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Elektrische Antriebe

Antriebe hochpräzise regeln ohne Modulatorstufe

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Erhöhung des Wirkungsgrads bei Synchronmotoren

Bei diesen Synchronmotoren werden die Verluste erheblich reduziert und somit der Wirkungsgrad erhöht, da es keine Rotorwicklungen und keinen Schlupf wie bei Asynchronmotoren gibt. Synchronbetrieb bedeutet außerdem, dass eine hervorragende Drehzahlgenauigkeit auch ohne Drehzahl- oder Positionsgeber erreicht wird. Deshalb kann in den meisten Fällen auf eine Drehgeber-Rückführung verzichtet werden.

Ergänzendes zum Thema
Motorenregelung
Systeme mit und ohne Rückführung

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten der Motorregelung. Bei Systemen mit Rückführung (Closed-loop) melden Drehgeber im Motor den Zustand des Motors, der dann als Rückkopplungsinformation für den Regelungsalgorithmus verwendet wird. Rückführungsfreie Systeme (Open-loop) verwenden keinen Geber und sind deshalb einfacher, aber auch ungenauer.

Die direkte Drehmomentregelung DTC von ABB erreicht die Regelgenauigkeit eines geschlossenen Regelkreises – allerdings ohne Geber. Ein zusätzlicher Vorteil ist das bessere Reaktionsvermögen, denn das ist mit DTC bis zu zehnmal so schnell.

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Aufgrund des hohen Drehmoment-Motorgrößen-Verhältnisses kann bei der Verwendung von PM-Synchronmotoren ein einfacherer Antriebsstrang realisiert werden. Bei einem direkt angetriebenen mit niedriger Drehzahl laufenden PM-Motor beispielsweise kann bei einigen Antrieben in Papiermaschinen auf ein Getriebe verzichtet werden. Die Getriebeverluste entfallen dadurch komplett und die Effizienz wird erhöht. Zu den Einsatzmöglichkeiten für PM-Synchronmotoren gehören Papiermaschinen, Extruder, Schiffsantriebe, Windturbinen und Kühlturmlüfter für Kraftwerke.

Nachteilig bei PM-Synchronmotoren ist, dass sie für eine optimale Leistung Magnete aus seltenen Erden benötigen. Der Magnetwerkstoff basiert auf Neodym, Eisen und Bor (NdFeB), oft in Kombination mit Terbium und Dysprosium. In den letzten Jahren sind die Preise für diese Rohstoffe regelrecht explodiert und China hat als Anbieter eine Quasi-Monopolstellung. Deshalb bieten Synchronreluktanzmotoren eine gute Alternative. ABB hat sein Produktangebot um Pakete aus Synchronreluktanzmotor und Frequenzumrichter ergänzt, auch weil Versorgungsengpässe bei den Magneten aus seltenen Erden zu erwarten sind.

Für Synchronreluktanzmotoren modifizierte DTC-Version

Bei Synchronreluktanzmotoren ähnelt die Statorkonstruktion der von Asynchronmotoren. Der Rotor besteht jedoch aus axialen geschichteten Blechpaketen, die so gestaltet sind, dass sich ein Querschnitt mit vier Polen ergibt – abwechselnd Achsen mit niedrigem und hohem magnetischen Widerstand. Wichtig ist, dass der Rotor keine Magnete benötigt. Typische Synchronreluktanzmotor-Applikationen sind Pumpen, Lüfter, Transporteinrichtungen und Kunststoffmaschinen.

Beim neuen Synchronreluktanzmotor von ABB, der für den Umrichterbetrieb optimiert ist, wird das neue Rotordesign verwendet. Die Technik reduziert die Rotorverluste, verbessert die Zuverlässigkeit und ermöglicht kleinere und leichtere Konstruktionen (Pakete mit Hochleistungs-Synchronreluktanzmotor und Frequenzumrichter) oder einen extrem hohen Wirkungsgrad (Pakete mit IE4-Synchronreluktanzmotor und Frequenzumrichter).

Die für PM-Synchron- und Synchronreluktanzmotoren modifizierte DTC-Version wurde von ABB bereits realisiert. Kunden können bestehende Asynchronmotor-Applikationen mit PM- Synchron- oder Synchronreluktanzmotoren nachrüsten, um von der verbesserten Performance und dem höheren Wirkungsgrad zu profitieren. Zusätzlich zu der hohen Motorregelungsdynamik ermöglichen DTC-Frequenzumrichter in Kombination mit der oben genannten effizienten Motortechnik bei einer Vielzahl drehzahlgeregelter Antrieb erhebliche Energieeinsparungen.

Mit Einführung der DTC wird deutlich, dass heute die Leistungsfähigkeit eines drehzahlgeregelten Antriebs nicht mehr durch den Frequenzumrichter beschränkt wird, sondern durch den Motor. Da in der Industrie etwa 40 % des Stroms verbraucht werden, bietet sich für diese Antriebspakete auch in Zukunft ein großes Einsatzpotenzial.

Dieser Beitrag erschien im Rahmen der „Meilensteine der Industrie“ zum 120-jährigen Jubiläum des MM Maschinenmarkt als dritter Teil im Bereich Antriebstechnik:

Teil 1: Leistungselektronik macht drehzahlgeregelten Antrieben Beine

Teil 2: „Wir müssen in einen Plug-and-play-Modus kommen“

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Über den Autor

 Stefanie Michel

Stefanie Michel

Journalist, MM MaschinenMarkt