Ausgabe 6/2005
11/01/05
Synchron unter Spannung
Matthias Schulze
Getriebelose Synchronmaschinen sind voll im Trend bei modernen Aufzügen im europäischen Raum, in dem Einsatzfälle mit extremen Förderhöhen und Geschwindigkeiten nicht so zahlreich sind wie beispielsweise in Asien. Dabei erfreuen sich komplette Antriebspakete wachsender Beliebtheit.
Kategorie: Fachaufsaetze Ausgabe 6/2005
Erstellt von: Editor
Motor und Umrichter/Steuerung sind bereits aufeinander abgestimmt, eine Vorparametrierung ist vorgenommen, die erforderlichen Anschlusskabel sind vorhanden. Kurz und gut, „plug and play“ ist hier zum Teil Selbstverständlichkeit geworden. Anders sieht es dann aus, wenn Motor und Umrichter nicht aus dem selben „Hause“ stammen. Der folgende Beitrag soll ein wenig die Technik der Synchronmotoren beleuchten, Hinweise für ihren Einsatz geben und Trends aufzeigen.
Am Beginn ein wenig Theorie zur Synchronmaschine. Den prinzipiellen Aufbau zeigt Bild 1. Der Ständer trägt m Wicklungen (gewöhnlich ist m = 3; u, v, w), die um 360°/m räumlich versetzt sind. Der Läufer ist mit Permanentmagneten bestückt (Polrad) und stellt einen Magneten der Polpaarzahl p dar (im Bild 1 wurde p = 1 der einfacheren Darstellung wegen gewählt). Für die langsam drehenden Aufzugsmaschinen werden sinnvollerweise wesentlich höhere Polzahlen realisiert, z. B. p = 11 bei den beamer 2-Maschinen der Reihe WSG-08 (Bild 2). Im Ständer sind (m ּ p) um je 360°/(m ּ p) versetzte Wicklungen angeordnet. In diese Wicklungen werden Ströme eingespeist, die zueinander um je 360°/m elektrisch phasenverschoben sind. Diese erzeugen ein Drehfeld, das den Läufer synchron mitdrehen lässt. Die Drehzahl ergibt sich somit aus der Frequenz f der Ständerströme zu:
Das oben dargestellte Bauprinzip lässt sich natürlich auch modifizieren. So befindet sich beispielsweise bei WSG-08- Maschinen der mit Permanentmagneten bestückte Rotor „außen“ (Außenläufer).
Das Ersatzschaltbild und das dazugehörige Zeigerdiagramm für den stationären Betrieb zeigen die Bilder 3 und 4.
Für die Ständerspannungsgleichung gilt somit:
Feldorientierte Regelung
Üblicherweise werden die getriebelosen Synchron-Aufzugsmaschinen an leistungselektronischen Stellgliedern (Umrichter) betrieben. Oft fällt in diesem Zusammenhang der Begriff „feldorientierte Regelung“.
Dabei wird der Ständerstrom des Motors so gesteuert, dass der Ständerstrom is senkrecht zum Polradfluss ψp steht und so keinen Anteil zum Flussaufbau, sondern nur einen Anteil zur Bildung des Drehmomentes liefert (Bild 4).
Damit ermittelt sich das Motordrehmoment gemäß folgender Gleichung:
Der eingeprägte Motorstrom is ist also dem Drehmoment der Maschine proportional.
Für die Ständerspannung ergibt sich:
Für die Ständerspannung ergibt sich:
Aus dieser Gleichung lässt sich nun die notwendige Spannung ermitteln, die dem Motor zur Verfügung gestellt werden muss, um einen bestimmten Strom einzuprägen bzw. ein bestimmtes Drehmoment zu erzeugen.
Umrichter
Diese Spannung zu erzeugen ist nun die Aufgabe des Umrichters. Bild 5 zeigt das Prinzipschaltbild eines heute üblichen Umrichters. Aus der dreiphasigen Eingangs-Wechselspannung ue wird zunächst eine Gleichspannung UZK gebildet, aus der wiederum die dreiphasige Motorausgangsspannung ua erzeugt wird. Diese Spannung ua ist in Höhe und Frequenz in Grenzen frei regelbar.
Die Gleichspannung aus dem Zwischenkreis wird dazu mit Hilfe von bestimmten Algorithmen „zerhackt“. Dem Motor steht damit eine extrem oberwellenbehaftete Spannung zur Verfügung. Für die Erzeugung des „nutzbaren“ Drehmomentes ist allerdings nur die Grundwelle dieser Spannung wirksam (Bild 6 – unteres Teilbild).
Betrachtet man sich einen einzelnen Spannungsimpuls etwas genauer (Bild 6 – oberes Teilbild) erkennt man, dass diese Impulse neben einer extremen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit (z. T. mehr als 6 kV/μs) auch noch eine enorme Höhe (bis zum Zweifachen von UZK) auf Grund von Einschwingvorgängen annehmen können. Für die Isolation der Motorwicklung stellt das eine enorme Beanspruchung dar. Werden hier bei der Fertigung der Motoren nicht modernste Verfahren (z. B. Strom-UV-Tränkverfahren) und Materialien angewendet, kann es schnell zu Wicklungsausfällen (Bild 7) kommen. Sinusfilter oder Motordrosseln wirken sich zusätzlich positiv auf die Lebensdauer der Motorwicklung aus.
Energierückspeisung
Bei einem großen Teil der heutigen Aufzugsanlagen wird, wenn der Motor „generatorisch“ arbeitet (z. B. die leere Kabine fährt nach oben), die Energie über einen sogenannten Brems-Chopper im wahrsten Sinne des Wortes „verheizt“. Das heißt, die Energie wird in einem Widerstand in Wärme umgewandelt. Bei kleineren Antriebsleistungen ist das sicherlich die sinnvollste Lösung. Kommen wir aber in höhere Leistungsbereiche (z. B. 18 kW), lohnt sich der Blick auf eine Umrichterlösung, die die generatorische Energie ins Netz zurückspeist. Oft kommen dazu die weit verbreiteten REVCON- Einheiten zum Einsatz. Vielleicht werden zukünftig auch sogenannte Matrixumrichter anwendbar sein.
Drehzahl-/Lagemess-System
Für den Betrieb des Motors unabdingbar ist ein Mess-System, das Angaben zur Drehzahl/Position des Polrades liefert. Üblicherweise sind dies heutzutage hochauflösende SIN-COS-Encoder mit einer zusätzlichen Absolutwertspur (z. B. ECN 1313 der Firma Heidenhain). Diese Absolutwertinformation ist in der Regel zum Betrieb der Synchronmaschinen erforderlich, da zur exakten Bestromung des Motors der Winkel des Polrades zur Wicklung bekannt sein muss.
Ist aus irgendwelchen Gründen ein Mess-Systemtausch am Motor erforderlich, ist man genötigt, das Neue wieder zu justieren. Im Normalfall muss dazu die Maschine „frei drehen“ können, das heißt die Tragseile sollten entlastet werden. Ein immenser Aufwand. Deshalb findet man immer häufiger bei modernen Umrichtern die Option der „Offsetwinkelbestimmung“ bei stillstehender (festgebremster) Maschine. Andere Umrichter gehen gar noch einen Schritt weiter und nutzen die unterschiedlichen Reaktanzen des Motors in d- und q-Achse generell zur Polradwinkelbestimmung und verzichten ganz auf ein Absolutwertsignal im Mess-System. Es genügt ihnen z. B. ein „einfacher“ hochauflösender SIN-COS-Geber. Damit wird ein Mess-Systemtausch zum Kinderspiel.
Synchron-/Asynchrontechnik
Werden moderne Synchron- und Asynchronantriebe in der Aufzugstechnik miteinander verglichen, sind bei der synchronen Variante häufig „Nachteile“ aufgeführt, die in der heutigen Zeit so nicht mehr haltbar sind.
Haltbarkeit/Verschleiß des Magnetmaterials
Die bei Synchronmaschinen verwendeten Permanentmagneten sind für die Funktion des Motors von grundlegender Bedeutung, werden doch durch sie wesentliche Leistungs- und Qualitätsmerkmale der Maschine bestimmt. So ist z. B. eine ausreichende Dimensionierung der Magnete unabdingbar für einen Schutz vor Entmagnetisierung. Wird hier gespart, kann es durchaus zu diesem Effekt bei hohen Motorströmen kommen. Andererseits ist das verwendete Volumen an Magnetmaterial ein wesentlicher Preisfaktor für die Maschine.
Auch der Oberflächenschutz des Magnetmaterials ist von gravierender Bedeutung. Insbesondere viele Magnete zum „Schnäppchenpreis“ fallen bei Tests durch, da von ihnen bereits nach kurzer Zeit nur noch „korrodierte Schwämme“ übrig sind. Hier macht sich die jahrzehntelange Erfahrung der SAD GmbH mit permanenterregten Maschinen bezahlt, es kommen nur hochwertige Magnete zur Anwendung. So wurden z. B. die seit fast 10 Jahren im Einsatz befindlichen Maschinen der Reihe WSG-06/07 einem kompletten elektromagnetischen Re-Design unterzogen. Dabei ist eine neue Generation von Synchron-Aufzugsmaschinen (WSG-08 – beamer 2) entstanden, bei der Fahrkomfort, Leistungsfähigkeit und Preis nochmals optimiert werden konnten. Eine neuartige Magnetgeometrie in Verbindung mit einer Gleichfeldwicklung spielt dabei die Schlüsselrolle.
Möglichkeit der Montage vor Ort
Bei großen Aufzugsantrieben durchaus schon mal üblich – eine Teilmontage der Aufzugsmaschine auf der Baustelle. Der manchmal angeführte Fakt, dass sich Synchronmaschinen im möglichen Falle schlecht „vor Ort“ montieren bzw. im höchst seltenen Fehlerfall demontieren lassen, kann an dieser Stelle widerlegt werden (bedingt durch den hohen Magnetismus der Permanentmagneten ist die Demontage von Rotor und Stator nicht ganz so einfach wie bei Asynchronmaschinen). Durch eine optimale Konstruktion der Maschine und einfache Hilfsvorrichtungen kann dies aber durchaus auch „im Schacht“ oder auf der Baustelle durchgeführt werden und ist bereits mehrfach praktiziert worden.
Zusammenfassung
Auf Grund der „offenen“ Struktur der Antriebselektronik vieler Hersteller ist es heute möglich, verschiedenste getriebelose Aufzugsmaschinen optimal an unterschiedlichen Umrichtern zu betreiben. Mit der Kenntnis der entsprechenden Parameter und Besonderheiten der Maschinen wird es dem Anwender möglich, den gewünschten Antriebsmotor und Umrichter auszuwählen, um daraus sein optimales Antriebspaket zu schnüren.
Literaturhinweise:
[1] Nguyen Phung Quang, Jörg-Andreas Dittrich: Praxis der feldorientierten Drehstromantriebsregelungen, Expert- Verlag, 2. Auflage 1999
[2] Schönfeld, Rolf: Elektrische Antriebe, Springer- Verlag, Heidelberg, 1995
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