die Schalt-verluste weg und der Stromrichter kann schnell wieder aktiviert werden.
In der IEC 61800-9 wird ausführlich be-schrieben, welche Verluste in Funktion der Leistung zu erwarten sind und wie sie sich in Funktion des Arbeitspunktes bestimmen lassen.
Abbildung 5.1:
Speisungsvarianten für
Drehfeld-maschinen.
Abbildung 5.2:
Anlauf bei netz-frequenter Spei-sung. Oben: Direkt-anlauf; unten: mit
Anlaufhilfe.
5.1 Einleitung
Ein elektrischer Antrieb wandelt elektri-sche Energie in mechanielektri-sche Energie um, oder umgekehrt, mechanische in elektri-sche. Im einfachsten Fall besteht ein An-trieb lediglich aus einer Maschine, viel-leicht noch mit einer Anlaufhilfe. Liegt die elektrische Energie aber nicht in der benö-tigten Form vor, so kann sie mit Hilfe von Leistungselektronik so angepasst bezie-hungsweise umgewandelt werden, dass eine optimale Nutzung möglich wird. Die Kombinationen von Leistungselektronik und Maschinen ergeben vielfältige Mög-lichkeiten, um den Arbeitspunkt der Ma-schine zu beeinflussen. Für die am weites-ten verbreiteweites-ten Maschinentypen, die Asynchronmaschine mit Käfigläufer und die permanenterregte Synchronmaschine, ergeben sich die zwei grundsätzlichen Speisungsarten gemäss Abbildung 5.1:
]
] Im oberen Fall werden die Maschinen mit fester oder variabler Spannung betrieben, aber in beiden Fällen mit Netzfrequenz.
]
] Im unteren Fall werden Maschinenspan-nung und -frequenz über einen Stromrich-ter dem gewünschten Arbeitspunkt ange-passt. Die Drehzahl der Maschinen ist da-bei unabhängig von der Netzfrequenz und der Netzspannung.
Antriebe mit netzfrequenter Speisung kön-nen weiter nach der Art ihres Anlaufver-fahrens eingeteilt werden. Der einfachste Fall ist der direkte Anlauf am Netz in Abbil-dung 5.2 oben. Dieser ist für kleine ASM der Normalfall. SM mit Dämpferkäfig kön-nen teilweise direkt am Netz anlaufen.
Diese Betriebsart wird aber nur in Spezial-fällen eingesetzt.
Grössere ASM und Synchrongeneratoren benötigen sogenannte Anlauf-, Anfahr-, oder Starthilfen, mit denen sie aus dem Stillstand bis in die Nähe der stationären Drehzahl beschleunigt und erst dann fest auf das Netz geschaltet werden. Bei SM ist zusätzlich noch eine Synchronisiereinrich-tung notwendig, die für eine korrekte Pha-senlage der Spannungen von Maschine und Netz beim Zuschalten sorgt.
Mit dem Einsatz von Stromrichtern in Ab-bildung 5.3 sind die flexibelsten Anlauf- und Betriebsarten möglich, da Netz- und Maschinengrössen entkoppelt sind. Neben der Drehzahl kann damit auch die Dreh-richtung geändert werden.
Antriebe
Kapitel 5
netzfrequente Speisung
Stromrichterspeisung:
- variable Spannung - variable Frequenz
ohne Anlaufhilfe mit Anlaufhilfe
gesteuert, z.B. U/f-Steuerung geregelt, z.B. Vektorregelung
Angetriebenes System Antrieb
Netzfrequenz var. Spannung
Netz, Einspeisung
Netzfrequenz «sanfter»
Hochlauf
Starthilfe Maschine
Angetriebenes System Antrieb
Netzfrequenz Netzspannung
Netz, Einspeisung
Netzfrequenz «direkter»
Hochlauf Maschine
126 Antriebe
5.2 ASM mit netzfrequenter Speisung
5.2.1 Bewegungsgleichung
Bei netzfrequenter Speisung interessieren die Betriebszustände: «Stillstand – Anlauf»
(Hochlauf), «stationärer Betrieb» und
«Auslauf – Stillstand». In den Übergangs-zuständen: «Anlauf aus dem Stillstand auf Betriebsdrehzahl» und von da «Auslauf bis zum Stillstand» gilt die Bewegungsglei-chung ausgedrückt durch Antriebsmo-ment M, Lastmoment ML und Trägheits-moment J:
J
und daraus für die DrehzahlJ M
Für eine Zunahme der Drehzahl muss das Drehmoment M– ML positiv sein. Damit beschleunigt die Maschine bis zum nächs-ten stabilen Arbeitspunkt, in dem M= ML
ist. Sind Antriebsmoment Mund Lastmo-ment ML gleich gross, so ändert sich die Drehzahl nicht mehr und der stationäre Betrieb ist erreicht.
Je nach Anwendung ist die Anlaufzeit tA, d. h. die Zeit, die bis zum Erreichen des sta-bilen Arbeitspunktes benötigt wird, eine wichtige Grösse. Für die Anlaufzeit von null bis zur Betriebsdrehzahl ΩB resultiert aus der Bewegungsgleichung:
J
Welche Speisungsvariante für einen An-trieb am besten eingesetzt wird, ist abhän-gig von den Anforderungen:
]
] Ist eine Anlaufhilfe notwendig respektive vorgeschrieben?
]
] Genügt eine feste Drehzahl oder ist die Flexibilität eines Stromrichters notwendig?
Ein Antrieb ohne Anlaufhilfe ist die preis-günstigste Lösung. Passen Antrieb und Anwendung exakt zusammen, so sind An-triebe mit und ohne Anlaufhilfe auch be-züglich der Effizienz meist die beste Lö-sung. Muss dagegen ein grosser Lastbe-reich abgedeckt werden, oder ist ganz all-gemein Flexibilität gefragt, so muss ein Stromrichter in Betracht gezogen werden.
Einige ausgewählte Anwendungsbeispiele verschiedener Antriebskonzepte zeigt Ta-belle 5.1.
Angetriebenes System Antrieb
Variable Frequenz und Spannung Netz, Einspeisung
Netzfrequenz Variable Drehzahl
und Drehrichtung
Stromrichter Maschine
Abbildung 5.3:
Speisung der Maschine mit variabler Frequenz und Spannung.
Netzfrequente Speisung Speisung mit verstellbarer Frequenz
Ohne Anlaufhilfe Mit Anlaufhilfe Gesteuert Geregelt
ASM Pumpen und Lüfter kleiner Leistung
Pumpen und Lüfter grosser Leistung
Drehzahlvariable Pum-pen, Förderbänder
Fahrmotoren bei Bah-nen
SM Nur für spezielle SM mit Dämpferkäfig möglich
Grosse SM im Netz:
Pumpen, Gasturbinen
Synchrondrehende Rol-len, z. B. in der Herstel-lung von Kunststoffen
Servoantriebe in der Automatisierung Tabelle 5.1:
Einsatz verschie-dener Antriebs-konzepte.
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