Lexikon | Antriebstechnik

Vorwort

Dieses Lexikon ist nicht vollständig und wird mit der Zeit nach und nach ergänzt.

Inhalt

Elektrische Maschinen

  • Betriebsarten
  • Isolierstoffklassen
  • Bauformen von Elektromotoren nach IEC/DIN
  • Abmessungen von Elektromotoren nach IEC/DIN
  • Gleichstrommotoren
  • Wechselstrommotoren
    • Ott-Steinmetzschalter
    • Kondensatoren
  • polumschaltbare Drehstromotoren (mit Käfigläufer)
  • Energiesparmotoren
  • Hochgeschwindigkeitsmotoren
  • Rüttelmotoren
  • Wassergekühlte Elektromotoren
  • Drehmomentmotoren/Torquemotoren
  • EC-Motoren und ihre Vorteile
  • Schrittmotoren
  • Brems-Gleichrichter
  • Ex-Schutz-Klasseneinteilung, Stand 2000 hier klicken (nicht ATEX) !

Frequenzumrichter

  1. Funktionen
  2. Netzfilter EMV und Sicherung der EMV
  3. S-Kurve
  4. Netzdrossel/Sinusfilter/Motordrossel
  5. Bremswiderstände
  6. Betrieb eines Motors oberhalb der Netzfrequenz / Frequenzeckpunk bei 87 Hz
  7. Vektorregelung
  8. PID-Regelung
  9. für Frequenzumrichter geeignete Drehstrommotoren



Elektrische Maschinen:
Unter einer elektrischen Maschine versteht man allgemein Generator oder auch Elektromotor. Der Generator
wird
von einer Arbeitsmaschine angetrieben und wandelt somit mechanische in elektrische Energie um.
Der Motor treibt eine Arbeitsmaschine an und entnimmt aus dem Netz elektrische Energie und gibt diese an
der Welle ab.  Je nach Spannungsarten werden in der Praxis Gleich- und Wechselstrommaschinen eingesetzt.


Betriebsarten:
Die Betriebsarten von elektrischen Motoren werden lt. VDE 0530 «Regeln für elektrische Maschinen» in
verschiedene Belastungsgruppen eingeteilt. Die Motoren müssen so bemessen werden, dass die zulässigen Wicklungstemperaturen bei den jeweiligen Arbeitsverfahren nicht überschritten werden. Um den Motor auch bei Schaltbetrieb voll ausnutzen zu können, wird für die Nennleistung die mittlere quadratische Leistung eingesetzt.
Unter Betrieb versteht man die Festlegung der Belastung für den Motor einschließlich ihrer zeitlichen Dauer und
Reihenfolge sowie gegebenenfalls einschließlich Anlauf, elektrisches Bremsen, Leerlauf und Pausen. Eine
Betriebsart kann durch Kennzeichen gekennzeichnet sein:

S1 bzw. DB (Dauerbetrieb):
für Motoren, die Nenn-Dauerbetrieb, d.h. allgemeine Zwecke, hergestellt ist. Ein Betrieb mit konstanter Belastung, dessen Dauer ausreicht, den thermischen Beharrungszustand zu erreichen.

S2:
Bei der Betriebsart S2 folgt nach dem Kurzzeichen S2 die Angabe der Betriebsdauer Beispiel: S2 30 min. Die Betriebsdauer mit konstanter Belastung reicht nicht aus, um den thermischen Beharrungszustand zu erreichen.
In der Pause erfolgt Abkühlung, bis Motor und Kühlmitteltemperatur höchstens 2K voneinander abweichen.

S3 und S6:
Bei diesen Betriebsarten folgt nach dem Kurzzeichen die Angabe der relativen Einschaltdauer und die Spieldauer,
falls sie von 10 min abweicht. Beispiel S3 30%. S3: Der Betrieb ist in Folge gleichartiger Spiele mit konstanter
Nennlast und Stillstandszeit. Der Anlaufstrom beeinflußt die Erwärmung nicht merklich. Relative Einschaltdauer ist gleich Belastungszeit geteilt durch (Belastungszeit plus Stillstandszeit) mal 100%. S6: Der Betrieb ist Folge gleichartiger Spiele aus Zeit mit konstanter Belastung und Leerlaufzeit. Es tritt keine Pause auf.

S4 und S5:
Bei diesen Betriebsarten werden die Kurzeichen erweitert um die Angabe der relativen Einschaltdauer sowie das Trägheitsmoment des Motors und das Trägheitsmoment der Last, beide auf die Motorwelle bezogen. Beispiel S4
25% JM=0,15kgm² Jext=0,8kgm². S4: Betriebsart mit Folge gleichartiger Spiele aus merklicher Anlaufzeit, Zeit mit
konstanter Belastung und Pause. Relative Einschaltdauer ist gleich (Anlaufzeit plus Belastungzeit) geteilt durch (Anlaufzeit plus Belastungszeit plus Stillstandszeit) mal 100%. S5: Betriebsart mit Folge gleichartiger Spiele aus merklicher Anlaufzeit, Zeit mit konstanter Belastung, Zeit schneller elektrischer Bremsung und Pause.

S7:
Hier wird das Kurzzeichen erweitert um das Trägheitsmoment des Motors und das Trägheitsmoment der Last,
beide auf die Motorwelle bezogen. Beispiel: S7 JM=0,15kgm² Jext=0,8kgm². Der Betrieb ist eine Folge gleichartiger
Spiele aus merklicher Anlaufzeit, Zeit mit konstanter Belastung und Zeit mit schneller elektrischer Bremsung. Es
tritt keine Pause auf.

S8:
Bei der Betriebsart S8 wird das Kurzzeichen erweitert um das Trägheitsmoment des Motors und der Last, beide
auf die Motorwelle bezogen, sowie die Last, die Drehfrequenz und die relative Einschaldauer für jede in Frage
kommende Drehfrequenz. Beispiel:
S8 JM=0,15kgm² Jext=0,8kgm²
15kW   740 min-1 30%
25kW   980 min-1 40%
40kW 1460 min-1 30%

Folgt der Nennleistung keine Kennzeichnung, so gilt Nenn-Dauerbetrieb. Folge gleichartiger Spieleaus Zeit mit konstanter Belastung und bestimmter Drehfrequenz; anschließend Zeit(en) mit anderer konstanter Drehfrequenz
und Belastung.

S9: Ununterbrochener Betrieb mit nichtperiodischer last- und Drehfrequenzänderung. Belastung und Dreh-
frequenz ändern sich innerhalb des zulässigen Betriebsbereichs nichtperiodisch; häufig auftretende
Belastungsspitzen können weit über der Nennleistung liegen.

Die mittlere quadratische Leistung wird aus folgender Formel bestimmt:

Pm = SQR( ((1 * t1 + P²2*t2)/(t1 + t2)) )

Belastungsdauer t = t1 + t2
Zeit der Ruhepause = tr
Spieldauer = t + tr
Bei der Bestellung oder Planung dieser Motoren gibt die relative Einschaltdauer ED das Verhältnis von Belastungsdauer zur Spieldauer an.

ED = Belastungsdauer/(Belastungsdauer + Pause) * 100%

ED = t / (t +tr ) * 100%

ED = Belastungsdauer / Spieldauer * 100%

Die Normwerte für die relative Einschaltdauer sind 15%, 25%, 40%, 60%, bezogen auf eine Spieldauer von max.
10 min. Eine abweichende Spieldauer muß auf dem Leistungsschild der Maschine angegeben werden.
Wird eine elektrische Maschine vor der vorhandenen Nennleistung  im Dauerbetrieb (S1) auf eine Betriebsart
mit aussetzendem Betrieb umgerechnet, kommt folgende Formel zur Anwendung:

1 * ED1 = P²2 * ED2

Beispiel:
Ein Drehstrommotor P1 = 4 kW, für Dauerbetrieb (ED1 = 100%) ausgelegt,
soll für eine relative Einschaltdauer von ED2 = 60% und 10 min. Spieldauer eingesetzt werden.
Wie groß darf die Leistung P2 des Motors sein ?
Wie lange sind Belastungsdauer und Pause ?

P2 = P1 * SQR( (ED1 / ED2) )

P2 = 4 kW * SQR( (100% / 60%)) = 4 kW * 1,29 = 5,16 kW

ED = Belastungsdauer/(Belastungsdauer + Pause) * 100%

Belastungsdauer = (ED/100%) * Spieldauer

Belastungsdauer = (60%/100%) * 10 min. = 6 min.

Pause = Spieldauer - Belastungsdauer

Pause = 10 min. - 6 min. = 4 min.

Bemerkung:
Dieser Motor mit einer Nennleistung von 4 kW kann durch die kurzzeitige Belastung von 6 min. Belastungsdauer
in seiner Motorleistung um das 1,29fache erhöht werden. Ebenso kann ein kurz-ED-Motor mit entsprechend
verminderter Leistung dauerbelastet werden.


Betriebsart S2 - Kurzzeitbetrieb

 

EDAusnutzung der Typenleistung in % IP23Ausnutzung der Typenleistung in % IP44
1 min.400
2 min.380
5 min.350
10 min.150330
15 min.140280
30 min.130160
60 min.110

120

 

Betriebsart S3 - Aussetzbetrieb ohne Einfluß auf die Temperatur

EDAusnutzung der Typenleistung in % IP23Ausnutzung der Typenleistung in % IP44
15%145200
25%130180
40%120160
60%115130

Betriebsart S6 - Durchlaufbetrieb mit Aussetzbelastung

EDAusnutzung der Typenleistung in % IP23Ausnutzung der Typenleistung in % IP44
15%160180
25%140160
40%130140
60%120120


 



Isolierstoffklassen

 

IsolierstoffklasseABCEFH
max. Temperatur der Wicklung105 °C130 °C220 °C120 °C155 °C180 °C

 


 



Wechselstrommotoren

Grundsätzlich wird für den Lauf von Industrie-Asynchronmotoren (Kurzschluß-läufermotoren für robuste Anwen-
dung) ein möglichst  symmetrisches Drehfeld benötigt. Bei ein- bzw. zwei Phasen ist dies jedoch nur zu 180
Grad des Kreises vorhanden, weshalb immer eine Lösung zur Vervollständigung gesucht wird. Diese Lösung
wird meist mit Kondensatoren erreicht, die kapazitiv aufgrund der 90 Grad-Verschiebung gegenüber der
Induktivität den Drehfeldkreis auf 270 Grad ergänzen. Durch den Lauf der Motoren bildet sich das Drehfeld dann
selbst in Richtung des geschlossenen Kreises aus. Möglich wäre eine Phasenverschiebung auch mit Wider-
ständen, jedoch nicht sinnvoll.

Als Einphasenmotoren (Wechselstrommotoren genannt) können mehrere Motortypen gefertigt bzw. geliefert
werden:

Anzugsmoment ca. 30 % des Nennmomentes: Drehstrommotoren mit Betriebskondensator in Steinmetz-
schaltung (Kurzschlußläufermotoren, Drehzahl frequenzabhängig, nur regelbar über Änderung der Frequenz,
nicht der Spannung; Ausnahme:Motoren mit Widerstandsläufer, z.B. Silumin bzw. für quadratisch zunehmen-
des Drehmoment, für Pumpen,Ventilatoren ), Sie können alle Drehstrommotoren aus unseren Listen
230 V Stern oder Dreieck mit Dauerbetriebskondensator an 230 V einphasig betreiben, wenn Sie pro  kW 67 µF
Kondensatorkapazität (2- und 4-polige Motoren) verwenden. Bei anderen Ausführungen (6- und 8-polige) bitten
wir um Ihre Anfrage.

Anzugsmoment ca.100 %: Kurzschlußläufermotoren mit Einphasenwicklung und Betriebskondensator.

Anzugsmoment ca.200 %: Kurzschlußläufermotoren mit Einphasenwicklung, Betriebs- u. Anlaufkondensator,
wobei der Anlaufkondensator mittels Fliehkraftschalter oder Anlaufrelais nach Anlauf abgeschaltet wird.

Universalmotoren (Motoren mit gewickeltem Anker, Drehzahl spannungsabhängig, also auch für Gleichstrom,
regelbar über Phasenanschnitt- steuerung, Dimmer o.ä. jedoch nicht über die Frequenz.) Nachteil: Abnutzung
des Kollektors u. der Kohlen.

Sondertypen wie Spaltpolmotoren, Synchronmotoren etc. oder auch Stillstandsmotoren (Drehfeldmagnete usw.)

Drehstrommotor mit Anzugsmoment ca.300% an 1AC Netz mit Kondensator
Ähnlich Drehstrommotor am 3AC Netz, so hoch, daß im Lauf reversiert werden kann, d.h., bei Drehrichtungs-
umkehr bremst der Motor bis zum Stillstand ab und läuft in entgegengesetzter Drehrichtung hoch: Verwendung unseres Ott-Steinmetz-Schalters plus Kondensatoren, unserer Patentanmeldung/Offenlegungsschrift
2628355 vom 24.6.76, für unsere, bzw. von uns freigegebene Drehstrommotoren aller Leistungen u. Drehzahlen,
z.B. auch 15 kW. Wenn Sie Wechselstrommotoren mit höherer Leistung bis 50 kW brauchen, liefern wir Ihnen
unseren 1976 per Offenlegungsschrift 2628355 patentrechtlich angemeldeten Ott-Steinmetz-Schalter. Diese
Schalter ermöglichen drehstromgleiches Anzugsmoment und den normalen Betrieb von Drehstrommotoren
bei einphasigem Anschluß. Das Anzugsmoment wird gegenüber der normalen Steinmetzschaltung um ca. 300%
am Einphasenstrom erhöht.

Einphasenanschluß kann oft auch durch Verwendung von Elektronik am Drehstrommotor erreicht werden, die
dann bereits den Sanftanlauf bzw. die Drehzahlregelung beinhaltet. Bitte anfragen.



Gleichstrommotoren

Bitte beachten sie, daß reiner Gleichstrom, also Formfaktor 1 z.B. von Akkumulatoren die Leistung des DC-Motors
mit Kohlebürsten erhöht und den Verschleiß von Kohlen und Kollektor reduziert, jedoch zu hoher Einschaltstrom
bei Permanentmagnetmotoren die magnetische Eigenschaft der Magnete- und damit den Motor zerstören kann.
Auch bei diesen Motoren werden daher elektronische Regelgeräte empfohlen.

Die eingebauten Kohlebürstenqualitäten wurden nach umfangreichen Versuchen speziell ausgewählt. Nur mit Originalkohlebürsten ist eine optimale Kommutierung, eine lange Lebensdauer und ein minimaler Abrieb an den Kollektoroberfläche gewährleistet. Die Standzeit eines Kohlebürstensatzes hängt u.a. sehr stark vom Formfaktor
der Speisespannung ab. (F=Effektivwert des Stromes/Gleichrichtwert des Stromes) Er ist ein Wert, welcher sich
mit zunehmendem Oberwellenanteil vergrößert. Der Effektivwert wird mit einem Dreheisen-, der Gleichrichtwert
mit einem Drehspulmeßgerät gemessen; bei üblichen Steuer- bzw. Regelgeräten liegt er, je nach Phasen-
anschnittswinkel und Ankerinduktivität, zwischen 1,1 und 2,5. Der Formfaktor sollte den Wert 1,1 nicht wesentlich überschreiten, andernfalls empfehlen wir die Verwendung von Glättungsdrosseln. Ansonsten muß mit einem drastischen Rückgang der Bürstenstandzeit gerrechnet werden und die volle Nennleistung steht nicht zur
Verfügung.

Im generatorischen Betrieb der DC-Motoren beträgt die Generatorleistung ca. 90% der angegebenen
Motorleistung.



Polumschaltbare Drehstromotoren (mit Käfigläufer)

Mit Drehstromotoren sind am 50 Hz-Netz nur Drehzahlen unter 3000 1/min möglich. Die Polzahländerung ist durch Umschaltung zwischen getrennten Ständerwicklungen oder der Spulengruppen einer Ständerwicklung möglich. Überwiegend benutzt man bei gebrochenen Drehzahlverhältnissen (3:4, 2:16 usw.) die getrennte Wicklungen. Bei einem Drehzahlverhältnis von 1:2 wird meist die Dahlanderwicklung D/YY mit einer Ständerwicklung verwendet.
Für große Polzahl D-Schaltung, für kleine Polzahl YY-Schaltung. lesitungsverhältnis 1:1,36; Drehstromverhältnis
1:0,68. Y-YY-Ständerwicklungen werden bevorzugt für quadratisches Drehmoment (z.B. Lüfter und Pumpen) und 
kubisches Leistungsverhältnis. Das Leistungsverhältnis der Motoren ist 1:4 und das  Drehmomentverhältnis ist
1:2.

PAM-Wicklung (Polamplitudenmodulationswicklungen)

Durch neuartige Umgruppierungsschaltungen können zwei gebrochene Drehzahlen im Verhältnis 4:1, 4:3 oder
4:5 usw. wie bei der Dahlanderschaltung mit 6 Anschlußklemmen ausgeführt werden. Die Dahlanderschaltung
mit dem Drehzahlverhältnis von 4:2 ist eine einfache PAM-Schaltung. Mit einer 4polpaarigen Grundwicklung
lassen sich bei 50 Hz folgende Drehzahlen errechen: 8/2/4/6/10/12/14polig mit 750/3000/1500/1000/600/500/428 1/min. Sie haben kleinere Baugrößen, besseren Wirkungsgrad, gute Beschleunigung und sind preisgünstiger,
jedoch einen schlechteren Wicklungsfaktor



Energiesparmotoren

Hohe Energiekosten schlagen im Rahmen der Betriebskosten voll zu Buche. Gelingt es, sie spürbar zu senken,
wird die Produktion letzten Endes wirtschaftlicher und wettbewerbsfähiger. Vor dem Hintergrund hoher Energie-
preise, der neuen internationalen Gesetzgebung und zunehmendem Energiebewußtsein, gewinnen Energiesparmotoren der neuen Generation auffallend an Bedeutung.

Wirkungsgradkennzeichnung EFF III bis EFF I

CEMEP, das europäische Komitee der Hersteller von u.a. Elektromaschinen und die europäische Kommission für Energie haben vereinbart, daß alle Niederspannungsmotoren im Leistungsbereich 1,1 kW - 90 kW, 2- und 4-polig, entsprechend ihres Wirkungsgrades eingeteilt werden in Wirkungsgradklassen EFF I, EFF II und EFF III. Die
Hersteller bringen diese jeweiligen Klassen auf das Leistungsschild an und zusätzlich werden in den Katalogen
die Wirkungsgrade bei Vollast und 75% Teillast angeben. Die Kennzeichnung erfolgt durch ein geschütztes Logo.
Das Verfahren zur Bestimmung der Wirkungsgrade erfolgt nach IEC 600 34-2. Die Motoren in EFF III entsprechen
den derzeit auf dem Markt üblichen Wirkungsgraden. Motoren mit verbessertem Wirkungsgrad werden laut EFF II
gebaut, während hocheffiziente Motoren nach EFF I gebaut werden.



Wassergekühlte Motoren

Im Betrieb eines Motors treten Verluste (Wicklungs-, Eisen- und Lagerreibungsverluste) auf, die den Wirkungsgrad
des Motors bestimmen und in Wärme umgewandelt werden. Die Verlustwärme wird durch Flüssigkeitskühlung
abgeführt, um den Elektromotor mit erhöhter Leistung vor thermischer Überlastung zu schützen. Die Verluste sind
für die Bemessung des Motors von Bedeutung und bestimmen dessen Baugröße. Wird bei einem Motor die
Kühlleistung erhöht, kann er höher belastet oder kleiner gebaut werden. Hierbei ist die Aufnahme der Wärme durch flüssiges Medium höher als durch die Luft.

Der benötigte Kühlmediumverbrauch in l/min richtet sich dabei hauptsächlich nach der geforderten Bemessungsleistung des Motors. Für die Berrechnung benötigt man auch die Eintrittstemperatur und Austrittstemperatur. Nach VDE 0530, Teil 1 bei Wärmetauschern darf eine Wassereintrittstemperatur von +5 °C
nicht unterschritten werden. Um einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage zu gewährleisten, sollte eine Kreislauf-
kühlung mit einem Luft-Wasser-Wärmetauscher gekoppelt werden.



Drehmomentmotoren/Torquemotoren

Zum Aufwickeln von Drähten, Textilfäden, Bändern etc. auf Spulen sind Antriebssysteme erforderlich, die das
Wickelgut mit möglichst konstanter Zugspannung vom kleinsten bis zum grössten Wickeldurchmesser aufspulen.
Zur Erzielung konstanter Zugspannung muss der Spulenantrieb entsprechend dem beim Wickelvorgang grösser
werdenden Wickeldurchmesser ein dazu linear grösser werdendes Drehmoment entwickeln. Da durch den technologischen Vorgang der Bearbeitung des Wickelgutes (Lackierung, Trocknung, Färbung etc.) eine konstante Geschwindigkeit eingehalten werden muss, soll das Antriebsmoment zur Drehzahl der Spule für konstante Zugspannung der Bedingung entsprechen:

M x n = konstant

Aus dieser Beziehung ergibt sich ein Verlauf von Drehzahl zu Drehmoment entsprechend eines Hyperbelastes.
Der Idealfall für Wickelantriebe ist, wenn das Antriebssystem mit seiner Drehzahl-Drehmomentverlauf einer
Hyperbel-Charakteristik entspricht. Wickelantriebe die diesen Bedingungen entsprechen, werden vornehmlich
mittels Gleichstrommaschinen mit Stromrichtern ausgeführt, wobei die Steuerung der Zugspannung über
sogenannte Tänzer-Rollen erfolgt. Bei dieser Steuerung wird durch die Tänzer-Rolle die Zugspannung konstant gehalten. Die Nachteile dieser Steuerung liegen in erster Liniein der technischen umfangreichen
Aufwendung.

Da von dem Hyperbelverlauf von Drehzahl und Drehmoment nur ein kleiner Ast für den Wickelvorgang erforderlich
ist und die beiden Hyperbeläste in Richtung M und n begrenzt werden müssen, kann, bei richtiger Auswahö eines Torquemotors eine annähernde Übereinstimmung im benötigten Drehmomenten/Drehzahlbereich erreicht werden. Man errecht bei sorgfältiger Auswahl des Torquemotors einen Zugabfall des Wickelgutes bei voller Spule um etwa 10-20%. Dieser Zugabfall bewirkt, dass die unteren Windungen auf der Spule fester gewickelt sind als die oberen. Dieser Effekt kann in manschen Fällen von Vorteil sein, da ein Einziehen der oberen Windungen in die darunter liegenden dadurch verhindert werden kann.

Sind kleinere Drehzahlen erforderlich wird ein entsprechender Riemenantrieb oder ein Stirnradgetriebe (auch
mech. Regelgetriebe) vorgeschaltet. Mit dem Übersetzungsverhältnis des Getriebes ändert sich das Drehzahl/Drehmomentverhältnis ähnlich einer Hyperbelfunktion.

Bei Verminderung der Klemmenspannung verringert sich das Drehmoment nach einer quadratischen Funktion
zur Spannung. Bei Änderung der Frequenz ändert sich das Moment im verkehrten quadratischen Verhältnis zur
Frequenz bei konstanter Spannung. Bei guter Anpassung sollte die Synchrondrehzahl 35% über der max. Aufspuldrehzahl bei der leeren Spule liegen. (Auszug, Quelle F005)



Rüttelmotoren

Als Antriebseinheiten werden Einphasen-Wechselstrom-oder Drehstrom-Motoren verwendet. Sie sind in robusten Aluminium- oder Stahlgehäusen untergebracht. An der Motorwelle befinden sich zwei Excentergewichte. Sie
erzeugen rotierende Fliehkraft um die Drehachse und bringen den Rüttelmotor ins Schwingen. Diese Unwucht-
Gewichte sind verstellbar. So lässt sich die Schwingweite des Rüttelmotors nach Wunsch variieren. Die
elektrischen Anschlüsse sind entweder direkt aus dem Aggregat hinausgeführt oder sie befinden sich in einem
Klemmenkasten, welcher
mit dem Rüttelmotor-Gehäuse fest verbunden ist.

Die Rüttelmotortypen haben Vibrationskräfte zwischen 2 und >10.000 N.
Sie schwingen zwischen 700 und 2800 mal in der Minute.

Die Rotations-Rüttelmotoren sind staub- und wasserdicht. Ihr Einsatzgebiet ist darum eigentlich überall. Auf
Wunsch auch in explosionsgefährdeten Räumen. Und weil die Kugellager dauergefettet sind, brauchen Rotations-Rüttelmotoren kaum eine Wartung. Neben den Kreisrüttlern gibt es auch Magnetrüttler (Schwingungs-rüttler),
diese sind jedoch hier nicht aufgeführt.

Erfahrungswerte:

 

Bestell-Nr.MaterialGewicht der Rütteleinheit ohne Motor kgmax. Materialgewicht kgSchwingweite
KBM-2,5-2Beton1002000,5-2 mm
KBM-6-2Metallspäne502000,5-2 mm
KBC2-120-4Holzschnizel505003-5 mm
KBC2-160-4Steine grob20018003-5 mm
KBC5-300-4Feinstaubfilter150023-5 mm
KBC5-300-4Gabionen30010003-5 mm
KC8-500-4Gabionen30020003-5 mm

 



Der Einsatz:

Elektro-Rotations-Rüttelmotoren bringen vielerlei zum Schwingen.

In der Industrie helfen sie beim Fördern von pulvrigen oder granulatartigen Schüttgütern. Aber auch beim Fördern
und Sortieren von gross-kalibrigen Stückgütern. Oder sie helfen beim Reinigen von Filterschläuchen und Taschen,
sowie beim Abfüllen von Mehl und anderen staubförmigen Gütern aus Austragungs-Silos. Und schliesslich helfen
sie beim Loslösen von gegossenen Stücken aus Gussformen. Schokolade, Kunststoffteile oder Gebäck. Auch
beim Herstellen, Verladen und Transportieren von Beton sind Elektro-Rotations-Rüttelmotoren nicht mehr wegzu-
denken.
 

Montage und Bescheibung

Die Kreisrüttler können in jeder Lage montiert werden. Horizontal oder vertikal.
Ganz einfach: Die vier Schraubenverbindungen an den Vibratorfüssen sind fest anzuziehen und zu sichern. Das Anschlußkabel muß frei schwingen können, damit es nicht durch die Vibrationseinwirkung abreißt. Bei Einsatz im Freien und bei dauernder Feuchtigkeitseinwirkung ist es angebracht, den Rüttelmotor durch eine Abdeckhaube zu schützen. Nach ca. 30 Betriebsstunden sind alle Schraubverbindungen nachzuziehen.

Die Übertragung der Vibration soll möglichst starr, unter Vermeidung dämpfender Glieder, vor sich gehen. Damit
die volle Kraft der Rüttelmotoren wirkungsvoll übertragen wird, sollte auf dämpfende Unterlagen zwischen Rüttel-
motor und der vibrierenden Stelle verzichtet werden. Der Rüttelmotor soll sich so nahe als möglich an der zu vibrierenden Stelle befinden. Das zu vibrierende Konstruktionsteil dagegen ist beweglich, d.h. auf Federn oder
Gummi zu lagern. Insbesondere bei Typen mit extrem hoher Amplitude ist darauf zu achten, daß der Rüttelmotor
frei ausschwingen kann. Die sich ergebenden Schwingweiten können Sie aus Kurvenblättern für den jeweiligen
Typ ersehen bzw. errechnen. Werden zur Erreichung gerichteter Schwingungen zwei Rüttelmotoren zusammen eingesetzt, sollen diese möglichst nahe zusammen, evtl. mit den Füßen gegeneinander geschraubt werden. Die Drehrichtung der beiden Rüttelmotoren muß gegenläufig sein. Gerichtete Schwingungen können auch durch eine besondere Aufhängung erreicht werden, die in der Vibrierrichtung die Schwingungen starr überträgt, in der seit-
lichen Richtung jedoch den Rüttelmotor ausschwingen läßt.

Einstellung der Fliehkraft:

Unter den beiden Schutzhauben, die mit einem Schraubenzieher abgenommen werden können, befinden sich je
2 oder 4 Fliehgewichte. Diese können mit Hilfe eines Sechskantschlüssels gegeneinander verdreht werden. Zur Reduzierung der Fliehkraft werden die Fliehgewichte verstellt. Dabei ist darauf zu achten, daß die Fliehgewichte
auf beiden Seiten gleichmäßig verstellt werden. Dabei ist zu beachten, daß sich die Veränderung der Fliehkraft
nicht linear zum Verschiebungswinkel verhält, z.B. ist zur Reduzierung der Fliehkraft auf die Hälfte, nicht ein Verschiebungswinkel von 90°, sondern von 120° erforderlich.

Bitte beachten:

Bei Frequenz 60 Hz müssen die Fliehgewichte auf 70% (Verschiebungswinkel 90°) zurückgestellt werden.
Anderenfalls wäre der Motor überlastet. Die Fliehkraft selbst ist jedoch wegen der höheren Drehzahl gleich wie bei
maximaler Einstellung, bei 50 Hz.

Elektrischer Anschluss:

Einige Typen werden mit ausgeführtem Anschlußkabel geliefert. Eine Umschaltung der Drehstromspannungen 230/400 Volt ist deshalb nicht möglich. Sonst ist für 230 Volt Einphasen-Wechselstrom der zum Betrieb erforder-
liche MP-Kondensator im Anschlußkabel untergebracht,.ansonsten werden die Rüttelmotoren mit Klemmen-
kasten geliefert und sind umschaltbar 230/400 Volt. Entsprechendes gilt auch für Sonderspannungen.

Einige sind serienmäßig mit einem Thennoschutzschalter ausgestattet. Sofern nicht durch eine Zeitschaltuhr oder ähnliche Einrichtung gewährleistet ist, daß die Einschaltdauer von 20 % (maximal 12 Minuten Dauerbetrieb pro
Stunde) nicht überschritten wird, ist es nicht angebracht, die Steuerspannung für das Schütz über den Thermoschutz
zu führen. Auf Wunsch bauen wir auch Kaltleiter ein.

Als Anschlußkabel verwenden Sie am besten ein möglichst feindrähtiges NMH-oder NYMHY-Kabel mit 4 x 1,5
bis 2,5 mm2 Querschnitt bzw. passend nach VDE. Wegen der Vibrationen soll der Anschluß nur mit Kabelschuhen
oder Ösen vorgenommen werden.

Auswahl

Bei der Auswahl der Rüttelmotoren spielen die physikalischen Eigenschaften eine wichtige Rolle Die genaue
Größe des Arbeitsmomentes ist oft erst in der Praxis zu bestimmen. Um eine gezielte Auswahl zu ermöglichen,
ist untenstehende Tabelle zu empfehlen.

Aus dem Arbeitsmoment (AM) und der Drehzahl errechnet sich die Fliehkraft wie folgt in [kg] oder [N]:

F(kg)= AM(kgcm) * ((pi * n(1/min))/30)²) / (981*2)  = [kg]
bzw.
F(N)=  AM(kgcm) * ((pi * n(1/min))/30)²) / (100*2  = [N]

AM(kgcm)=F(N)*100*2 / (((pi * n(1/min))/30)²)
AM(kgcm)=F(kg)*981*2/ (((pi * n(1/min))/30)²)

Umrechnung F(kg) <-> F(N):
F(N) = F(kg) * 9,81
F(kg) = F(N) / 9,81

Die Schwingweite (=2xAmplitude) errechnen Sie wie folgt:

SW=AM/G

SW=Schwingweite (cm); AM=Arbeitsmoment (kgcm); Umrechnung: 100 kgmm/5 = 20 kgcm (Faktor 5)
G=Gewicht der Schwingförderanlage einschl. Rüttelmotoren (kg), jedoch ohne Fördergut

Beispiel: Schwingförderanlage mit Rüttelmotor KC8/1-1000-6 wiegt 2500 kg.

Schwingweite bei max. Arbeitsmoment

SW= 2500 kgcm/2500 kg = 0,8 cm d.h. 8 mm Schwingweite und 4 mm Amplitude

 

TypNormal 
Rüttelmotoren




High-Speed Rüttelmotoren 
auf Anfrage





Prozess und Material600 rpm750 rpm1000 rpm1500 rpm3000 rpm6000 rpm8000 rpm
Schwingweite in mm16-2010-166-103-50,5-2
Verdichten von BetonXXX
Verdichten von Grafit, SandXXX
Lösen von Sand, Kalk, 
Zement, Kohlen, Granulat
XX
FilternXXX
Transport von Sand, 
Kiesel, Granulat, Beton
XXXX
Screening and drainingXXXX


 



Funktionsprinzip des Elektronik(EC)-Motors (Serie G023)

Der Elektronikmotor (EC-Motor) ist ein bürstenloser PM-Motor. Bei diesem Motorentyp steckt die Wicklung im stillstehenden Stator, und die Permanentmagnete liegen in dem rotierendem Rotor. Deshalb entfällt das im
Gegensatz zu bürstenbehafteten Permanentmagnet(PM)-Motoren für die Stromwendung (Kommutierung)
notwendige Bürsten-Kommutator-System. Zur Erzeugung eines annähernd konstanten Drehmomentes werden
die Wicklungsstränge des Stators so bestromt, so das durch den Strom erzeugte Statorfeld nährungsweise
senkrecht zu dem von den Permanentmagneten erzeugten Rotorfeld steht. Dazu ist ein Rotorpositionssensor notwendig, welcher der Kommutierungselektronik die Rotorposition mitteilt. Der Elektronikmotor ist deshalb,
anders als ein bürstenbehafteter PM- oder ein Induktionsmotor nur mit Hilfe einer zusätzlichen Elektronik
funktionsfähig.

Die neuesten EC-Motoren unterscheiden sich deutlich hinsichtlich Leistungsdichte und Wicklungsfertigung von Motoren der älteren Generation. Um die Leistungsdichte weiter zu steigern, wurden die Blechschnitte durch den
Einsatz moderner numerischer Feldberechnungsverfahren (FEM) speziell für EC-Motoren optimiert, und es
kommen konzentrierte Wicklungen, d.h. Spulen um je einen Zahn, zum Einsatz. Diese Wicklungsart zeichnet sich
durch besonders kurze Wickelköpfe und eine vollautomatisierbare Fertigung bis hin zur Terminierung aus. Da
das Statorfeld bei EC-Motoren ausschließlich zur Drehmomentbildung und nicht noch zusätzlich wie bei Induktionsmotoren zur Spannungsinduktion in den Kurzschlussläufern dient, können auch extreme Bruchlochwicklungen eingesetzt werden. Diese würden beim Induktionsmotor zu nicht beherrschbaren
parasitären synchronen und asynchronen Drehmomenten führen.

Die Vorteile des EC-Motoren im Vergleich zu Induktionsmotoren

Beim EC-Motor wird das magnetische Feld durch Permanentmagnete erzeugt. Deshalb ist anders als beim Induktionsmotor, kein bzw. nur ein sehr geringer Magnetisierungsstrom, notwendig. Da die Stromwärmeverluste (Kupferverluste) hierdurch geringer sind, ist der Wirkungsgrad und damit die Leistungsdichte um ein Vielfaches
höher als beim Induktionsmotor. Der auf Grund des teuren Magnetwerkstoffes höhere Motorpreis amortisiert sich
meist innerhalb eines Jahres durch die eingesparten Energiekosten.

Die Leistungsdichte wird zusätzlich dadurch vergrößert, dass beim EC-Motor die Verluste fast ausschließlich im
Stator entstehen, welcher eine gute thermische Ankopplung an das Gehäuse besitzt und damit eine sehr gute
Kühlung aufweist. Durch die deutlich höhere Leistungsdichte kann das Bauvolumen eines EC-Motors der zweiten
Generation um ca. 35 % und das der dritten Generation um bis zu 65 % eines vergleichbaren Induktionsmotors
verkleinert werden.

Auf Grund des viel größeren cos(phi) (> 0,9) ist auch der Blindleistungsbedarf eines EC-Motors weitaus geringer,
was die Kosten der Ansteuerelektronik und damit des Gesamtsystems reduziert. Beim Betrieb an einem Frequenz-
umrichter kommt es durch die getaktete Spannung (PWM) zu einer Stromwelligkeit (Stromrippel). Diese Strom-
oberschwingungen besitzen meist eine Frequenz von 5 bis 10 kHz (Taktfrequenz) und überlagern sich dem Grundstrom. Obwohl diese Ströme nur sehr gering sind, führen sie jedoch auf Grund ihrer hohen Frequenz zu deutlichen Verlusten im Kurzschlusskäfig des Läufers sowie zu Wirbelstromverlusten im Statorblechpaket. Dies
führt zu Leistungsreduzierungen beim Betrieb am Frequenzumrichter. Da ein EC-Motor keinen Kurzschlusskäfig
besitzt, sind diese zusätzlichen Verluste auf Grund einer Stromwelligkeit deutlich geringer.

Auf Grund der Stator- und Rotornutung entstehen im Luftspalt des Induktionsmotors sogenannte Oberwellen,
die zu Radialkraftwellen höherer Ordnung führen. Besonders starke Radialkraftwellen werden von den soge-
nannten nutharmonischen Oberwellen erzeugt. Je nach Geometrie des Statorblechpaketes (Jochdicke etc.)
können die Radialkraftwellen Verformungen des Statorjoches verursachen und damit zu einer störenden
Geräuschabstrahlung führen. Induktionsmotoren sind grundsätzlich von dem Nutzahlverhältnis sowie von der Jochgeometrie stets so gebaut, dass bei Frequenzen im Bereich von 50 Hz durch Drehkraftwellen keine
Resonanzen angeregt werden. Beim Betrieb am Frequenzumrichter werden jedoch unter Umständen die
Motoren in Frequenzbereichen betrieben, bei welchen es auf Grund der Anregung von Resonanzen zu störenden Geräuschabstrahlungen kommen kann. Da bei einem EC-Motor der magnetische Hauptfluss von Permanent-
magneten erzeugt wird, existieren keine nutharmonischen Oberwellen des Hauptflusses und die Gefahr der Geräuschabstrahlung ist damit weitaus geringer als bei Induktionsmotoren.

Wird ein Induktionsmotor an einem handelsüblichen Frequenzumrichter betrieben, ist die Potentialdifferenz
zwischen dem Sternpunkt der Wicklung und der Erde (PE) nicht wie beim symmetrischen Betrieb am Netz Null.
Das Sternpunktpotential springt bezüglich des Erdpotentials. Dies führt dazu, dass durch die Statorwicklung
über dem Luftspalt im Motor kapazitiv eine Spannung auf den Rotor und damit auch auf die Welle eingekoppelt
wird. Diese kapazitiv eingekoppelte Wellenspannung kann in den Kugellagern zum Durchschlag des Fettfilms
und damit zu Aufschmelzungen der Lauffläche und somit zu Geräuschbildungen und letztendlich zum Ausfall der
Lager führen. Diese Wellenspannungen sind umso größer je höher die Zwischenkreisspannung  und je kleiner
der Luftspalt ist. Die Problematik der Lagerströme auf Grund von kapazitiv eingekoppelten Wellenspannungen
hat sich durch den verstärkten Einsatz von Frequenzumrichtern in den vergangenen Jahren stetig verstärkt.
Besonders bei  Zwischenkreisspannungen größer 500 Volt DC stellt dies eine große Herausforderung an die
Elektromaschinenbauer dar.  Lösungen sind meist nur durch teuere und aufwendige Maßnahmen, wie Trenn-
trafos mit sekundärseitig geerdetem Sternpunkt, Keramiklager oder Ableitkohlen etc. zu erreichen. Da der
elektrisch wirksame Luftspalt beim EC-Motor mit an der Rotoroberfläche angebrachten Magneten prinzipbedingt
viel größer ist als beim Induktionsmotor, sind auch die kapazitiv eingekoppelten Wellenspannungen
deutlich kleiner und damit ist im allgemeinen die Gefahr von Kugellager schädigenden Lagerströmen nicht
gegeben
.

 



Wissenswertes & Nützliches zum Thema Schrittmotoren

Anwendungsvorteile
Schrittmotoren sind digital gesteuerte und geregelte Antriebe und haben seit dem Technologiewandel (von der
Analog zur Digitaltechnik und derzeitigen Softwarelösungen) - aufgrund der günstigen Preise bei gleichzeitig
höchster Lebensdauer sowie geringem Steuerungsaufwand - die höchste Akzeptanz und Verbreitung
gefunden.

a) PC+SPS fähig (direkt über PC, SPS und Microprozessor steuerbar) Durch die Nutzung des PC’s bereits in der untersten dezentralen Maschinen-Ebene haben die Plug & Drive Motore die höchsten Produktivitätszuwächse. Der Entwicklungs-, Verdrahtungs- und Montageaufwand einer kompl. Antriebseinheit wurde nicht nur drastisch redu-
ziert, die EMV-Verträglichkeit und Maschinen-Verfügbarkeit verbessert, auch die Inbetriebnahme sowie der Service wurden erheblich vereinfacht. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Optionen für kundenspezifische
Anforderungen wachsen ständig neue und enge Partnerschaften zum Vorteil eines besseren und günstigeren
Endprodukts.

b) Drehzahl-Stabilität “Kein Drehzahleinbruch bei Lastschwankung”, diese Forderung erfüllt der Schrittmotor ohne Mehraufwand wie kein anderer Motor. Gerade bei präzisen Drehzahl-, Gleichlauf- oder Verhältnisregelungen (z.B.
bei Präzisions-Dosierpumpen) kann der Schrittmotor durch die digitale Verarbeitung höhere und feinere Auf-
lösungen erreichen. Die bessere Regel-, Prozess- und Oberflächengüte ist dabei nicht nur ein theoretischer Vorteil.

c) Direkt-Antrieb Schrittmotoren haben im unteren Drehzahlbereich das höchste Drehmoment und ermöglichen
mit den Mikroschritt-Treibern noch akzeptable Rundlauf-Eigenschaften bis ca. 2 U/min. Andere Motoren benötigen
hierzu oft ein Getriebe, um die geforderten Drehzahl- und Kraftanforderungen zu erfüllen. Direkt-Antriebe reduzieren
die Systemkosten und erhöhen gleichzeitig die Betriebssicherheit und Lebenserwartung. Bei reduziertem Platz-
bedarf sowie bei hohen ext. Trägheitsmomenten sind natürlich Getriebe zur Leistungs- und Kraftanpassung
unerläßlich.

d) Postioniergenaugkeit Infolge des kleinen Schrittwinkels haben Schrittmotoren neben dem geringsten Nachlauf
auch das kleinste Einschwingverhalten. Bereits ohne ext. Weg.- oder Winkelgeber erfüllen Schrittmotoren hervor-
ragende Drehzahl- und Posititionieraufgaben. Die Genauigkeit bzw. Auflösung läßt sich mit den Leistungs-
endstufen durch die Mikroschrittumschaltung ohne Mehraufwand sogar noch erhöhen. Alle Schrittmotoren sind
auch mit preisgünstigen Encodern für Blockiererkennung u. Closed-Loop Anwendungen erhältlich.

e) Hohe Steifigkeit ohne Bremse Schrittmotoren haben das höchste Haltemoment während des Stillstands und
bieten somit auch eine hohe System-Steifigkeit. Durch diese Fähigkeit kann eine ext. Bremse entfallen, es sei
denn für die Z-Achse ist eine Sicherheitsbremse erforderlich.

f) Vermeidung von Maschinenschaden und Verletzungen Der manchmal erwähnte Nachteil des "außer Tritt
fallens" bei einer Motorblockierung ist in einigen Fällen sogar ein Vorteil bezüglich der stetig steigenden
Sicherheitsanforderungen. Rutsch- und Überlastkupplungen werden bei vorgeschriebenen Sicherheits-
bestimmungen in Verbindung mit Schrittmotoren normalerweise nicht benötigt.

Zuverlässigkeit
Alle Motoren sind bürstenlos (außer Servomotoren der DH-Serie), haben hochwertige Kugellager in den A und
B Lagerschalen und erreichen innerhalb der zulässigen Betriebsbedingungen eine Lebenserwartung von über
10.000 Betriebsstunden. Die Angabe der Lebensdauer basiert auf Untersuchungsergebnissen namhafter Kugel-
lager-Hersteller sowie eigener Versuche. Die errechneten L10h-Werte sind lediglich theoretische Werte bei
optimalen Betriebsbedingungen, aus denen kein Garantieanspruch abgeleitet werden kann.

Leistungsberechnung und passende Motorauswahl
Die erforderliche Leistungs- und Baugröße des Motors hängt in erster Linie von den äusseren Massenbe-
wegungen und deren Reibungsverhältnissen ab.

Reibungskraft bzw. Reibungsmoment
a) Linear : F = m • g • µ
Die Reibungskraft F (N) wird vor allem durch die Masse = m (Gewicht kg) und den Reibungskoeffizienten = µ
bestimmt.

b) Rotation : Md = F • r
Das Drehmoment Md (Ncm) wird durch die Reibungskraft F (N) und den Hebelarm r (cm) (je nach Angriffpunkt
und Abstand zur Kraft-Wirkungslinie) ermittelt.

Beschleunigungsmoment
Aufgrund des Trägheitsgesetztes ist die Kraft bzw. das Drehmoment um so größer, je schneller die Masse beschleunigt wird:
a) Linear : F = m • a
(a = ve - va / t) ve = Endgeschwindigkeit, va = Anfangsgeschwindigkeit

b) Rotation: Md = J • a
(J= pol.Trägheitsmoment z.B. Vollzyl. m • r²)
(a = ne - na / t) ne = Enddrezahl, na = Anfangsdrehzahl

Einfache Drehmomentermittlung
Neben der rechn. Ermittlung ist vor allem die Kraft- und Moment-Ermittlung mittels Federwaage sowie Dreh-
moment-Messuhr von Vorteil, da sie den schlecht zu ermittelnden Reibungsfaktor berücksichtigt.

Ansteuerungen und Schaltungsmerkmale
Nahezu alle Schrittmotoren können mit 4 , 6 und 8 Anschlußleitungen/Litzengeliefert werden, wobei 4 Litzen nur
für Bipolar-, 6 Litzen für Unipolar- und etwas eingeschränktem Bipolar- und 8 für Unipolar- und Bipolar-Betrieb
geeignet sind. Der Unipolar-Betrieb ist mit nur 4 Schaltern äusserst einfach, wird aber heute aufgrund hoch-
integrierter verfügbarer Konstantstrom Bipolar Treiber IC´s, bei einem um ca. 30% höheren Drehmoment mit
einem Marktanteil von ca. 90% dominiert. Auch der Konstantspannungs-Betrieb ist wegen der hohen Verlust-
leistung kaum noch am Markt vertreten. Die produzierten Bipolar Mikroschritt-Konstantstrom Treiber IMT.. + SMC..
weisen daher die höchste Leistungfähigkeit mit zusätzlichen Funktionen wie Mikroschritt-Umschaltung und
dergleichen mehr auf und bieten somit dem Kunden die beste Motor-Leistungsausbeute und Betriebs-
eigenschaften.



Brems-Gleichrichter

Gleichstromseitiges Schalten
Das Schalten erfolgt zwischen Gleichrichter und Magnet. Die Abschaltzeit ist kurz. Auftretende Spannungsspitzen
von geschalteten Induktivitäten werden in dem Gleichrichter durch ein parallel zur Last geschalteter Varistor und
eine Freilaufdiode auf der Gleichspannungsseite reduziert.  Ein nahezu verzögerungsfreies Ansprechen, wie es
z.B. bei elektromagnetischen Bremsen an Elektromotoren gefordert wird, ist sichergestellt.

Wechselstromseitiges Schalten
Das Schalten erfolgt vor dem Gleichrichter auf der Wechselstromseite. Durch langsamen Abbau des Magnetfeldes
ist die Abschaltzeit lang. Die Schalterkontakte am Gleichrichter müssen gebrückt werden.



Frequenzumrichterwissen

Funktionen

Die wichtigsten Funktionen bei einem Frequenzumrichter u.a. sind:

  • Anlauf (Sanftanlauf), Abbremsen und Stillstandsbremsen
  • Drehzahlregelung auch schneller als die Nenndrehzahl des Drehstrommotors
  • Drehrichtungsumkehr rechts/links über eingebaute Tastatur oder extenen Schalter oder SPS
  • Energieeinsparung speziell bei Pumpen und Lüftermotoren, PI-Regler (Durchsatz, Druck...),
  • in der Regel auch für Mehrmotorenbetrieb geeignet
  • Bremslogik, Steuereingänge sind meist SPS-kompatibel
  • +/- Drehzahl, S-förmige Rampen, Frequenzvorwahl, Schrittbetrieb (JOG)
  • Einfangen im Lauf mit Drehzahlerkennung

Einzelheiten zu den Funktionen finden Sie jeweils in den technischen Beschreibungen der im Programm
aufgeführten Umrichter:

Filter - Grundsätzliches

Als in den 1980er Jahren die Möglichkeit gesehen wurde, 3AC-Motoren über Umrichter stetig in der Drehzahl
zu verstellen, war es das Ziel, Umrichter zu entwickeln, die man einfach zwischen übliche Normmotoren und Versorgungsnetz schalten kann. Der Motor solte bei einer Umrichterfrequenz von 50 Hz die volle Bemessungs-
leistung bringen, in einem großen Frequenzbereich bei allen Belastungen einen guten Rundlauf haben,
möglichst nicht lauter sein als Netzbetrieb und er sollte "netzfreundlich" sein. Trotz intensiver und kostspieliger
experimenteller Entwicklungsarbeit hat man dieses Ziel bis heute nicht 100% erreicht.Die extremen Spannungs-
sprünge gefährden die Motorwicklung, die Spannungsüberlagerungen in der Motorzuleitung bringen Über-
spannungs- und Schwingungsprobleme, die Spannungsunterschiede von der Motorzuleitung zu anderen
Leitungen im gleichen Kabelkanal bringen EMV-Probleme und zusätzlich führen die Spannungssprünge im
Motor zu neuartigen Lagerschäden. Um diese Nachteile zu vermeiden, empfehlen wir die Option Ausgangsfilter.
Nachteile hierbei sind aber, dass man gegenüber dem Netzbetrieb eine kleinere Überlastbarkeit hinnehmen
muss und es bleibt vor allem wegen der Modulation mit abgeflachtem Sinus noch eine erhebliche Spannungs-
schwankung von Wicklung gegen Masse.
Zur Erfüllung der häufig von den Energieversorgungsunternehmen geforderten Kurzschlussspannung
uk = 4% des Umrichters zum Netz und zur Verringerung der Oberschwingungen der Netzströme bieten wir als
weitere Option Netzdrosseln oder aufwendigere Netzfilter an. Der Einbau dieser Filder reduziert die Überlastbarkeit
des Antriebs jedoch noch weiter und der Oberschwingungsabbau in den Netzströmen ist bei der in den
Umrichtern ünlicherweise eingesetzten B6-Schaltung nicht sehr groß.

EMV-Netzfilter und Sicherung der EMV

Zur Verringerung von leitungsgebundenen Störungen, und einer damit einhergehenden Sicherstellung einer
gleich bleibenden Qualität des Versorgungsnetzes, werden üblicherweise EMV-Netzfilter eingesetzt.

Die Beachtung des EMV-Aspektes bereits im Planungsstadium ist die preiswerteste und am besten
funktionierende Lösung. Nachträgliche "Besserungsversuche" an installierten Anlagen sind unverhältnismäßig
aufwendig, kostenintensiv und können häufig nur zufallsbedingte Verbesserungen erbringen.

Wesentlich zu berücksichtigende Punkte sind:

  • günstige Positionierung der unterschiedlichen Funktionsbaugruppen in den Schaltschränken
  • Herstellung von ausreichenden Abständen zu potentiellen Störquellen
  • räumliche Trennung der unterschiedlichen Kabel und Leitungen (Leistungsbereich)
  • getrennte Verlegung von Steuer- und Leistungskabeln
  • Berücksichtigung der Anzahl, Lage und Zuordnung von Bezugpotentialen
  • Niederohmiger Erdanschluss mit niederohmigen Schutzleiter / Potentialverbindungen
  • Einsatz von geeigneten Abschirmungsmaßnahmen

Um die EMV-Richtlinien zu erfüllen, müssen ab den 1.1.1998 bei Filter-Klasse A in Wohngebieten und Gewerbe-/Mischgebieten zusätzlich EMV-FILTER mit min. Klasse B eingebaut werden ! In Industriegebieten
reicht Klasse A aus.

Für die Anwendung sind die Normen EN 61800-3 (Produktnorm) und EN 55011/ EN 55022 (Grenzwerte und Messverfahren) wichtig, wobei folgende Grenzwerte eingehalten werden müssen:

EN 55011/ EN 55022 Klasse A:
Grenzwerte für den allgemeinen industriellen Einsatz. Hierzu zählen alle Einsatzorte, die üblicherweise an einen eigenen Hoch- oder Mittelspannungstransformator angeschlossen sind.

EN 55011/ EN 55022 Klasse B:
Grenzwerte für den Wohn-, Geschäfts- und Gewerbeeinsatz. Hierzu zählen alle Einsatzorte, die nicht unter Klasse
A fallen bzw. keine eigene Transformatorstation aufweisen (z.B. Klein-, Gewerbe- und Mischbetriebe
sowie Wohnräume)

Beachte:
Die hier angegebenen EMV-Netzfilter wurden für eine maximale Länge der geschirmten Motorleitung von 30 Metern getestet. Unter Umständen kann die Filterung in der Praxis abweichende Ergebnisse erzielen, d.h. bei Verwendung längerer, ungeschirmter oder falsch angeschlossener Kabel kann keine Garantie auf die Einhaltung der Grenzwerte nach EN 55022 übernommen werden.

Beachte:
Die hier angegebenen EMV-Netzfilter sind nur zur Verwendung mit jeweils einem einzelnen Frequenzumrichter geeignet. Falls mehrere Frequenzumrichter parallel in einem Gerät oder einer Anlage betrieben werden, kann
auch eine gemeinsame Filterung erfolgen. Die Einhaltung der EMV-Grenzwerte muss auch hier sichergestellt
werden und obliegt dann dem Hersteller des Gerätes/ der Anlage.

Beachte:
Die Verantwortung für die Einhaltung der EG-Richtlinie „Elektromagnetische Verträglichkeit“ obliegt bei einer Maschinenanwendung dem Weiterverwender. Die EG-Richtlinie „Elektromagnetische Verträglichkeit“ wird
eingehalten, wenn die Installation der Antriebe den Vorgaben des CE-typischen Antriebssystems entspricht.

S-Kurve

Die S-förmige Beschleunigung und Verzögerung gehört zu den weniger bekannten Umrichterfunktionen; doch
gerade diese ermöglichen eine entscheidende Verbesserung der Prozessleistung und eine Reduzierung des Wartungsaufwands. Ein Lastübergang von einer konstanten Drehzahl zu einer Beschleunigung oder Verzögerung,
oder umgekehrt, erfolgt in der Regel unverzüglich. Das Ergebnis ist ein ruckelnder Vorgang, der die mechan-
ischen Komponenten stark beansprucht. In riemenbetriebenen Systemen hat dies früher oder später ein Reißen
oder Lösen des Riemens zur Folge. In Getriebesystemen hingegen wird die Verzahnung abgenutzt oder
beschädigt. Über die so genannte S-Kurve können die Frequenzumrichter diesen unnötigen damit verbundenen
Produktionsstopps entgenewirken.

Bremswiderstände

Die Widerstände ermöglichen den Umrichterbetrieb im zweiten und vierten Quadranten des Drehmoment-
Drehzahl-Diagramms, die kinetische Energie wird in Wärme umgesetzt. Nur wenn Sie sehr kurze Bremszeiten
benötigen, werden diese benötigt.

Betrieb eines Motors oberhalb der Netzfrequenz

Die maximale Ausgangsfrequenz des Umrichters ist einstellbar. Vor dem Einsatz eines Standard-Drehstrom-
motors oberhalb der Netzfrequenz sollte beim Hersteller erfragt werden, ob der Motor hierfür geeignet ist. Der
Motor wird oberhalb 50/60 Hz mit geringerer Magnetisierung betrieben, was sich als Drehmomentverlust
auswirkt.

Einfluß der Betriebsfrequenz auf die Bemessungsdaten

 

FrequenzSpannungLeistungDrehzahlDrehmomentAnlaufmoment
f [Hz]U/Un [V]P/Pn [%]n/nn [%]M/MN [%]MA/MN [%]
50100100100100100
601001001208370
60120120120100100

 



Erweiterter Drehzahlbereich Frequenzeckpunk bei 87 Hz

 

Frequenzumrichter ermöglichen es demgegenüber, stufenlos Drehzahlen von null bis zur Nenndrehzahl zu erreichen, ohne dass das Drehmoment sinkt (Grundstellbereich). Der Motor kann auch über Nenndrehfrequenz betrieben werden, dann sinkt das abgegebene Moment jedoch ab, da die Betriebsspannung nicht weiter der erhöhten Frequenz angepasst werden kann (Siehe U/f-Betrieb). Der Drehzahlbereich kann bei Motoren mit Stern-Dreieckwicklung, z. B. Dreieckschaltung 230 V 50 Hz / Sternschaltung 400 V 50 Hz, bei einem 400-V-Umrichter in Dreieckschaltung bis 87 Hz eingestellt (50~\mathrm{Hz} \cdot \sqrt{3}) und dadurch mit höherer Drehzahl bei Nennmoment betrieben werden und somit 73% mehr Leistung liefern. Ein höherer Drehzahlbereich bedeutet mehr Dynamik, ein kleinerer Motor spart Bauvolumen und Kosten. In diesem speziellen Fall werden die ursprünglichen Motor- und Umrichterleistungen mit 1,73 multipliziert (darauf achten, einen Umrichter passender Leistung  und mit 400V3AC Spannung auszuwählen).

Zu beachten ist jedoch, dass der Eigenlüfter eine höhere Belastung darstellt und die Eisenverluste (frequenzabhängig) steigen und dadurch der Motor das thermisch bzw. auch mechanisch nicht voll zulässt.

Beispiel: ein 2,2 kW/50Hz-Motor in Sternschaltung liefert bei Dreiecksschaltung eine Leistung von 3,8 kW bei 87Hz (sicherstellen, daß der Motor bei Überdrehzahl betrieben werden kann).

Über einen Hochsetzsteller als netzgespeistes Einspeisemodul kann aus 400VAC können bis zu 730VDC erzeugt werden. Wird mit dieser konstanten Gleichspannung ein Frequenzumrichter versorgt, kann dieser einen Motor bis
ca. 68Hz beschleunigen, ohne das Drehmoment reduzieren zu müssen.

Anlauf mit hohem Drehmoment 

Durch Programmierung einer Frequenzrampe zum Anlauf sind auch schwierige Anlaufbedingungen ohne starke Überstromspitzen zu bewältigen. Mit einer absteigenden Frequenzrampe ist auch das Abbremsen möglich. Viele Frequenzumrichter können dabei selbst überwachen, ob der Motor noch innerhalb eines zulässigen Schlupfes läuft und somit ein „Abreißen“ des Drehfeldes verhindern. Umrichter mit Raumzeigermodulation (Space Vector Control) ermöglichen bei einem Asynchronmotor die getrennte Regelung von Drehmoment und Drehzahl, indem die Istfrequenz anhand der registrierten Rückwirkungen des Motors nachgeführt wird.

Was ist eine Vektorregelung bei Frequenzumrichtern ?

Einführung

Die Vektorregelung ist softwaremäßig in viele Geräte implementiert. Die Vektorregelung bietet ein sehr viel drehsteiferes Antriebsverhalten als die herkömmliche Frequenzregelung. Eine sprunghafte Lasterhöhung des Antriebes resultiert bei Vektorregelung nicht in einer absinkenden Drehzahl, sondern die Motordrehzahl wird trotz des Lastwechsels auf einen konstanten Wert geregelt.

Selbstverständlich kann auch eine herkömmliche Frequenzregelung mit Hilfe einer Drehzahlrückführung diese Lastschwankungen ausregeln, jedoch ist dann der Einsatz von Tachogeneratoren oder Pulsdrehgebern nötig. Die Vektorregelung dagegen kommt ohne diese meist kosten- und engineering-intensiven Zusatzkomponenten
aus.

Grundlagen

Die Vektorregelung stellt einen Berechnungsalgorithmus zur Verfügung, der es dem Umrichter ermöglicht, ohne Meßeinrichtungen an der Motorwelle die Motordrehzahl zu errechnen. Zur Berechnung des aktuellen Schlupfs, der mit der Motordrehzahl eng verknüpft ist, verwendet der Umrichter intern ein vereinfachtes Modell des Asynchronmotors (einphasiges Ersatzschaltbild). Dieses vereinfachte Modell ist hier dargestellt:

  

U =Ausgangsspannung des Umrichters
R1 =Statorwiderstand
Lh =Hauptinduktivität
R2 =auf Statorsystem bezogener Rotorwiderstand
I =Ausgangsstrom des Umrichters
Im =Magnetisierungsstrom
I2 =auf Statorsystem bezogener Rotorstrom
s =Schlupf des Motors

Um dem Umrichter den Aufbau dieses Ersatzschaltbildes zu ermöglichen, müssen ihm Informationen über die konstanten Motorgrößen R1, Lh, und R2 vorliegen.

Die Frequenzumrichter sind mit Ausgangsspannungs- und -strommeßeinrichtungen ausgerüstet. Auf diese Art wird das Gerät einerseits auf Überlastung überwacht, andererseits kann der Frequenzumrichter auf den
elektrischen Zustand des Motors schließen. Wenn alle Motorgrößen R1, Lh und R2 bekannt sind, und die elektrischen Meßgrößen U und I vom Umrichter ständig gemessen werden, kann auf den Motorschlupf s und die Motordrehzahl zurückgerechnet werden.

Bei eingeschalteter Vektorregelung erhöht der Frequenzumrichter bei einer Belastung des Antriebs und der damit verbundenen Absenkung der Motordrehzahl Ausgangsfrequenz, -spannung und -strom dermaßen, daß die
errechnete Motordrehzahl wieder dem vorgegebenen Sollwert entspricht.

Praxis der Vektorregelung

In der Praxis angewandt stellt die Vektorregelung eine kostengünstige Möglichkeit der Drehzahlregelung dar, die ohne Drehzahlgeber oder anderen Rückführungen auskommt. Sie wurde erst durch den Einsatz digitaler Steuerungen sowie schnell schaltenden IGBTs (Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren) möglich. Es gibt zwei Arten der Vektorregelung, die Spannungsvektor-Regelung und die Stromvektor-Regelung. Um die Verluste durch Halbleiter im Umrichter auszugleichen gibt es die Spannungsvektor-Regelung. Bei der eigentlichen U-Vektor-regelung wird beim Schalten der IGBTs ein Nullvektor erzeugt, indem alle drei Wicklungen im Motor auf minus
oder plus kurzgeschlossen werden. Bei der Stromvektor-Regelung gibt es zwei Möglichkeiten: Die "Open Loop Vektor-Regelung" und die "Closed Loop Vektor-Regelung". Wie beschrieben, müssen die Motorgrößen R1, Lh
und R2 bekannt sein, um eine optimale Vektorregelung zu erhalten. Diese Werte sind vom angeschlossenen Motor abhängig. Man gewinnt sie entweder durch bereits im Umrichter gespeicherte Parameter, oder durch Messungen. Der SCH36-Frequenzumrichter ermittelt diese Größen durch einen Auto-Tuning-Lauf, der vom Umrichter vor dem Erstanlauf durchgeführt werden muß.

In der "Open Loop Vektor-Regelung" wird der Motorstrom  von den Ausgangsstromwandlern des SCH36-Umrichters automatisch erfaßt. Die Ausgangsspannung wird ebenfalls ständig vom Frequenzumrichter ge-
messen. Während dieser Selbstoptimierung wird auf den Motor ein Meßimpuls gegeben. Aus der Messung gewinnt der Umrichter alle relevanten Größen. Der Magnetisierungsstrom wird konstant gehalten und der Wirkstrom abhängig von der Belastung eingestellt. Eventuell kann eine Anpassung der auf die Motorwelle bezogenen Massenträgheit erforderlich sein. Bei diesem Verfahren kann ein Drehzahlstellverhältnis von 1:200 und ein Drehmoment von über 150% des Motorennennmomentes schon bei einer Frequenz von 0,5 Hz 
reichen.

In der "Closed Loop Vektor-Regelung" wird an der Motorwelle ein Drehgeber angebracht, der die genaue Dreh-zahl des Motors ermittelt und an den Umrichter weiterleitet. Nun kennt der Umrichter durch die Differenz zwischen
der an den Motor gegebenen Frequenz und der tatsächlichen Drehzahl den Schlupf. Durch diese Information kann er die Belastung wesentlich genauer ermitteln und dadurch den Motor wesentlich dynamischer und
genauer magnetisieren. Hierbei ist ein Drehzahlstellverhältnis von 1:1000 zu erreichen. Ein Drehmoment von über 150% steht ab Stillstand bis zur vollen Frequenz zur Verfügung.

Bitte beachten Sie: Die angeschlossenen Motoren sollten bei Betriebsart Vektorregelung in etwa die Nennleistung des Umrichters besitzen. Die Vektorregelung funktioniert nicht, wenn mehrere Motoren an einen Umrichter
angeschlossen sind. In diesem Fall kann kein Motormodell berechnet werden, da keine Informationen über die Aufteilung des Ausgangsstromes auf die Motoren vorliegen.

PID-Regelung

Die Einsatzbereiche für die PID-Regelung sind zahlreich und vielfältig und reichen vom Plätzchenbacken über die Temperaturregelung einer Stahlschmelze, gleichbleibende Wickelgeschwindigkeit oder
Wickelzugkraft von Folien und Papier,  Fadenzugspannungen, Drahtzugkräften über 3-Rollen Zugkraft-Meßwertaufnehmern (Serie T138/L066) oder das Umpumpen von Tausenden von Litern Wasser pro Minute über Tachometer bis hin zur Regelung von Umgebungsbedingungen über Temperatursensoren etc. PID-Regelung gewährleistet eine gleichbleibende Konsistenz eines Prozesses oder eines betrieblichen Ablaufs. Eine richtig abgestimmte Regelung wird beim Betrieb durch äussere Störungen kaum beeinflusst. Die PID-Regelung wurde
sogar speziell konzipiert, um die Konsistenz von Prozessen aufrechtzuerhalten und äussere Störungen zu kompensieren. Steuerungen (Frequenzumrichter) mit integrierter PID-Regelung haben den Vorteil ohne externe
"black boxes" auszukommen mit geringen Betriebskosten durch einfache Einrichtung. PID (Proportional-, integrierende und differenzierende) Regelung ist das konkrete Verfahren, mit dem die "Prozesssteuerung"
realisiert wird. Bei dieser Regelung ist ein Meßaufnehmer erforderlich, der die zu regelnde Größe mißt und diese der Steuerung als elektrisches Rückführsignal (0(4) ... 20 mA oder 0 ... 10 VDC) zur Verfügung stellt.

Beispiel für Regelkreis mit zwei Eingängen

Bei einem Regelkreis mit zwei Eingängen wird der Wert des Eingangssignals der Sollwertquelle mit dem Prozess-Rückkopplungssignal verglichen. Die Differenz (sofern vorhanden) wird als Regeldifferenz bezeichnet. An-
schließend wird die Regeldifferenz verwendet, einen entsprechenden Drehzahlbefehl für den Motor zu erteilen, um zu versuchen, das Prozess-Rückkopplungssignal an das Sollwert-Eingangssignal anzugleichen.

Beispiel für Regelkreis mit drei Eingängen

Ein Regelkreis mit drei Eingängen verhält sich wie der Regelkreis mit zwei Eingängen, der jedoch durch einen zusätzlichen „Mitkopplungs“-Eingang (den dritten Eingang) ergänzt wurde. Der Mitkopplungseingang wird für komplexere Anwendungen verwendet, die in der Regelgrösse externe Störungen aufweisen, die die Prozessrückkopplung beeinträchtigen können.

Anwendungshinweise

Damit eine optimale, gleichbleibende Systemleistung erzielt werden kann, muss der Rückkopplungssensor inner-halb des für den Motor geeigneten Bereichs skaliert sein. Darüber hinaus muss der Motor direkt auf den gewählten Rückkopplungssignalgeber wirken.

Ein Beispiel für geeignete Skalierung wäre ein Messwertumformer für Wasserdruck, der einen zum Wasserdruck proportionalen linearen Spannungswert liefert. In diesem Beispiel ist die Pumpe für einen Nenndruck bis 200 PSI ausgelegt; der Messwertumformer gibt bei 200 PSI Eingangsdruck eine Nennspannung von +10 V ab. Der Drucksensor ist unmittelbar neben der Kreiselpumpe angeordnet, die der Motor direkt antreibt. Die Umdrehungs-
zahl des Motors wirkt direkt auf den Wasserdruck. Ebenso entspricht der maximal mögliche Pumpendruck dem maximalen Ausgangssignal des Rückkopplungs-Sensors (Wasserdruck-Messwertumformer).

Ein Beispiel für eine unzweckmässige Wahl des Rückkopplungssignals wäre ebenfalls eine Pumpe wie im obigen Beispiel; bei einem maximalen Nenndruck der Pumpe von 200 PSI ist der Wasserdruck-Messwertumformer nun jedoch für ein Ausgangssignal von +10 V bei 1000 PSI Eingangsdruck ausgelegt. Der Wasserdruck-Messwertumformer ist für diese Motor- und Pumpenkapazität erheblich überdimensioniert. Diese Kombination wird nur eingeschränkt leistungsfähig sein, da der effektive Arbeitsspannungsbereich 0 bis 2 V statt 0 bis 10 V beträgt. Hierdurch wird die Genauigkeit und Leistungsfähigkeit des Systems direkt beeinträchtigt; im Extremfall ist das
System völlig unbrauchbar.

Für Frequenzumrichter geeignete Drehstrommotoren

Mit dem vermehrtem Einsatz von frequenzumrichtergesteuerten Elektromotoren ist ein neues Problem entstanden, sogenannte vagabundierende kapazitive Ströme. Diese entstehen entweder durch Peaks in der Pulsfrequenz oder durch Unterschiede in den Phasenspannungen, die sogenannte Common-mode-Spannung. Hierdurch entstehen Lagerschäden. Die Schädigungen sind aufgrund der kapazitiven Entladungen nur wenige Mikrometer groß.
Ankündigen tut sich hier ein Schaden meist durch einen rauen Lauf der Lagerung. Untersucht man die Wälzlager, zeigt sich bei Fettshmierung, dass das Schmierfett ausschließlich im Bereich des Wälzkontaktes schwarz verfärbt
ist. Sind genügend dieser mikroskopisch kleinen Krater entstanden, wird das Lager aufgrund von Schmierstoffversagen und starkem Oberfächenverschleiß ausfallen. Abhilfe schaffen spezielle Lager. Diese
besitzen z.B. eine >100µm dicke isolierende Keramik schicht aus Aluminiumoxid (empfehlenswert sind Lager mit ca. 500µn Schichtdicke). Im Plasmasprayverfahren aufgebracht und anschließend versiegelt, ist diese Schicht sehr stabil. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die stromisolierten Wälzlager die Schädigung der Lager verhindern, die kapazitiven Ladungen jedoch nach wie vor vorhanden sind und sich in Einzelfällen bei anderen Bauteilen bemerkbar machen können.

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