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antriebstechnikk 3/2016

antriebstechnik 3/2016

03 Präparation des

03 Präparation des Rotors zur Temperaturmessung, Messstellen „Rotoroberfläche“ (links) und „Magnet“ der Maschine und zur Umgebung zur Abschätzung der Maschinentemperatur während des Betriebes herangezogen werden. Bei der Auswertung der an Maschinen unterschiedlicher Bemessungsleistung sowohl in der PTB als auch bei einem Hersteller von PM – Synchronmaschinen durchgeführten Messungen ergaben sich für die Statorwicklungstemperatur, die Rotortemperatur und die Gehäusetemperatur sehr ähnliche Verläufe in Abhängigkeit der Drehzahl und des Belastungsdrehmomentes, die für die Maschinen „A“ und „B“ exemplarisch in den Bildern 04 und 05 sowie zum Vergleich für die Asynchronmaschine in Bild 06 dargestellt sind. Die Temperaturmessung am Rotor erfolgte dabei über an der Rotoroberfläche und in einer Magnettasche eingebrachte Thermoelemente, die durch die hohl gebohrte Motorwelle nach außen geführt worden sind (Bild 03). Nach dem Abschalten der Maschine wurden die Thermoelemente mit einem Schreiber verbunden und die Abkühlkurve zur Extrapolation auf den Abschaltzeitpunkt aufgezeichnet. Es wurde der höhere Messwert des Thermoelementes an der Gehäuseoberfläche ausgewertet. Die Maschinen A und B sind bis auf die Tatsache, dass die Maschine B allein über Konvektion ohne Lüfter gekühlt wird und für eine kleinere Bemessungsleistung ausgelegt ist, identisch. Wegen der alleinigen Kühlung durch freie Konvektion ist der in Bild 05 für diese Maschine dargestellte thermische Widerstand zur Umgebung deutlich größer als bei der Maschine A. Bei der Maschine B wurde wegen des identischen Aufbaus zu Maschine A und der Tatsache, dass bei allen untersuchten PM-Synchronmaschinen mit „vergrabenen“ Magneten die Rotortemperatur immer unterhalb der Statortemperatur lag, auch auf die aufwändige Präparation des Rotors zur Temperaturmessung verzichtet. Vor der Lagerung Foto Φ / Vs B / T % B 0,00904 1,16699 100 Nach 7 Tagen 0,00901 1,16312 99,67 Nach 21 Tagen 0,00902 1,16441 99,78 Tabelle 1: Ergebnis der Korrosionsversuche an NDFeB – Magneten, [6] Drehmoment 6,5 8,0 9,55 9,55 9,55 Nm Leistung 0,1 0,42 1,0 3,0 3,6 kW Spannung * 28 63 114 296 358 V Strom 5,2 5,9 7,0 7,0 7,0 A Frequenz 5 16,66 33,33 100 120 Hz Drehzahl 150 500 1000 3000 3600 min -1 Betriebsart S 1 Thermische Klasse 155 (F) * Grundschwingungsspannung Tabelle 2: Angaben im Datenblatt für die Maschine A Bei der Maschine C handelt es sich um eine Asynchronmaschine, die hier zu Vergleichszwecken ebenfalls untersucht wurde. Bei der in Bild 06 dargestellten Auswertung für Maschine C fällt sofort auf, dass hier die Temperatur des Läufers oberhalb der Frequenz 5 Hz, bei der die Maschine mit stark reduziertem Dremoment betrieben wurde, im Gegensatz zur PM-Synchronmaschine am höchsten liegt. Das ist ein eindeutiges Indiz für die bei der Asynchronmaschine auch erwartete, im Rotor entstehende belastungsabhängige Verlustleistung. Des Weiteren konnte bei den Untersuchungen gezeigt werden, dass bei Einhaltung der vom Hersteller des Motors festgelegten Bemessungsdaten weder im Stator noch im Rotor der Maschine mit unzulässigen, den Explosionsschutz in Frage stellenden Erwärmungen zu rechnen ist und auch der hier angenommene Störungsfall (Überlastung des Motors) über den Kaltleiter sicher erkannt und der Motor problemlos zu schützen ist. Schutzkonzept für PM-Synchronmaschinen Aufgrund der Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen erwies sich das bereits in [7] im Detail beschriebene Schutzkonzept für die explosionsgeschützte, umrichtergespeiste Asynchronmaschine auch für die umrichtergespeiste permanentmagneterregte Synchronmaschine als geeignet und wurde bei den bereits erstellten EG-Baumusterprüfbescheinigungen angewandt. Den Kern des Konzeptes stellt dabei die drehzahlvariable Strombegrenzung des Umrichters dar, wodurch der bei eigenbelüfteten Maschinen mit der Drehzahl abnehmenden Kühlung Rechnung getragen wird. Aufgrund der Wärmekapazitäten der Maschine sind kurzzeitige Überlastungen möglich, bei den hier betrachteten Maschinen wird der 1,5-fache Maschinenstrom für maximal eine Minute zugelassen. Besteht die Überlastung länger, erfolgt durch den Umrichter eine Abschaltung des Antriebes. Überströme zwischen dem 1,05-fachen Bemessungsstrom und dem 1,49-fachen Bemessungsstrom werden über das I²t – Verhältnis länger zugelassen. In Tabelle 2 sind beispielhaft für die Maschine „A“ die für den sicheren Betrieb einzuhaltenden Parameter zusammengestellt. Die Angaben sind dem Datenblatt zur EG-Baumusterprüfbescheinigung für diese Maschine entnommen. Zusammengefasst kann die am Frequenzmrichter einzustellende drehzahlvariable Strombegrenzung in einem einfachen Diagramm dargestellt werden, welches auch im Datenblatt der Maschine enthalten ist, Bild 07. Zusätzlich zur Stromüberwachung über den Umrichter ist zur Zeit zusätzlich noch eine Temperaturüberwachung der Maschine z. B. mit in den Statorwicklungssträngen eingebetteten Kaltleiterfühlern zusammen mit einem gemäß Richtlinie 94/9/EG funktionsgeprüftem Auswertegerät erforderlich. Ein weiterer positiver Aspekt der direkten Temperaturüberwachung ist auch das Erkennen eines Ausfalls der Kühlung, z. B. durch verstopfte Lüftungsöffnungen. Die Forderung nach der zusätzlichen Temperaturüberwachung ist darin begründet, da die Stromüberwachungsfunktion des Umrichters im Regelfall nicht funktionsgeprüft im Sinne der Richtlinie 4/9/EG ist und eine Zertifizierung insbesondere auch bei späteren Softwareänderungen durch den Umrichterhersteller einen sehr hohen Aufwand bedeuten würde. [8] Wegen der fehlenden Zertifizierung muss bei der Fehlerfallbetrachtung für die Gerätekategorie 2G (Einsetzbar in den Zonen 1 und 2, gasexplosionsgefährdete Bereiche) sowie 2D (Einsetzbar in den Zonen 21 und 22, staubexplosionsgefährdete Bereiche) die Stromüberwachung des Umrichters als nicht vorhanden angesehen werden und der Motor neben dem Betrieb mit Bemessungsdaten auch bis zum Ansprechen der Kaltleiter mit Überlast betrieben werden. Praktisch wird für diesen Versuch die Stromgrenze des Umrichters auf einen Wert deutlich über dem Bemessungsstrom eingestellt, der während des Überlastversuches sicher nicht erreicht wird. Nach dem Ansprechen der Kaltleiter ist dann zu überprüfen, dass kein der äußeren explosionsfähigen Atmosphäre zugängliches Ma­ 82 antriebstechnik 3/2016

ELEKTROMOTOREN 04 Ergebnisse des Motors bei Maschine „A“ 06 Ergebnisse des Motors bei der Asynchronmaschine „C“ 05 Ergebnisse des Motors bei der allein über freie Konvektion gekühlten Maschine „B“ schinenteil die später bescheinigte Temperaturklasse überschreitet. Für den Staubexplosionsschutz darf kein Gehäuseteil sowie die Welle die maximal zulässige Oberflächentemperatur überschreiten. Eine weitere Bedingung ist, dass die zulässigen Temperaturgrenzen der Statorwicklungsisolation sowie der Dichtungen und sonstiger vorhandener Isolierstoffteile, z. B. das Klemmenbrett, nicht überschritten werden. Im Rotor darf es hierbei selbstverständlich auch nicht zu einer thermischen Schädigung der Magnete kommen. Der Frequenzumrichter der Maschine wird im Datenblatt nicht explizit über den Typ festgeschrieben, sondern über die zu erfüllende Mindestfunktionalität beschrieben. Neben der frequenzvariablen Stromüberwachung gehören dazu z. B. noch eine Anlaufüberwachung, wodurch bei dem hier betrachteten Motor eine Abschaltung erfolgt, wenn die im Datenblatt angegebene Mindestdrehzahl nicht innerhalb einer ebenfalls angegebenen maximalen Zeitspanne erreicht wird. Weiterhin muss in diesem Beispiel eine sofortige Abschaltung bei Überschreiten des 1,5-fachen Motorbemessungsstromes erfolgen. Dieser starke Stromanstieg spricht für eine massive Überlastung oder gar für ein Blockieren des Antriebs. Bei einem Versagen der Umrichterstromüberwachung würde auch dieser Störungsfall über den Kaltleiter zusammen mit dem nach Richtlinie 94/9/EG zertifiziertem Auslösegerät erkannt werden. Zusammenfassung und Ausblick Auch die sehr energieeffiziente umrichtergespeiste permanentmagneterregte Synchronmaschine eignet sich in der Zündschutzart „Erhöhte Sicherheit“ für den sicheren Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen, wenn die in diesem Beitrag aufgezeigten Randbedingungen beachtet werden und der Antrieb korrekt ausgelegt worden ist. Zukünftig ist geplant, auch die direkt am Netz betreibbare „Line Start PMSM“ sowie die Reluktanzmaschine in die Betrachtungen mit einzubeziehen und ein entsprechendes Schutzkonzept zu entwickeln. Die auch direkt am Netz betreibbare PM-Synchronmaschine unterscheidet sich von den hier betrachteten Maschinen durch das Vorhandensein des für den Netzanlauf benötigten Rotorkäfigs, in dem beim asynchronen Lauf (Schlupf s ungleich 0) hohe Verluste 07 Maximal zulässiges Drehmoment für Maschine A in Abhängigkeit der Drehzahl entstehen können und auch im Synchronismus die im Rotorkäfig induzierten Oberschwingungsströme betrachtet werden müssen, wenn die Maschine am Frequenzumrichter betrieben wird. Gleiches gilt für einige Bauformen der PM-Synchronmaschine mit aufgeklebten Rotormagneten, wobei während der Fertigung nach dem Abdrehen des ursprünglichen Asynchronmaschinen läufers ein Teil des Käfigs bestehen bleibt. Bei diesen Maschinenausführungen und auch der Line Start PMSM muss z. B. der Fehlerfall „asynchroner Lauf“ zusätzlich betrachtet werden, da hierbei wie bei der Asynchronmaschine auch hohe Stromwärmeverluste im Rotor auftreten können, die eventuell die Ursache für unzulässige Temperaturen sind. Weiterhin ist für die Zukunft zusammen mit Industriepartnern die Entwicklung eines nach Richtlinie 94/9/EG zertifizierbaren Motorschutzgerätes für Umrichterbetrieb geplant, welches den Einbau von Temperatursensoren in die Maschine optional werden lassen würde. Foto 03: Bauer Gear Motor GmbH Literaturverzeichnis: [1] DIN EN 60079-0: 2014, Beuth-Verlag, Berlin [2] DIN EN 60079-7: 2007, Explosionsgefährdete Bereiche – Teil 7: Geräteschutz durch erhöhte Sicherheit „e“, Explosionsgefährdete Bereiche – Teil 0: Betriebsmittel – Allgemeine Anforderungen, Beuth-Verlag, Berlin [3] DIN EN 60079-31: 2014, Explosionsgefährdete Bereiche – Teil 31: Geräte- Staubexplosionsschutz durch Gehäuse „t“, Beuth-Verlag Berlin [4] M.Weber, C.Bode, C. Lehrmann: „Betrachtung permanentmagneterregter Synchronmaschinen unter Explosionsschutzaspekten“, 13. BAM-PTB-Kolloquium, Braunschweig, 18.-19. Juni 2013 [5] C. Bode, H. May und W.-R. Canders: „Optimized reduction of parasitic eddy current losses in high speed permanent magnet motors based on 2-D and 3-D field calculations,“ XV International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and Electronic Engineering, Funchal, 2011. [6] N. Yogal, C. Lehrmann: „Study of Magnetic Properties on the Corrosion Behavior and Influence of Temperature in Permanent Magnet (Nd-Fe-B) used in PMSM”, XII International Conference on Electric Machines and Drive Systems November 13-14 2014, Kyoto, Japan [7] C. Lehrmann: „Über ein Zulassungsverfahren für explosionsgeschützte, umrichtergespeiste Käfigläufer der Zündschutzart „Erhöhte Sicherheit“; Dissertation Leibniz-Universität Hannover, Shaker-Verlag Aachen 2006 [8] C. Lehrmann: „Umrichtergespeiste Antriebe für den Ex-Bereich“, Bulletin Electrosuisse, Band 100 (2009), Heft 2, S. 29-33 antriebstechnik 3/2016 83

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