Anlaufvarianten Drehstromasynchronmotor

Daten von Drehstromasynchronmotoren

DAS-Daten-Tabelle5.svg

Folgende Einschaltvarianten wollen wir in diesem Beispiel besprechen:

  • Direkt
  • Stern-Dreieck-Anlauf
  • Betriebsart wechseln
  • Benötigte Leistung über die Zeit ändern
  • Softstarter
  • Frequenzumrichter

Das erledigen wir anhand eines Beispiels in Form eines kleinen Krans. Wir wollen hierzu einen 2-poligen Drehstrommotor auswählen.

Unsere Aufgabenstellung sei:

Der Kran soll 1 t innerhalb von 55 s 20 m in die Höhe heben können. Der Kran hat dabei einen Wirkungsgrad von 0,7.

Wir wählen elektrische Maschinen nach der Leistung aus. Wir müssen also zunächst ausrechnen, welche Leistung benötigt wird. Leistung ist Energie pro Zeit. Die potentielle Energie, die wir benötigen, ist:

Anlaufvarianten-DAS0000.svg

 

eingesetzt in die Formel für Leistung ergibt:

Anlaufvarianten-DAS0001.svg

Anlaufvarianten-DAS0002.svg

 

Wirkungsgrad: Anlaufvarianten-DAS0003.svg

Anlaufvarianten-DAS0004.svg

Anlaufvarianten-DAS0005.svg

 

Wir wählen aus obiger Tabelle ganz überraschend die 5,5 kW Maschine aus.

Außerdem überprüfen wir unsere Einschaltoptionen:

 

Direkt

Fällt laut TAB aus. Denn die Abgabeleistung ist schon größer als die erlaubten 5,2 kVA Scheinleistung. Damit ist auch die Scheinleistung der Maschine erstrecht größer.

Denn es sollte gelten:

Anlaufvarianten-DAS0006.svg

Aber:

Anlaufvarianten-DAS0007.svg

 

Mögliche Alternativen:

Option 2: Prüfen, ob Stern-Dreieck-Anlauf möglich ist.

Option 3: Kleineren Motor nehmen und diesen im Kurzzeitbetrieb laufen lassen.

Option 4: Zeit verlängern und damit die benötigte Leistung verringern.

Option 5: Softstarter verwenden.

Option 6: Maschine an Frequenzumrichter betreiben.

Stern-Dreieck-Anlauf

Benötigte Leistung war: 5095,7 W

Um zu beurteilen, ob die Maschine in Sternschaltung anläuft, müssen wir das Lastdrehmoment mit dem Drehmoment der Maschine in Stern vergleichen. Wir vernachlässigen an dieser Stelle, dass die Drehzahl bei geringerer Last etwas höher ist und verwenden die Nenndrehzahl.

Anlaufvarianten-DAS0008.svg

 

Warum wir die Drehzahländerung vernachlässigen können: Rechnen wir doch zur Kontrolle mal mit Drehfelddrehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute:

Anlaufvarianten-DAS0009.svg

 

Unser Fehler beträgt maximal 2,5 %, davon abgesehen läuft der Motor auch bei 16 Nm nicht im Stern an. Denn das Anlaufmoment der Maschine beträgt:

Anlaufvarianten-DAS0010.svg

Anlaufvarianten-DAS0011.svg

 

Da 14,3 Nm kleiner sind als 16 Nm läuft der Motor in Stern-Schaltung nicht an. Um dieses Problem zu lösen, wählen wir die nächstgrößere Maschine aus:

DAS-Daten-Tabelle6.svg

Wir nehmen jetzt also die 7,5 kW Maschine und die Frage ist, ob das Anzugsdrehmoment 16,6 Nm übersteigt.

Wir rechnen zuerst das Nennmoment in Dreieckschaltung aus:

Anlaufvarianten-DAS0012.svg

Draus folgt das Anzugsmoment in Dreieckschaltung:

Anlaufvarianten-DAS0013.svg

Und in Sternschaltung ein Drittel davon:

Anlaufvarianten-DAS0014.svg

Die Leistung der 7,5 kW Maschine ist demnach ausreichend, um auch in Sternschaltung den Motor anlaufen zu lassen, denn 20,3 Nm ist größer als 16,6 Nm.

Es ist jetzt noch zu prüfen, ob der Anlaufstrom des Motors in Dreieckschaltung unter 60 A liegt. Dazu betrachten wir den Nennstrom in Dreieck mal den Faktor für den Anlauf und davon ein Drittel wegen Sternschaltung:

Anlaufvarianten-DAS0015.svg

30,3 A sind weniger als 60 A und nach TAB darf der Motor in dieser Form eingeschaltet werden.

Für Option 3 wechseln wir die Betrachtung wieder zum Bezugspunkt 5,5 kW Maschine.

 

Betriebsart des Motors ändern

Einen kleineren Motor können wir möglicherweise direkt einschalten und sparen uns die ganzen Schaltungen und Elektronikgeschichten. Wir prüfen dies für die 4 kW Maschine:

DAS-Daten-Tabelle7.svg

Laut TAB müssen wir unter 60 A Einschaltstrom und 5,2 kVA Scheinleistung bleiben:

Anlaufvarianten-DAS0016.svg

51,8 A sind unter 60 A. Prüfen wir auch noch die Leistung:

Anlaufvarianten-DAS0017.svg

5,1 kVA ist kleiner als 5,2 kVA. Der maximale Strom ist jedoch maßgebend. Solange der Anlaufstrom kleiner als 60 A ist, kann auch ein Motor mit höherer als 5,2 kVA Scheinleistung eingeschaltet werden.

 

Es muss geklärt werden, ob das Drehmoment ausreicht. Zur Erinnerung 16,6 Nm werden benötigt.

Anlaufvarianten-DAS0018.svg

Anlaufvarianten-DAS0019.svg

Vom Nennmoment ausgehend würden wir den Motor im Überlastbereich betreiben. Bei ausreichend Abkühlzeit wäre das machbar. Das Anzugsmoment von 34,1 Nm übersteigt die geforderten 16,6 Nm auch, sodass der Motor problemlos anläuft.

Für die nächste Option ist unsere 5,5 kW Maschine wieder der Bezugspunkt.

 

Zeit verlängern, um die benötigte Leistung zu reduzieren

Wir erinnern uns an das höchstmögliche Drehmoment beim Stern-Anlauf mit der 5,5 kW Maschine.

Anlaufvarianten-DAS0020.svg

Anmerkung: An dieser Stelle gehen wir davon aus, dass die Drehmomentkurve keinen Sattelpunkt aufweist und das Drehmoment somit nach dem Anzugsmoment bis zum Kippmoment stetig ansteigt.

Das Lastdrehmoment darf jetzt höchstens 14,3 Nm betragen.

Wir gehen jetzt also rückwärts vor:

Anlaufvarianten-DAS0021.svg

 

Wir rechnen davon ausgehend die Leistung aus. Wir verwenden die Nenndrehzahl, obwohl bei geringerer Last die Maschine schneller drehen würden. Wir verwenden also den schlechteren Wert.

Anlaufvarianten-DAS0022.svg

Anlaufvarianten-DAS0023.svg

Wie wir an dieser Stelle das Ergebnis von 4,4 kW interpretieren: Wenn wir 4,4 kW Leistung an die Maschine hängen, dann überschreiten wir mit der Last nicht das Drehmoment von 14,3 Nm.

Wir müssen also nur noch die 4,4 kW mit der Leistungsformel vom Anfang mit der potentiellen Energie pro Zeit und der Formel für den Wirkungsgrad des Krans verbinden, um die Zeit auszurechnen. Denn die 4,4 kW ist die Leistung, die wir maximal dem Kran zur Verfügung stellen können, ohne die Maschine zu überlasten.

Deshalb verbinden wir

Anlaufvarianten-DAS0024.svg

mit

Anlaufvarianten-DAS0025.svg

Anlaufvarianten-DAS0026.svg

und stellen nach der Zeit T um

Anlaufvarianten-DAS0027.svg

Wenn wir etwa 9 Sekunden mehr Geduld haben, können wir die 5,5 kW Maschine mit Stern-Dreieck-Anlauf verwenden.

 

Softstarter verwenden

Ein Softstarter reduziert die Spannung über Phasenanschnitt und begrenzt hierüber den Strom.

Da Strom und Spannung proportional sind, gehen wir so vor, dass wir uns den Einschaltstrom des Motors ansehen und den Faktor berechnen, um diesen unter die 60 A zu bekommen:

Anlaufvarianten-DAS0028.svg

Daraus berechnen wir den Faktor:

Anlaufvarianten-DAS0029.svg

Um den 86 % des Stroms zu erhalten, müssen wir die Spannung auf 86 % absenken. Da das Drehmoment proportional zur Leistung ist, die wiederum proportional zum Produkt aus Spannung und Strom ist, ergibt sich ein quadratischer Zusammenhang.

Anlaufvarianten-DAS0030.svg

Anlaufvarianten-DAS0031.svg

Das Absenken der Spannung auf 86 % bewirkt ein Absenken des Drehmoments auf 74 %.

 

Zur Erinnerung:

Anlaufvarianten-DAS0032.svg

Bei 74 % bleiben uns: 31,8 Nm

Zur Erinnerung das Drehmoment der Last:

Anlaufvarianten-DAS0033.svg

Das Drehmoment reicht beim Softstarter zum Anlaufen des Motors aus. Man könnte sogar noch „softer“ starten und die Spannung und Strom weiter absenken:

Wir benötigen 16,6 Nm. Die Maschine hat ursprünglich 43, Nm.

Anlaufvarianten-DAS0034.svg

Uns reichen 37 % des Anzugsmoment, das macht bezogen auf die Spannung:

Anlaufvarianten-DAS0035.svg

Bei weniger als 61 % der Spannung würde der Motor mit dem Softstarter nicht mehr anlaufen.

 

Maschine am Frequenzumrichter betreiben

Der Frequenzumrichter senkt die Spannung und gleichzeitig die Frequenz ab und begrenzt über das Absenken der Spannung den Strom. Das gleichzeitige Absenken der Frequenz sorgt dafür, dass das Drehmoment konstant bleibt.

Anlaufvarianten-DAS0036.svg

Diese Proportionalität lässt sich erklären durch die Formel für das Drehmoment:

Anlaufvarianten-DAS0037.svg

Denn die Spannung U ist proportional zur Leistung P. Die Drehzahl n jedoch hängt wesentlich von der Frequenz f ab.

Hinweis

Die Zielgruppe der Website sind Elektrofachkräfte und elektrotechnisch unterwiesene Personen. Es wird ausdrücklich davon abgeraten, dass Laien an elektrischen Anlagen arbeiten. Die angebotenen Seiten haben lediglich informativen Charakter. Die Bewertung der Information sowie Verantwortung und Haftung obliegen der ausführenden Person. 

Bewerten

Bewertung

Elektriker-Celle bewerten

Wenn Du mit unserem Bildungsportal (elektriker-wissen.de) von Elektriker-Celle zufrieden warst, hinterlasse uns doch eine gute Bewertung bei Google. 

Falls Du mit dem Angebot nicht zufrieden warst oder Anregungen hast, sende uns doch eine E-Mail mit Deiner Kritik oder Verbesserungsvorschlägen:

mail@elektriker-celle.de