Moglichkeit der Anwendung des Schaltbetriebes?
B: Massnahmen zur Verbesserung der Ausnutzung
7.3 Massnahmen zur Verbesserung der Ausnutzung uberbelasteter
Antriebe
Leistungsmassig unterbelastete Motoren resultie-ren aus der Furcht des Projektanten und des Be-treibers vor Uberlast. Dabei bedeutet Uberlast im Sinne geltender Projektierungsrichtlinien das Uber-schreiten der zulassigen Wicklungstemperatur uber mehr oder weniger grosse Zeitraume hinweg. Da-mit bedeutet Uberlast Verlust an
Wicklungslebens-Bild 7.13: Wirkungsgrade polumschaltbarer Asynchronmotoren
dauer, die meist mit 100000 Stunden vom Herstel-ler garantiert wird.
Diese starre Vorgabe von zulassiger Wicklungstem-peratur einerseits und garantierter Lebensdauer an-dererseits entspricht eigentlich nicht einem sinnvol-len Vorgehen beim Entwurf und Einsatz eines tech-nischen Elements. Bei Getrieben zum Beispiel wird die gewunschte Lebensdauer vorgegeben und da-nach unter Kenntnis der Lebensdauergesetze und der Verschleissvorgange im Getriebe die Grosse des Getriebes aufgrund spezischer Zahnbelastungen ausgewahlt. Wenn dies bei elektrischen Maschinen bisher anders gehandhabt wurde, so ist das der Tat-sache zuzuschreiben, dass die fur den Aufbau eines Isolationssystems einer elektrischen Maschine not-wendigen Isolierstokomponenten wie Drahtlack, Nutauskleidungen usw. nach ihrer Temperatur-bestandigkeit klassiziert und eingesetzt wurden.
Diese Klassikation der Komponenten nach ihrer
"Warmebestandigkeitsklasse" wird jetzt von der standardisierenden Behorde "International Electro-technical Comitee" (IEC) verlassen und durch eine Systemklassikation ersetzt.
Damit ist der erste Schritt getan, namlich nur im Hinblick auf die thermische Festigkeit der Wick-lung, beim Einsatz des Motors von einer Vorgabe der gewunschten Lebensdauer auszugehen und eine Wicklungstemperatur zuzulassen, die dann in den meisten Fallen uber der bisher zulassigen
Wick-lungstemperatur liegen durfte. Diesem Vorgehen sind allerdings zwei Grenzen gesetzt:
Ein bestimmter Hochstwert der Wicklungstem-peratur darf nicht uberschritten werden, da bei sehr hohen Temperaturen eine spontane und irreversible Schadigung der Wicklung eintreten kann, etwa durch Schmelzen des Lackes
Die ubrigen thermisch empndlichen Bauteile des Motors mussen die der Uberlast entspre-chend hoheren Temperaturen ebenfalls ohne qualitative Veranderung ertragen. Es ist also anzustreben, dass Ventilatoren, Walzlager, Ab-leitungen und Dichtungen ebenfalls auf Uber-lastbedingungen eingestellt werden.
Eine sogenannte lebensdauerorientierte Pro-jektierung sollte aber als Alternative zur ubli-chen Auslegung vorgenommen werden, um die Sinnfalligkeit und Okonomie einer speziellen Ab-stimmung zwischen Motorenhersteller und Anwen-der abschatzen zu konnen. Deshalb werden hier die notwendigen Projektierungsmittel genannt.
Das Lebensdauergesetz fur den Zusammenhang zwischen Temperatur der WicklungT und Lebens-dauer L lautet nach Bussing
L=AeB=T
mitA;B = Konstanten des eingesetzten Isolationssystems
Dieses Gesetz in seiner einfachen Form beruht auf der Absonderung uchtiger Bestandteile des Isola-tionssystems unter dem Einuss der Temperatur.
Die Folge dieses Vorganges ist ein Masseverlust, eine zunehmende Porositat und ein abnehmender Widerstand gegenuber der anliegenden Spannung.
Bild 7.14 gibt den Algorithmus wieder, der zwi-schen der blockformig angenommenen im Belas-tungsrhythmus periodisch auftretenden Tempera-tur-Zeit-Funktion und der zu erwartenden Lebens-dauer der Wicklung vermittelt. So wird z.B. fur eine Temperatur T1, die nach Lebensdauergesetz zu erwartende totale Lebensdauer Lh1 errechnet, die allerdings nur zum Bruchteil delt1=Lh1 in den relativen Lebensdauerverbrauch Z eingeht. Diese Betrachtung kann man fur alle Temperaturblocke anstellen. Schliesslich kommt der Zeitpunkt t[i], an dem die dem Isolationssystem innewohnende
Le-Bild 7.14: Algorithmus zur Bestimmung des Lebensdauerverbrauchs von Nieder-spannungswicklungen in Abhangig-keit vom zeitlichen Verlauf der Wick-lungstemperatur
bensdauer verbraucht ist: der Motor musste zu die-sem Zeitpunkt ausfallen.
Die Bezeichnung "intelligenter" Motorschutz von Geraten bezieht sich auf eine Prognosefunktion, bzw. auf die Moglichkeit der Altersbestimmung der Wicklung. Bei der lebensdauerorientierten Projektierung geht man von einem periodisch wiederkehrenden Belastungszyklus, wie z.B. dem nach Bild 7.15 aus. Dieser Zyklus wird in Temperatur/Zeitabschnitt- Blocke willkurlich auf-geteilt, wobei die Abschnitte mit "unzulassig" ho-hen Temperaturwerten besondere Aufmerksamkeit verdienen. Die rechnerische Lebensdauer ergibt
7 Verbesserung der Ausnutzung unter- und uberbelasteter Antriebe sich als
L=X
i Lh[i]delt[i] TS
wobeiLh[i]=f(T)und entsprechend der bekann-ten Kennlinie des Isolationssystems in Bild 7.16 und TS die Dauer des Spiels ist.
Die "nominale" Lebensdauer Lnom ist fur ein be-stimmtes Isolationssystem festgelegt und betragt im gewahlten Beispiel 100000hbei einer Tempera-tur von 155oCfur ein System der Warmebestandig-keitsklasse F (WBK F). Im Bild 7.15 wurden
Bild 7.15: Temperaturverlauf innerhalb eines Belastungszyklus mit der Spieldauer TS als Basis fur eine lebensdauerori-entierte Projektierung
die den einzelnen Temperatursaulen zuzumessen-den relativen Lebensdauerverbrauche in Prozent eingetragen. Nur die Temperaturspitzen, die uber der Klassentemperatur liegen, bestimmen die Le-bensdauer der Wicklung, z.B. verbraucht die Saule i=4 57% des gesamten Lebensdauervorrates.
Wie bereits erwahnt, mussen neben der Wick-lung auch alle temperaturempndlichen Bauteile des Motors die der Uberlast entsprechenden Tem-peraturspitzen ohne Verlust der Funktionsfahigkeit ertragen. Dies betrit insbesondere die Bauteile:
Lufter: Metall- od. warmestabilisierende Plaste
Lager: Speziallager zur Warmespiel-Aufnahme
Lagerfett: Hohere Temperaturbestandigkeit
Klemmkastendichtung: Silikonkautschuk
Anstrichstoe: Farbbestandigkeit
Bild 7.16: Lebensdauerfunktion fur eine Nie-derspannungswicklung der Warmebe-standigkeitsklasse F, gemessen an Motoretten entsprechend IEC34-18-1 Gegebenenfalls ist eine Modikation der bestehen-den Normmotorenreihen notwendig.
Die in Vorbereitung bendliche Normung einer Be-triebsart mit Zeitspannen fur Uberlast stellt eine Vereinfachung der wirklichen Belastungsbedingun-gen dar. Sie ist ein erster Schritt zur lebens-dauerorientierten Projektierung, die schliesslich voll die im Isolationssystem steckenden Reserven er-schliesst. Die vorgesehene Betriebsart S10 wird z.B. wie folgt gekennzeichnet:
p=t=1:1=0:4;1:0=0:3;0:9=0:2;r=0:1 TL=0:6 Hierbei bedeutet p das Verhaltnis von Leistung zur Nennleistung, t der relative Zeitraum in dem diese Leistung wirkt, r der Zustand Stillstand mit stromlosen Wicklungen sowie TL 1 die relative Verringerung der Lebensdauer der Wicklung, der im Dauerbetrieb (Betriebsart S1) laufenden Ma-schine.