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| Hochleistungs-Torque-Motoren in Permanentmagnet-Technik senken die Lebenszykluskosten und erhöhen die Verfügbarkeit | | Vorsprung durch Direktantrieb | Permanentmagneterregte Synchronmotoren (PEM) machen ein Getriebe überflüssig und senken so gegenüber herkömmlichen Motor-plus-Getriebe-Konzepten die Kosten über den gesamten Lebenszyklus der Anlage: von der Planung über Montage, Inbetriebnahme und Betrieb bis hin zur Instandhaltung. In allen Phasen ist ein aufeinander abgestimmtes System aus Umrichter und PEM in der Lage, Vorteile zu erwirtschaften. Neu sind standardisierte Lösungen bis zu mehreren Megawatt.
Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen, für die ein hohes Drehmoment bei variablen Drehzahlen unterhalb von 800 U/min bereitgestellt werden muss. Für derartige Anwendungen bietet eine kleine Anzahl Hersteller bereits Torque-Motoren für Drehmomente bis etwa 10 kNm an, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad, eine kompakte Bauweise und hohe Zuverlässigkeit auszeichnen. Für größere Drehmomente bis 40 kNm gibt es auf dem Markt bisher kaum serienmäßige Produkte. Wesentliche Kennzeichen der Direktantriebe sind eine hohe Drehmomentdichte, d. h. Drehmoment pro Volumen, und ein hoher Wirkungsgrad auch bei niedrigen Drehzahlen.
Heute werden für die meisten Anwendungen, bei denen Drehmomente über 10 kNm erforderlich sind, Asynchronmotoren (ASM) eingesetzt, deren Drehmoment durch ein Getriebe auf die erforderliche Höhe gewandelt wird. untersetzenden Getriebe gesteigert wird. In einigen Fällen werden auch hochpolige ASM als Direktantriebe eingesetzt. Beide Lösungsansätze weisen eine Reihe systembedingter Nachteile auf: Getriebe erhöhen die Betriebskosten sowie den Platzbedarf. Zudem senken sie - durch Wartungsbedarf und Störanfälligkeit die Anlagenverfügbarkeit. Hochpolige ASM haben eine geringe Leistungsdichte und sind daher groß und schwer.
Der Anlagen- oder Produktionslebenszyklus
Der Lebenszyklus einer Industrieanlage lässt sich in fünf Phasen unterteilen. Über den gesamten Lebenszyklus senkt der Wegfall des Getriebes die Kosten.
Dies beginnt bereits in der Planungsphase. So erleichtern die Platzersparnis und der Umstand, dass kein gesondertes Getriebefundament notwendig ist, die Anlagenplanung und reduzieren so die Planungskosten. Durch die enge Anbindung des Motors an die Maschine können neue Wege gegangen werden und es entsteht Raum für innovative Lösungen.
Gleiches gilt für den Montage- und Inbetriebnahmeaufwand, auch hier werden die Kosten durch die einfachere und schnellere Installation kompakter, getriebeloser Antriebssysteme gesenkt.
Während des Betriebs senken die niedrigen Motordrehzahlen und der Wegfall des Getriebes die Geräusche. Zusätzliche Schallschutzmaßnahmen um die Grenzschalldrücke nicht zu überschreiten, können entfallen. Die direkte Anbindung an die Arbeitsmaschine ermöglicht dem System aus Umrichter und Motor eine spielfreie Regelung.
Durch den bis zu zwei Prozent höheren Gesamtwirkungsgrad eines High-Torque-Antriebs wird Energie eingespart. Die Steigerung des Gesamtwirkungsgrades resultiert aus dem Wegfall der Getriebeverluste. An einem Beispiel soll diese Wirtschaftlichkeitsbetrachtung konkretisiert werden:
Für eine Papiermaschinenwalze mit 500 U/min wird ein Antrieb gesucht, der ein Drehmoment von ca. 18 kNm bereitstellt.
In herkömmlicher Technik wird hierfür ein Asynchronmotor mit Getriebe eingesetzt. Der Motor der Achshöhe 500 mit einer Leistung von ca. 1,0 MW bei 1.500 U/min liefert dabei ein Drehmoment von ca. 6,4 kNm und hat im Bemessungspunkt einen Wirkungsgrad von 96,9%. Mit Hilfe eines zweistufigen Getriebes, dessen Wirkungsgrad bei ca. 97% liegt, ergibt sich somit ein Gesamtwirkungsgrad für das System von 94%. Die aufgenommene elektrische Wirkleistung ist somit 1.064 KW.
Ein permanentmagneterregter Motor der Achshöhe 450 liefert bei 500 U/min direkt ein Drehmoment von 19,1kNm und somit ca. 1.000 KW. Der Wirkungsgrad dieses Motors beträgt 96%. Der Gesamtwirkungsgrad ist jedoch günstiger, da sich weniger mechanische Übertragungselemente im Antriebsstrang befinden. Die aufgenommene elektrische Wirkleistung für das getriebelose System beträgt 1.042 KW.
Die Differenz von 20 kW, die ca. 2 % entspricht, bedeutet für die Dauerläuferanwendung bei einem Strompreis von 8 Cent/kWh eine Energiekosteneinsparung von 13.440 Euro pro Jahr.
Die Anschaffungskosten beider Systeme sind indes nahezu identisch.
Mit dem Getriebe entfallen auch dessen aufwändige Wartung und der Ölbedarf sowie die Lagerhaltungskosten für Ersatzgetriebe und Getriebeöl. Längere Wartungsintervalle senken nicht nur die Kosten, sondern schonen auch die Umwelt durch Altölvermeidung.
Ungeplante Anlagenstillstände, bedingt durch Getriebeschäden, verursachen erhebliche Kosten durch Produktionsausfall. Durch Wegfall des Getriebes wird dieses Risiko ausgeschlossen. Die höhere Verfügbarkeit getriebeloser Antriebslösungen steigert somit Produktivität und Wirtschaftlichkeit der Anlage. Der Ab- oder Umbau der Altanlagen schließt den Kreis im Produktionslebenszyklus. Selbst hier wirkt sich der Einsatz von PEM-Antrieben noch kostensenkend aus. Es muss nur der Motor, aber kein Getriebe demontiert und abtransportiert werden, und auch hier entfällt das Altölproblem.
Produktbeschreibung
Kernstück des Antriebssystems ist ein Direktantrieb, und zwar eine hochausgenutzte, permanentmagneterregte Synchronmaschine, die als Langsamläufer hochpolig ausgeführt ist. Während bei Asynchronmaschinen der Magnetisierungsbedarf und damit die Scheinleistung mit der Anzahl der Pole zunimmt, tritt dieser Effekt bei PEM-Motoren nicht auf. Sie können deshalb hochpolig ausgeführt werden, so dass sich mit diesen Motoren getriebelose Antriebskonzepte auch für kleine Drehzahlen bei gleichzeitig hohem Drehmoment verwirklichen lassen. Die hochpolige Ausführung führt zu kurzen Wickelköpfen, dünnen Ständerjochen und unterstützt so eine platzsparende und kompakte Bauweise. Die Ständerwicklung ist als Zweischicht-Runddrahtwicklung in Wärmeklasse F mit dem standardisierten Isolationssystem Durignit® IR 2000 für Niederspannungsmotoren ausgeführt.
Der PEM-Motor ist für die Zusammenarbeit mit einem Sinamics-Umrichter ausgelegt. Ströme und Baugröße der Motoren korrespondieren mit den Stufungen der Umrichterbaugrößen. Bei Nennströmen oberhalb von 1.200 A wird der PEM-Motor mit zwei Klemmenkästen geliefert. Der Strombedarf derart großer Antrieb wird von zwei parallelen Umrichtern gedeckt, diese Motoren sind deshalb mit zwei parallelen Wicklungssystemen ausgestattet.
Die Motoren haben wegen der mit hohen Drehmomenten korrespondierenden großen Ströme eine Nennspannung von 690 V bei 50 Hz Netzfrequenz. Ausführungen mit 400 V/50 Hz und 460 V/60 Hz sind bei den geringeren Achshöhen ebenfalls erhältlich. In Zusammenarbeit mit dem Sinamics-Umrichter sind die PEM-Motoren für geberlose Regelung ausgelegt. Bei hochdynamischen Anwendungen mit Drehmomentregelung und niedrigen Drehzahlen kann optional eine Regelung mit Geber vorgesehen werden.
Die PEM-Motoren werden sowohl flüssigkeitsgekühlt als auch fremdbelüftet gebaut. Eigenbelüftung ist bei Drehzahlen ab 400 U/min möglich. Da bei den PEM-Motoren die Verluste zum überwiegenden Teil im Ständer entstehen, ist mit einer Flüssigkeitskühlung die höchste Drehmomentdichte zu erreichen. Bei fremd- und eigenbelüfteten Motoren wird eine entsprechende Drehmomentreduzierung vorgenommen.
Der PEM-Motor kann mit Nenndrehmoment von der Drehzahl Null hochgefahren werden. Beim Dauerbetrieb unter 75 U/min kann das System aus Motor und Umrichter wegen der Leistungsreduzierung des Umrichters bei kleinen Frequenzen nur mit geringerer Leistung als der Nennleistung bzw. mit reduziertem Drehmoment gefahren werden. Die PEM-Motoren sind katalogmäßig für Drehzahlen von 200 bis 800 U/min ausgelegt, bei maximalen Drehmomenten bis ca. 40 kNm bei Flüssigkeitskühlung, (ca. 24 kNm fremdbelüftet). Auf Anfrage sind auch andere Bemessungsdrehzahlen erhältlich, wie das Diagramm in Bild 5 zeigt. Der vorgesehene Feldschwächbereich der PEM-Motoren reicht bis zur 1,2-fachen Nenndrehzahl. Ein größerer Feldschwächbereich erfordert die Einprägung eines größeren Stroms mit 90° Phasenverschiebung und damit einen größeren Umrichter.
Die Läufererregung wird durch NdFeB-Magnete bereitgestellt, deren maximale Arbeitstemperatur bei ca. 180°C liegt. Die Magnete sind aus korrosionsarmer Legierung hergestellt und haben eine zusätzliche Beschichtung gegen Einwirkungen korrosiver Medien. Da keine elektrische Erregereinrichtung benötigt wird, ist die Läufererregung verlustarm und kommt ohne eigenen Innenkühlkreislauf aus.
Fazit / Ausblick
Direktantriebe, bestehend aus einem aufeinander abgestimmten System von permanentmagneterregtem Motor und Umrichter bieten gegenüber herkömmlichen Lösungen über den gesamten Anlagenlebenszyklus Kostenvorteile. Sie senken die Betriebskosten, den Platzbedarf, erhöhen den Gesamtwirkungsgrad und die Anlagenverfügbarkeit.
Industrielle Prozesse z. B. zur Herstellung oder Verarbeitung von Papier, Stahl oder Kunststoff, sowie Hebezeuge und andere Anwendungen, bei denen heute Asynchronmaschinen in Verbindung mit Getriebeuntersetzung verwendet werden, können mit PEM-basierten Antriebslösungen wirtschaftlicher gestaltet werden.
Siemens bietet als Gesamtlösung den Umrichter Sinamics und den permanentmagneterregten Synchronmotor HT-direct für große Drehmomente an. Das aufeinander abgestimmte System führt die Reihe verfügbarer High-Torque-Antriebe kleinerer Leistung konsequent weiter und reicht nun bis zu mehreren Megawatt.
erschienen in: P&A Kompendium 2005/2006 |
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