Aufrufe
vor 2 Monaten

antriebstechnik 9/2018

antriebstechnik 9/2018

UMRICHTERTECHNIK Den

UMRICHTERTECHNIK Den Umrichter im Visier Antriebe im oberen Leistungsbereich kostenoptimal auslegen – so geht‘s Die Integration von Umrichtertechnik ergibt eine Vielzahl neuer Freiheitsgrade in der Projektierung von Antriebssystemen. Durch eine konsequente Optimierung und Abstimmung der Systemkomponenten ist die VEM-Gruppe nun in der Lage, die optimale Antriebslösung für alle Kundenwünsche zu liefern. Wir stellen nicht nur das neue Portfolio vor, sondern auch eine Kostenrechnung. Welcher Weg lohnt sich? J ede Motortechnologie hat ihre Stärken und Schwächen. Neben einem Betrieb direkt am Netz (DOL) können alle Motoren mit einem Umrichter zur Drehzahlstellung ausgerüstet werden (Tabelle 01). Bei Permanentmagnet-Motoren (PM) ist der Umrichter zwingend nötig. Synchronreluktanz-Motoren (SynRM) spielen im oberen Leistungsbereich keine Rolle. Werden die Motoren mit Umrichtertechnik zu einem Antriebssystem erweitert, ergeben sich die bekannten Vorteile: n volles Drehmoment schon bei Drehzahl 0 n Reduzierung des Anlaufstromes auf Nennstrom n Steigerung der Energieeffizienz von Prozessen n Erhöhung der Drehzahl auch über die Nenndrehzahl hinaus Die verfügbaren Umrichtertopologien sind in Tabelle 02 aufgelistet. Jede Umrichtertopologie ist dabei auf bestimmte Anwendungen ausgerichtet und besitzt bestimmte Vor- und Nachteile. Die Umrichter, welche die Rotorspannung von Schleifringläufermotoren regeln, sind im Allgemeinen nur auf 30 – 50 % der Motornennleistung auszulegen. Dadurch sind diese Systeme oft günstiger als Vollumrichter. Im Zuge fallender Halbleiterpreise schwindet dieser Vorteil jedoch. Läufergespeiste Umrichtersysteme werden überwiegend beim Retrofit bestehender Anlagen (meist USK), im Windkraftbereich (DGASM) oder bei Schweranlauf-Anwendungen wie Mühlen, Schredder und Bandantrieben eingesetzt (SER). Ein Dr.-Ing. Jörg Schützhold und Dr.-Ing. Henri Arnold, beide im Bereich Antriebssysteme bei der VEM-Gruppe in Dresden Vergleich mit Vollumrichtersystemen lohnt sich aber immer noch, auch wenn in der weiteren Kostenbetrachtung nicht mehr darauf eingegangen wird. Kostenoptimale Auslegung Im Folgenden werden Preise für Antriebssysteme verschiedener Topologien und Spannungsklassen verglichen. Die vorgestellten Vergleiche erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit, aber Tendenzen in der Preisentwicklung sind gut zu erkennen. Aus Datenschutzgründen wird nicht der Wert in Euro dargestellt, sondern in der fiktiven Währung VEMos (V€M), welche einen festen Umrechnungskurs zum Euro hat. Analyse der Motorkosten Für einen gegebenen Anwendungsfall – d. h. eine feste Drehzahl- und Drehmomentenanforderung nach Kundenwusch – werden mit dem Einsatz von Frequenzumrichtern die Wicklung sowie die Kühlung von großen Elektromotoren angepasst. Somit kann das Nennmoment von Motoren gleichem Bauraums auch bei Drehzahlen deutlich oberoder unterhalb der bisherigen 50-Hz-Synchrondrehzahl erreicht werden. Die Polzahl ist nicht mehr zwingend an die geforderte Drehzahl gekoppelt. Dieser Freiheitsgrad wird zur Systemoptimierung genutzt. Zum Beispiel kann bei einer gewünschten Drehzahl von 2 500 min -1 ein 4-poliger Motor zum kostenoptimalen System führen. Vergleicht man Asynchronmaschinen innerhalb einer Baugröße miteinander, ergeben sich folgende Zusammenhänge bezüglich der Polzahl: 34 antriebstechnik 9/2018

UMRICHTERTECHNIK 01 Unter der Marke VEMoDRIVE liefert VEM auf die Anwendung zugeschnittene geregelte Antriebssysteme n Zweipolige Maschinen weisen deutlich größere Wickelkopfausladungen und Rückenhöhen als bei anderen Polzahlen auf. Damit steigen die Eisenverluste und das drehmomentbildende Bohrungsvolumen sinkt. Für Antriebssysteme werden diese Maschinen nicht favorisiert. n Vier-, sechs- und achtpolige Maschinen haben jeweils kleiner werdende Wickelköpfe und ein größeres Bohrungsvolumen. Dadurch steigt das Drehmoment von der vier- bis hin zur achtpoligen Maschine leicht an. n Höherpolige Maschinen sind oft teurer aufgrund der höheren Nutzahl und weisen einen höheren Magnetisierungsstrombedarf auf. Außerdem steigen bei der Wahl einer höheren Polzahl die Statorfrequenz und damit auch Eisenverluste und Stromverdrängungseffekte. Polzahlen oberhalb der achtpoligen Ausführungen spielen nur eine untergeordnete Rolle. Es gilt je nach Anwendungsfall, erforderlichem Drehmoment und Stromgrenze des Umrichters zu entscheiden, welche Polzahl zum kostengünstigsten System führt. Um die verschiedenen Motortechnologien preislich zu bewerten wird der relative Motorpreis K M,rel verwendet, welcher sich aus dem absoluten Preis K M und dem Nennmoment M n ermittelt: Asynchronmaschinen (ASM) Synchronmaschinen (SM) Käfigläufer Schleifringläufer Vollpolläufer Schenkel polläufer PM-Läufer Tabelle 01: Übersicht über Motorentechnologien Umrichter mit Gleichstrom im Zwischenkreis (Thyristoren oder SGCT) Umrichter mit Gleichspannung im Zwischenkreis (IGBT oder IGCT) Variable Statorspannung (Asynchronmotoren, Synchronmotoren) n LCI (nur Synchronmotoren) n CSI n 2-Level (nur Niederspannung) n 3-Level-NPC (3 – 4,16 kV) n 5-Level-ANPC oder 7-Level- Flying- Capacitor (6 kV) n Multilevel: Niederspannungs-H-Brücken in Reihenschaltung preiswert und robust; Optimierung für Schwer anlauf oder Umrichter betrieb möglich Schweranlauf besonders am schwachen Netz; Drehzahl regelung über Kaskadenschaltungen (USK, DGASM, SER) möglich hohe Drehzahlen; hohe Dynamik preiswerte Herstellung; hohe Drehmomente; hohe Polzahlen hoher Wirkungsgrad; hohe Leistungsdichte; Umrichter notwendig Variable Rotorspannung (Schleifringläufermotoren) n USK n SER bzw. DGASM Tabelle 02: Verfügbare Umrichtertechnologien im VEM-Portfolio 02 Relativer Preisverlauf für Motoren von VEM Das erforderliche Drehmoment bestimmt bei Motoren zusammen mit der Ausnutzungsziffer das Bohrungsvolumen und damit die Masse des Aktivteils, welche entscheidend zum Motorpreis beiträgt. Eine Normierung auf das Drehmoment bringt daher relativ einheitliche Preisverläufe. Aufgrund der Komplexität in der Motorauslegung sind die in Bild 02 dargestellten Preise nur Vereinfachungen und reale Preise können davon abweichen. Zum Beispiel führt ein großer Drehzahlstellbereich in den Feldschwächbereich hinein zu größeren Abmessungen. Auch der Einsatz von Umrichtern mit geringer Level-Anzahl führt zu erhöhten Kosten wegen K M,rel in V€M / Nm 80 LV ASM (p=4,6,8) HV ASM (p=4,6,8) 60 HV SM 40 20 0 2 Nm 20 Nm 200 Nm 2 kNm 20 kNm 200 kNm 2 MNm M n antriebstechnik 9/2018 35

Aktuelle Ausgabe

Aktuelle Ausgabe