Anlaufvarianten Drehstromasynchronmotor

Daten von Drehstromasynchronmotoren

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:

 

eingesetzt in die Formel für Leistung ergibt:

 

Wirkungsgrad: 

 

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:

Aber:

 

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.

 

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

 

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:

 

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:

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:

Draus folgt das Anzugsmoment in Dreieckschaltung:

Und in Sternschaltung ein Drittel davon:

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 Sternschaltung unter 60 A liegt. Dazu betrachten wir den Nennstrom in Dreieck mal den Faktor für den Anlauf und davon ein Drittel wegen Sternschaltung:

 

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:

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

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

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.

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.

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:

 

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.

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

mit

und stellen nach der Zeit T um

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:

Daraus berechnen wir den Faktor:

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.

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

 

Zur Erinnerung:

Bei 74 % bleiben uns: 31,8 Nm

Zur Erinnerung das Drehmoment der Last:

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.

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

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.

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

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