Systemhandbuch Anforderung an Fremdmotoren
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Anforderung an Fremdmotoren 1 ___________________ Vorwort 2 ___________________ Allgemeine Festlegungen SINAMICS S120 Anforderung an Fremdmotoren 3 ___________________ Sicherheitshinweise Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität _________4 Qualitative Anforderungen 5 ___________________ an eine Vorschaltinduktivität Systemhandbuch 6 ___________________ Temperatursensoren 7 ___________________ Spannungsbelastung 8 ___________________ (Winkel-)Lagegeber 9 ___________________ Literaturverzeichnis Anhang 05/2013 A5E32342468 A Rechtliche Hinweise Warnhinweiskonzept Dieses Handbuch enthält Hinweise, die Sie zu Ihrer persönlichen Sicherheit sowie zur Vermeidung von Sachschäden beachten müssen. Die Hinweise zu Ihrer persönlichen Sicherheit sind durch ein Warndreieck hervorgehoben, Hinweise zu alleinigen Sachschäden stehen ohne Warndreieck. Je nach Gefährdungsstufe werden die Warnhinweise in abnehmender Reihenfolge wie folgt dargestellt. GEFAHR bedeutet, dass Tod oder schwere Körperverletzung eintreten wird, wenn die entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen nicht getroffen werden. WARNUNG bedeutet, dass Tod oder schwere Körperverletzung eintreten kann, wenn die entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen nicht getroffen werden. VORSICHT bedeutet, dass eine leichte Körperverletzung eintreten kann, wenn die entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen nicht getroffen werden. ACHTUNG bedeutet, dass Sachschaden eintreten kann, wenn die entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen nicht getroffen werden. Beim Auftreten mehrerer Gefährdungsstufen wird immer der Warnhinweis zur jeweils höchsten Stufe verwendet. Wenn in einem Warnhinweis mit dem Warndreieck vor Personenschäden gewarnt wird, dann kann im selben Warnhinweis zusätzlich eine Warnung vor Sachschäden angefügt sein. Qualifiziertes Personal Das zu dieser Dokumentation zugehörige Produkt/System darf nur von für die jeweilige Aufgabenstellung qualifiziertem Personal gehandhabt werden unter Beachtung der für die jeweilige Aufgabenstellung zugehörigen Dokumentation, insbesondere der darin enthaltenen Sicherheits- und Warnhinweise. Qualifiziertes Personal ist auf Grund seiner Ausbildung und Erfahrung befähigt, im Umgang mit diesen Produkten/Systemen Risiken zu erkennen und mögliche Gefährdungen zu vermeiden. Bestimmungsgemäßer Gebrauch von Siemens-Produkten Beachten Sie Folgendes: WARNUNG Siemens-Produkte dürfen nur für die im Katalog und in der zugehörigen technischen Dokumentation vorgesehenen Einsatzfälle verwendet werden. Falls Fremdprodukte und -komponenten zum Einsatz kommen, müssen diese von Siemens empfohlen bzw. zugelassen sein. Der einwandfreie und sichere Betrieb der Produkte setzt sachgemäßen Transport, sachgemäße Lagerung, Aufstellung, Montage, Installation, Inbetriebnahme, Bedienung und Instandhaltung voraus. Die zulässigen Umgebungsbedingungen müssen eingehalten werden. Hinweise in den zugehörigen Dokumentationen müssen beachtet werden. Marken Alle mit dem Schutzrechtsvermerk ® gekennzeichneten Bezeichnungen sind eingetragene Marken der Siemens AG. Die übrigen Bezeichnungen in dieser Schrift können Marken sein, deren Benutzung durch Dritte für deren Zwecke die Rechte der Inhaber verletzen kann. Haftungsausschluss Wir haben den Inhalt der Druckschrift auf Übereinstimmung mit der beschriebenen Hard- und Software geprüft. Dennoch können Abweichungen nicht ausgeschlossen werden, so dass wir für die vollständige Übereinstimmung keine Gewähr übernehmen. Die Angaben in dieser Druckschrift werden regelmäßig überprüft, notwendige Korrekturen sind in den nachfolgenden Auflagen enthalten. Siemens AG Industry Sector Postfach 48 48 90026 NÜRNBERG DEUTSCHLAND A5E32342468 Ⓟ 05/2013 Änderungen vorbehalten Copyright © Siemens AG 2013. Alle Rechte vorbehalten Inhaltsverzeichnis 1 Vorwort ................................................................................................................................................... 9 2 Allgemeine Festlegungen ...................................................................................................................... 11 3 Sicherheitshinweise .............................................................................................................................. 13 3.1 4 Allgemeine Sicherheitshinweise ..................................................................................................13 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität .......... 17 4.1 Motorbezogene Umrichtereinstellparameter ................................................................................17 4.2 Parameter zur Motorcharakterisierung ........................................................................................19 4.3 Anforderungen an die Motorqualität.............................................................................................19 4.4 Drehmomentkonstante und Spannungskonstante.......................................................................20 4.5 Hauptinduktivität...........................................................................................................................22 4.6 Motor-Läuferwiderstand kalt ........................................................................................................26 4.7 Motor-Bemessungsspannung ......................................................................................................28 4.8 Motor-Bemessungsleistungsfaktor...............................................................................................29 4.9 Sinusform der EMK (Qualitätsanforderung) .................................................................................30 4.10 Pol- und Nutrasten im Leerlauf (Qualitätsanforderung) ...............................................................30 4.11 Pol- und Nutrasten bei Bemessungsmoment (Qualitätsanforderung) .........................................31 4.12 Bemessungsstrom .......................................................................................................................32 4.13 Bemessungsdrehmoment ............................................................................................................33 4.14 Bemessungsleistung ....................................................................................................................34 4.15 Bemessungsdrehzahl ..................................................................................................................35 4.16 Bemessungsfrequenz ..................................................................................................................37 4.17 Polpaarzahl ..................................................................................................................................38 4.18 Streuinduktivität(en) und Vorschaltinduktivität .............................................................................38 4.19 4.19.1 4.19.2 Motor-Bemessungsmagnetisierungsstrom/-kurzschlussstrom ....................................................43 Motor-Kurzschlussstrom, p0320 für Synchronmotoren ...............................................................43 Motor-Bemessungsmagnetisierungsstrom, p0320 für Asynchronmotoren .................................44 4.20 4.20.1 4.20.2 Einsatzdrehzahl Feldschwächung ...............................................................................................44 Einsatzdrehzahl Feldschwächung, p0348 für Synchronmotoren ................................................45 Einsatzdrehzahl Feldschwächung, p0348 für Asynchronmotoren ...............................................48 4.21 Pulsfrequenz ................................................................................................................................49 4.22 4.22.1 4.22.2 Bedingungen und Kriterien zum Einsatz einer Vorschaltinduktivität ...........................................50 Vorschaltinduktivität ist vom Motorhersteller festzulegen ............................................................50 Anpassung von Bemessungs- und Maximalleistung an die Vorschaltinduktivität .......................52 Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 5 Inhaltsverzeichnis 5 6 7 4.22.3 Besetzung des Parameters p0353 .............................................................................................. 52 4.23 Stromregleradaption .................................................................................................................... 52 4.24 Stillstandsstrom ........................................................................................................................... 56 4.25 Stillstandsdrehmoment................................................................................................................ 58 4.26 Ständerwiderstand ...................................................................................................................... 58 4.27 4.27.1 4.27.2 Maximaldrehzahl ......................................................................................................................... 58 Einschränkungen der Maximaldrehzahl aus Sicht des Betriebs an SINAMICS ......................... 59 Notwendigkeit des Überspannungsschutzes bei hoher EMK des Synchronmotors ................... 60 4.28 Kurzschlussstrom bei generatorischer Klemmenspannung über 820 V (Scheitelwert) .............. 61 4.29 Optimaler Lastwinkel und Reluktanzmomentkonstante .............................................................. 62 4.30 Parameter für den Maximalstrom ................................................................................................ 64 4.31 Kippmomentkorrekturfaktor ......................................................................................................... 65 4.32 Trägheitsmoment ........................................................................................................................ 66 4.33 Kühlart des Motors ...................................................................................................................... 67 4.34 Warnschwelle für die Motortemperatur ....................................................................................... 67 4.35 Störschwelle für die Motortemperatur ......................................................................................... 68 Qualitative Anforderungen an eine Vorschaltinduktivität ........................................................................ 71 5.1 Integration der Vorschaltinduktivität in den Stromlauf ................................................................ 71 5.2 Bauart und elektromechanische Anforderungen ........................................................................ 71 5.3 Beanspruchung durch Ströme und Frequenzen ......................................................................... 73 5.4 Beanspruchung durch Spannung ............................................................................................... 73 5.5 Sinusfilter..................................................................................................................................... 74 Temperatursensoren ............................................................................................................................. 75 6.1 Funktion der Temperatursensoren .............................................................................................. 75 6.2 6.2.1 6.2.2 Verwendbare Temperatursensoren ............................................................................................ 75 Analog messende Temperaturfühler ........................................................................................... 76 Schaltende Temperatursoren ..................................................................................................... 77 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.3.6 Anschluss .................................................................................................................................... 79 Standardschaltung bei Siemens-Motoren ................................................................................... 80 Sichere elektrische Trennung ..................................................................................................... 81 Einschleifen des Temperatursensors in den 17-poligen Geberstecker ...................................... 82 Anschluss an die EP-Klemme des Umrichters ........................................................................... 82 Anschluss an das Terminal Module TM120 ................................................................................ 82 Anschluss an die Sensor Modules SME120 und SME125 ......................................................... 83 6.4 6.4.1 6.4.2 Parametrierung der Warn- und Störschwellen für Übertemperaturen ........................................ 83 p0604 Warnschwelle für die Übertemperatur ............................................................................. 83 p0605 Störschwelle für die Übertemperatur ............................................................................... 84 Spannungsbelastung ............................................................................................................................ 85 7.1 Zielgruppe ................................................................................................................................... 85 Anforderung an Fremdmotoren 6 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Inhaltsverzeichnis 8 7.1.1 7.1.2 Projektpartner mit hoher Erfahrung..............................................................................................86 Projektpartner mit erstmaligem Kontakt mit umrichtergespeisten Motoren .................................86 7.2 Bezugssystem ..............................................................................................................................87 7.3 7.3.1 7.3.2 Spannungssteilheit du/dt ..............................................................................................................88 Verbreitete konstruktive Gegenmaßnahmen ...............................................................................90 Bekannte applikative Gegenmaßnahmen ....................................................................................90 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 Leiter-Leiter-Spannung ................................................................................................................91 Verbreitete konstruktive Gegenmaßnahmen ...............................................................................92 Verbreitete Prüfmethoden ............................................................................................................92 Bekannte applikative Gegenmaßnahmen ....................................................................................92 7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3 Leiter-Erde-Spannung ..................................................................................................................93 Verbreitete konstruktive Gegenmaßnahmen ...............................................................................96 Verbreitete Prüfmethoden ............................................................................................................96 Bekannte applikative Gegenmaßnahmen ....................................................................................96 7.6 EMV-Aspekte ...............................................................................................................................97 (Winkel-)Lagegeber .............................................................................................................................. 99 8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 Inkrementelle Geber ....................................................................................................................99 Inkrementalspuren A B ..............................................................................................................100 Referenzspur..............................................................................................................................101 Spursignale C D .........................................................................................................................103 Elektrische Einzelsignale ...........................................................................................................104 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5 Geberversorgung .......................................................................................................................105 Funktion der Sense-Leitung .......................................................................................................105 Spannungs-Rippel der Geberversorgung ..................................................................................107 Überlastverhalten der Geberstromversorgung ..........................................................................107 Geberversorgungsspannung .....................................................................................................108 Einschaltphase ...........................................................................................................................108 8.3 EMV-Aspekte .............................................................................................................................108 8.4 EnDat-Absolutwertgeber ............................................................................................................110 8.5 TTL-/HTL-Geber.........................................................................................................................110 8.6 Resolver .....................................................................................................................................110 8.7 SSI-Geber ..................................................................................................................................111 9 Literaturverzeichnis ............................................................................................................................. 113 A Anhang ............................................................................................................................................... 115 A.1 Liste der Abkürzungen ...............................................................................................................115 Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 7 Inhaltsverzeichnis Anforderung an Fremdmotoren 8 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 1 Vorwort Zielgruppe Das vorliegende Dokument richtet sich an die Hersteller von Elektromotoren, die in Projekte mit SINAMCS-Antrieben liefern. Daneben richtet es sich an Kunden von SINAMICSAntrieben, die planen, Nicht-Siemens-Motoren an SINAMICS-Umrichtern zu betreiben. Anwendung Bei der praktischen Umsetzung ist damit zu rechnen, dass sich die Motorhersteller dieses Dokument nicht aus eigenem Antrieb beschaffen und es befolgen. Hingegen wird der Motorhersteller ein Interesse zeigen, die Anforderungen seines Kunden zu erfüllen. Es ist deshalb nachdrücklich zu empfehlen, dass diejenigen SINAMICS-Anwender, die einen Einsatz von Fremdmotoren planen, die Beachtung der technischen Regeln dieses Dokumentes in den Anforderungskatalog aufnehmen, den sie mit ihrem Motorzulieferer vereinbaren. Nutzen Dieses Dokument soll das Zusammenspiel von Fremdmotoren mit dem SINAMICSAntriebssystem erleichtern. Es umfasst dabei die Niederspannungsumrichter der Familien SINAMICS S120/S150 in der Regelungsart „Servo“ und „Vector“. SINAMICSMittelspannungsumrichter werden von diesem Dokument nicht erfasst. Auf der Motorseite bezieht es sich auf die beiden am weitesten verbreiteten Motorentypen: ● Rotatorische permanenterregte Synchronmotoren (PEM) ● Rotatorische Asynchronmotoren (ASM) Gegenstand des vorliegenden Dokumentes sind Motoren, die aus Drittquellen zugeliefert wurden, ohne einen Siemens Systemtest durchlaufen zu haben. Die hier niedergelegten technischen Regeln sind Grundlage für eine reibungslose Inbetriebnahme und Voraussetzung für die Erfüllung der an den Motor gerichteten Erwartungen. Es wird deshalb beschrieben, ● in welcher Form die Umrichtereinstellparameter aus den physikalischen Eigenschaften des Motors abzuleiten sind. Dadurch sollen Fehlparametrierungen und Missverständnisse vermieden werden (z. B. Verwechslung von Strangspannung mit Außenleiterspannung). ● welche Eigenschaften der Motor hinsichtlich seiner Auslegung, seiner Serienstreuung, seiner Stabilität und der Qualität seiner Merkmale erfüllen muss, damit ein einwandfreies Zusammenspiel zwischen Motor und Umrichter gewährleistet ist. Darüber hinaus wird auf allgemein gültige Anforderungen verwiesen, wie beispielsweise auf ● Spannungsfestigkeit der Wicklung ● Anforderungen an den Temperatursensor ● Anforderungen an den Geber Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 9 Vorwort Da diese letztgenannten Punkte nicht an spezifische Motortypen (PEM, ASM usw.) gebunden sind, sondern unspezifisch für alle Motortypen gelten, wird so weit wie möglich auf vorhandene Dokumente und Normen verwiesen. Verbindlichkeit der Anforderungen Bei Motoren, die aus Drittquellen zugeliefert wurden, ohne einen Siemens Systemtest durchlaufen zu haben, muss die Systemverträglichkeit dadurch sichergestellt werden, dass a priori bestimmte Mindestanforderungen an die physikalischen Eigenschaften und die daraus abgeleiteten Umrichtereinstellparameter des Motors gestellt werden. Dabei wäre es kein Widerspruch, wenn vergleichbare Motoren aus dem Siemens-Sortiment existierten, die in einzelnen Aspekten hinter den hier genannten Anforderungen zurückblieben. Da die freigegebenen Siemens-Motoren einen Systemtest durchlaufen haben, wurde deren einwandfreies Systemverhalten verifiziert und eine Parametrierung hinterlegt, welche die an den Motor gerichteten Erwartungen im Betriebsverhalten umsetzt. Deshalb ist es umgekehrt auch zulässig, dass Fremdmotoren in einzelnen Aspekten hinter den hier genannten Anforderungen zurückbleiben, wenn die Motoren im dafür vorgesehenen SINAMICS-Antriebsverbund getestet und vom Kunden abgenommen wurden. Insbesondere kann von den Regeln für die Notwendigkeit und die Dimensionierung von Vorschaltinduktivitäten abgewichen werden, wenn Test und Kundenabnahme vorliegen. Anforderung an Fremdmotoren 10 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Allgemeine Festlegungen 2 ● Für den Betrieb und die Projektierung an SINAMICS werden alle Größen stets und ausschließlich in das äquivalente Ersatzschaltbild der Sternschaltung transformiert. Hinweis Bei Dreiecksschaltung muss in eine rechnerisch äquivalente Sternschaltung umgerechnet werden. ● Alle Ströme sind als Strangströme in [Aeff] (bezogen auf eine äquivalente Sternschaltung) anzugeben. ● Alle Spannungen sind als Klemmenspannungen (Klemme - Klemme) in [Ueff] (bezogen auf eine äquivalente Sternschaltung) anzugeben. ● Wenn der Motor für eine Zwangskühlung (Zwangsbelüftung, Wasserkühlung usw.) vorgesehen ist, dann gelten die Angaben, insbesondere die des Bemessungsbetriebs für eben diese Kühlart, inklusive der angegebenen Bedingungen (Kühltemperatur, Kühldruck, …). ● Alle Ersatzschaltbilddaten wie Widerstände, Induktivitäten usw. sind als einsträngige Ersatzschaltbilddaten einer äquivalenten Sternschaltung anzugeben. Hinweis Die Angabe von „Zweigdaten“ zwischen zwei Wicklungsanschlüssen (z. B. bei Y – Δ umschaltbaren Wicklungen) ist nicht zulässig. Hinweis Die Angabe der Klemme-Klemme-Werte für Widerstände und Induktivitäten ist nicht zulässig. Unter „einsträngige Ersatzschaltbilddaten“ werden stets die Klemme-SternGrößen verstanden. ● Die Betriebsparameter wie momentbildender Strom, feldbildender Strom, Bemessungsfrequenz usw. sind für die feldorientierte Betriebsart zu erstellen. D. h. der Bemessungspunkt zur Erstellung der Ersatzschaltbilddaten ist stets auf die feldorientierte Betriebsart zu beziehen. Die Ströme sind grundsätzlich sinusförmig mit der Überlagerung des entsprechenden Stromrippels, der sich durch die PWM der Umrichterspannung ergibt. Die Frequenz des Strom-Sinus entspricht – bei Synchronmotoren der Synchronfrequenz, – bei Asynchronmotoren der Synchronfrequenz plus der Schlupffrequenz im Bemessungspunkt. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 11 Allgemeine Festlegungen Als Betriebszustand ist ein Betrieb mit konstantem Drehmoment anzusetzen. Dynamische Stromänderungen, die aufgrund einer überlagerten Drehzahl- oder Drehmomentregelung auftreten, müssen nicht berücksichtigt werden. Die Erwärmung durch den PWM-Stromrippel hingegen ist zu berücksichtigen. ● Sofern nicht anders vereinbart oder im Dokument anders dargestellt, wird als maximal zu nutzende Betriebsspannung der Grundwelle ein Wert 380 Veff (Klemme - Klemme) festgesetzt (= 90 % von gerundet auf durch 5 teilbare Zahl). ● Im Gegensatz zur maximal nutzbaren Betriebsspannung ist zur Bewertung der Spannungsbeanspruchung eine maximal mögliche Zwischenkreisspannung von – UZK = 720 V für Motoren an Booksize-Leistungsteilen bei Netzanschluss-Spannungen bis 480 V und – UZK = 1035 V für Motoren an Chassis-Leistungsteilen bei Netzanschluss-Spannungen bis 690 V anzusetzen. Der Referenzwert der Zwischenkreisspannung für die Bewertung der Spannungsbelastung weicht somit vom Referenzwert der Zwischenkreisspannung für die nutzbare elektrische Grundwellenspannung ab. Das ist kein Widerspruch. ● Als „Bemessungsgrößen“ werden hier diejenigen Größen bezeichnet, die sich auf den Bemessungsbetrieb, d.h. Dauerbetrieb (S1 - 100 %) bei Bemessungsdrehzahl mit Bemessungsleistung beziehen. Der Motor muss unter den genannten Bemessungsbedingungen im Dauerbetrieb thermisch und elektrotechnisch stabil betreibbar sein. Der Betriebszustand unter Bemessungsbedingungen (Bemessungsdrehzahl unter Bemessungsdrehmoment) wird im Folgenden als „Bemessungspunkt“ bezeichnet. ● Bei den Angaben, die sich auf die Bemessungsbedingungen beziehen, ist der thermisch eingeschwungene Zustand des Motors anzusetzen. Das bedeutet, dass der Motor (Wicklung, Kurzschlusskäfig, EMK-Konstante der Dauermagnetbestückung usw.) ihre typische Temperatur des Bemessungsbetriebes (Dauerbetrieb S1 - 100 %) aufweisen. ● Falls der Hersteller eine Vorschaltinduktivität vorschreibt, ist deren Induktivität für die Ströme, Spannungen und die Erwärmung zu berücksichtigen. Die Vorschaltinduktivität ist dann Bestandteil des Systems Umrichter-Vorschaltinduktivität - Motor. Wird die Vorschaltinduktivität verändert, muss ein neues Datenblatt mit Umrichtereinstellparametern erstellt werden. ● Sofern nicht explizit anders angegeben, sind die Merkmale Leistung, Drehmoment und Drehzahl immer auf die Welle bezogene mechanische Größen Hinweis Terminologie In der Literatur werden die Begriffe „Bemessungs-“ (z. B. Bemessungsleistung) und „Nenn-“ (z. B. Nennleistung) häufig synonym verwendet. Weil in den Handbüchern zu den SINAMICS-Geräten bevorzugt der Begriff „Bemessungs-“ verwendet wird, findet auch in diesem Dokument der Begriff „Bemessungs-“ anstatt des Begriffes „Nenn-“Verwendung. Anforderung an Fremdmotoren 12 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Sicherheitshinweise 3.1 3 Allgemeine Sicherheitshinweise GEFAHR Lebensgefahr durch Berühren unter Spannung stehender Teile Beim Berühren unter Spannung stehender Teile erleiden Sie Tod oder schwere Verletzungen. • Arbeiten Sie an elektrischen Geräten nur, wenn Sie dafür qualifiziert sind. • Halten Sie bei allen Arbeiten die landesspezifischen Sicherheitsregeln ein. Generell gelten sechs Schritte zum Herstellen von Sicherheit: 1. Bereiten Sie das Abschalten vor und informieren Sie Teammitglieder, die von dem Vorgang betroffen sind. 2. Schalten Sie die Maschine spannungsfrei. – Schalten Sie die Maschine ab. – Warten Sie die Entladezeit ab, die auf den Warnschildern genannt ist. – Prüfen Sie die Spannungsfreiheit von Leiter gegen Leiter und Leiter gegen Schutzleiter. – Prüfen Sie, ob vorhandene Hilfsspannungskreise spannungsfrei sind. – Stellen Sie sicher, dass sich Motoren nicht bewegen können. 3. Identifizieren Sie alle weiteren gefährlichen Energiequellen, z. B. Druckluft, Hydraulik oder Wasser. 4. Isolieren oder neutralisieren Sie alle gefährlichen Energiequellen, z. B. durch das Schließen von Schaltern, das Erden oder Kurzschließen oder das Schließen von Ventilen. 5. Sichern Sie die Energiequellen gegen Wiedereinschalten. 6. Vergewissern Sie sich, dass die Maschine völlig verriegelt ist ... und dass Sie die richtige Maschine haben. Nach Abschluss der Arbeiten stellen Sie die Betriebsbereitschaft in umgekehrter Reihenfolge wieder her. WARNUNG Lebensgefahr durch gefährliche Spannung beim Anschluss einer nicht geeigneten Stromversorgung Beim Berühren unter Spannung stehender Teile können Sie im Fehlerfall Tod oder schwere Verletzungen erleiden. • Verwenden Sie für alle Anschlüsse und Klemmen der Elektronikbaugruppen nur Stromversorgungen, die SELV- (Safety Extra Low Voltage) oder PELV- (Protective Extra Low Voltage) Ausgangsspannungen zur Verfügung stellen. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 13 Sicherheitshinweise 3.1 Allgemeine Sicherheitshinweise WARNUNG Lebensgefahr durch Berührung unter Spannung stehender Teile bei beschädigten Geräten Unsachgemäße Behandlung von Geräten kann zu deren Beschädigung führen. Bei beschädigten Geräten können gefährliche Spannungen am Gehäuse oder an freiliegenden Bauteilen anliegen. • Halten Sie bei Transport, Lagerung und Betrieb die in den technischen Daten angegebenen Grenzwerte ein. • Verwenden Sie keine beschädigten Geräte. • Schützen Sie die Komponenten gegen leitfähige Verschmutzung, z. B. durch Einbau in einen Schaltschrank mit der Schutzart IP54 nach EN 60529. Unter der Voraussetzung, dass am Aufstellort das Auftreten von leitfähigen Verschmutzungen ausgeschlossen werden kann, ist auch eine entsprechend geringere Schutzart des Schaltschranks zulässig. WARNUNG Brandgefahr des Motors durch Überlastung der Isolation Bei einem Erdschluss in einem IT-Netz entsteht eine höhere Belastung der Motorisolation. Mögliche Folge ist ein Versagen der Isolation mit Personengefährdung durch Rauchentwicklung und Brand. • Verwenden Sie eine Überwachungseinrichtung, die einen Isolationsfehler meldet. • Beseitigen Sie den Fehler so schnell wie möglich, um die Motorisolation nicht zu überlasten. WARNUNG Lebensgefahr durch elektrischen Schlag bei nicht aufgelegten Leitungsschirmen Durch kapazitive Überkopplung können lebensgefährliche Berührspannungen bei nicht aufgelegten Leitungsschirmen entstehen. • Legen Sie Leitungsschirme und nicht benutzte Adern von Leistungsleitungen (z. B. Bremsadern) mindestens einseitig auf geerdetes Gehäusepotenzial auf. WARNUNG Lebensgefahr durch elektrischen Schlag bei fehlender Erdung Bei fehlendem oder fehlerhaft ausgeführtem Schutzleiteranschluss von Geräten mit Schutzklasse I können hohe Spannungen an offen liegenden Teilen anliegen, die bei Berühren zu Tod oder schweren Verletzungen führen können. • Erden Sie das Gerät vorschriftsmäßig. Anforderung an Fremdmotoren 14 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Sicherheitshinweise 3.1 Allgemeine Sicherheitshinweise WARNUNG Lebensgefahr durch elektrischen Schlag beim Trennen von Steckverbindungen im Betrieb Beim Trennen von Steckverbindungen im Betrieb können Lichtbögen zu schweren Verletzungen oder Tod führen. • Öffnen Sie die Verbindungen nur im spannungsfreien Zustand, sofern sie nicht ausdrücklich zum Trennen im Betrieb freigegeben sind. WARNUNG Lebensgefahr durch inaktive Safety-Funktionen Inaktive oder nicht angepasste Safety-Funktionen können Funktionsstörungen an Maschinen auslösen, die zu schweren Verletzungen oder Tod führen können. • Beachten Sie vor der Inbetriebnahme die Informationen in der zugehörigen Produktdokumentation. • Führen Sie für sicherheitsrelevante Funktionen eine Sicherheitsbetrachtung des Gesamtsystems inklusive aller sicherheitsrelevanten Komponenten durch. • Stellen Sie durch entsprechende Parametrierung sicher, dass die angewendeten Sicherheitsfunktionen an Ihre Antriebs- und Automatisierungsaufgabe angepasst und aktiviert sind. • Führen Sie einen Funktionstest durch. • Setzen Sie Ihre Anlage erst dann produktiv ein, nachdem Sie den korrekten Ablauf der sicherheitsrelevanten Funktionen sichergestellt haben. Hinweis Wichtige Sicherheitshinweise zu Safety-Funktionen Sofern Sie Safety-Funktionen nutzen wollen, beachten Sie unbedingt die Sicherheitshinweise in den Safety-Handbüchern. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 15 Sicherheitshinweise 3.1 Allgemeine Sicherheitshinweise Anforderung an Fremdmotoren 16 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 4 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.1 Tabelle 4- 1 Motorbezogene Umrichtereinstellparameter Motordaten, die als Umrichtereinstellparameter verwendet werden Parameter Bedeutung Einheit sync / async siehe Seite p0304 Bemessungsspannung Veff a → (Seite 28) p0305 Bemessungsstrom Aeff s und a → (Seite 32) p0307 Bemessungsleistung kW a → (Seite 34) p0308 Bemessungsleistungsfaktor a → (Seite 29) p0310 Bemessungsfrequenz Hz a → (Seite 37) p0311 Bemessungsdrehzahl 1 / min s und a → (Seite 35) p0312 Bemessungsdrehmoment Nm a → (Seite 33) p0314 Polpaarzahl s und a → (Seite 38) p0316 Drehmomentkonstante Nm / A s → (Seite 20) p0317 Spannungskonstante Veff / 1000 Upm s → (Seite 20) p0318 Stillstandsstrom Aeff s → (Seite 56) p0319 Stillstandsmoment Nm s → (Seite 58) p0320 Bemessungsmagnetisierungsstrom / -kurzschlussstrom Aeff s und a → (Seite 43) p0322 Maximaldrehzahl 1 / min s und a → (Seite 58) p0323 Maximalstrom Aeff s p0326 Kippmomentkorrekturfaktor % s und a → (Seite 65) p0327 Lastwinkel optimal Grad s → (Seite 62) p0328 Reluktanzmomentkonstante mH s → (Seite 62) Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 17 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.1 Motorbezogene Umrichtereinstellparameter Parameter Bedeutung Einheit sync / async siehe Seite a → (Seite 67) p0335 Motorkühlart p0338 Grenzstrom Aeff s und a p0341 Trägheitsmoment kgm² s und a p0348 Einsatzdrehzahl Feldschwächung Vdc = 600 V 1 / min s und a → (Seite 44) p0350 Ständerwiderstand kalt Ohm s und a → (Seite 58) p0353 Vorschaltinduktivität mH s und a → (Seite 38) p0354 Läuferwiderstand kalt Ohm a → (Seite 26) p0356 Ständerstreuinduktivität mH s und a → (Seite 38) p0358 Läuferstreuinduktivität / Dämpferinduktivität d-Achse mH a → (Seite 38) p0360 Hauptinduktivität mH a → (Seite 22) p0391 Stromregleradaption Einsatzpunkt KP Aeff s und a → (Seite 52) p0392 Stromregleradaption Einsatzpunkt KP adaptiert Aeff s und a → (Seite 52) p0393 Stromregleradaption P-Verstärkung Adaption % s und a → (Seite 52) p0604 Motorübertemperatur Warnschwelle °C s und a → (Seite 67) / → (Seite 83) p0605 Motorübertemperatur Störschwelle °C s und a → (Seite 68) / → (Seite 84) p0640 Stromgrenze Aeff s und a p1800 Pulsfrequenz kHz s und a → (Seite 49) Anforderung an Fremdmotoren 18 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.2 Parameter zur Motorcharakterisierung 4.2 Parameter zur Motorcharakterisierung Nachfolgend aufgeführt sind Motordaten, die zur Charakterisierung des Motors verwendet werden, aber keinen Eingang in die Umrichterparametrierung finden. Sie müssen im Datenblatt des Motorherstellers enthalten sein. Tabelle 4- 2 Parameter zur Motorcharakterisierung Name im Dokument Funktion Einheit sync / async siehe Seite Lm_Iμ_small Hauptinduktivität für kleinen Magnetisierungsstrom mH a → (Seite 22) Iμ_sat_start Magnetisierungsstrom, ab dem die Sättigung der Hauptinduktivität einsetzt Aeff a → (Seite 22) Schaltschwelle für PTC (bzw- Bimetallschalter) zur Motortemperaturüberwachung °C 4.3 Anforderungen an die Motorqualität Nachfolgend aufgeführt sind Qualitätsanforderungen an den Motor, die nicht an direkte Umrichtereinstellparameter geknüpft sind. Die hier aufgelisteten Daten müssen nicht im Datenblatt des Motorherstellers enthalten sein, der Motor muss aber die hier genannten Qualitätsanforderungen erfüllen. Tabelle 4- 3 Parameter zur Motorcharakterisierung Name im Dokument Qualitätsmerkmal sync / async siehe Seite Grad_Iμ_small Steigung der Flusskurve im Bemessungspunkt des Magnetisierungsstroms a → (Seite 22) Sinusform der EMK s und a → (Seite 30) Pol- und Nutrasten im Leerlauf s und a → (Seite 30) Pol- und Nutrasten bei Bemessungsmoment a → (Seite 31) Kurzschlussstrom bei Verwendung Schutzfunktion „Kurzschluss der Motorleitungen“ s → (Seite 61) Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 19 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.4 Drehmomentkonstante und Spannungskonstante 4.4 Drehmomentkonstante und Spannungskonstante Hinweis Angaben in diesem Kapitel gelten nur für Synchronmotoren Die hier gemachten Angaben für Drehmoment- und Spannungskonstanten gelten ausschließlich für Synchronmotoren. Hinweis Asynchronmotoren Für Asynchronmotoren wird die Drehmomentkonstante nicht als direkter Parameter an den Umrichter übergeben. Dennoch rechnet der Umrichter intern mit einem Drehmomentfaktor, damit die Drehmomentanforderung aus dem Drehzahlregler korrekt umgesetzt werden kann. Der intern verwendete Drehmomentfaktor setzt sich unter anderem aus den eingetragenen Parametern für Bemessungsdrehzahl und Bemessungsleistung zusammen. Um einen korrekt normierten Drehzahlregler zu erhalten, muss die Angabe für die Bemessungsleistung beim Asynchronmotor hinreichend exakt mit der Leistungs- bzw. Drehmomentbetrachtung des Ersatzschaltbildes übereinstimmen. p0316 Motor-Drehmomentkonstante Die Drehmomentkonstante wird für den Motor unter Bemessungsbedingungen angegeben: ● Bemessungsdrehmoment wird erzeugt. Gewertet wird das Wellendrehmoment, das bereits eine eventuelle Minderung durch Reibung erfahren hat. ● Der Motor, insbesondere der Läufer mit seinen Dauermagneten hat die Beharrungstemperatur des S1-Betriebs erreicht. ● Als Strom, im Nenner der Drehmomentkonstante wird nur der drehmomentbildende Strom Iq gewertet. Falls der Bemessungspunkt im Feldschwächbereich liegt, geht der feldbildende Anteil des Stroms nicht in die Drehmomentkonstante ein (Strom im Grunddrehzahlbereich als Strangstrom-Effektivwert in der Zuleitung des Motors). ● Als Drehmoment wird ausschließlich das Drehmoment gewertet, das unter dem Kommutierungswinkel 90 Grad erzeugt wird (siehe Kapitel Optimaler Lastwinkel und Reluktanzmomentkonstante (Seite 62)). Anforderung an den Motor Die Drehmomentkonstante muss über den gesamten zugelassenen Bereich des momentbildenden Stroms hinreichend konstant sein. ● Gegenüber dem Anfangswert für Leerlauf (kt0) darf der Rückgang bei Bemessungsstrom nicht größer als 10 % sein. ● Gegenüber dem Anfangswert für Leerlauf darf der Rückgang bei maximalem momentbildenden Strom nicht größer als 20 % sein. Anforderung an Fremdmotoren 20 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.4 Drehmomentkonstante und Spannungskonstante Die Drehmomentkonstante muss gegenüber den zulässigen Variationen von Temperatur und Drehzahl hinreichend konstant sein. ● Gegenüber dem Stillstandswert darf die Abweichung der Drehmomentkonstante über den zulässigen Drehzahlbereich nicht größer als ±3 % sein. ● Gegenüber dem 20 °C-Wert darf die Abweichung der Drehmomentkonstante über den zulässigen Temperaturbereich nicht größer als +10 %…-5 % sein. Hinweis Da die Drehmomentkonstante den betriebswarmen Motor unter Bemessungsbedingungen beschreibt, ist zu erwarten, dass sie im Falle von permanenterregten Synchronmotoren bei kaltem Läufer zunimmt. Bild 4-1 Zugelassener (sättigungsbedingter) Rückgang der Drehmomentkonstante p0317 Motor-Spannungskonstante Als Spannungskonstante wird die Klemmenspannung (Außenleiterspannung, Effektivwert) gewertet, die sich bei kaltem Motor bei einer Drehzahl von 1000 Upm ergibt. Der Lastzustand zur Ermittlung der Spannungskonstante ist Leerlauf. Dies entspricht einem fremdgetriebenem Generator mit offenen Klemmen. Falls dieser Betriebszustand wegen der Höhe der induzierten Spannung für die Drehzahl von 1000 Upm nicht zulässig ist, wird von der gerade noch zulässigen Drehzahl mit offenen Klemmen auf 1000 Upm (linear) umgerechnet. ● Effektivwert der Klemmenspannung (nicht Klemme - Stern) ● Drehzahl 1000 Upm ● Der Motor, insbesondere der Läufer mit seinen Dauermagneten ist „kalt“ (20 °C). ● Lastzustand Leerlauf (vorzugsweise fremdgetrieben mit offenen Klemmen) Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 21 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.5 Hauptinduktivität Hinweis Wegen der Energieerhaltung stehen die Spannungskonstante und das „innere1)“ Drehmoment eines permanent erregten Synchronmotors in fester Beziehung zueinander. Im Betriebszustand für kleine Ströme (ungesättigter Motor) und für kalten Läufer geht die dort wirksame „innere“ Drehmomentkonstante über den festen Faktor 60,46 aus der Spannungskonstante hervor. kT für kleine Ströme und kalten Motor = 1/60,46 · p0317 · [(Nm/Aeff) / (Veff/min-1)] Entspricht die vom Motorhersteller angegebene Drehmomentkonstante dem oben dargestellten Wert, dann hat der Motorhersteller weder Temperatureffekte der Magnetisierung, noch Effekte der magnetischen Sättigung, noch Reibungsverluste in die Drehmomentkonstante einfließen lassen. 1) Unter „innerem“ Drehmoment wird das Luftspaltdrehmoment verstanden. Das mechanische Wellendrehmoment ist dann um die Reibungsanteile vermindert. 4.5 Hauptinduktivität Hinweis Angaben in diesem Kapitel gelten nur für Asynchronmotoren Die hier gemachten Angaben zur Hauptinduktivität gelten ausschließlich für Asynchronmotoren. p0360 Motor-Hauptinduktivität/Hauptinduktivität d-Achse gesättigt Die Hauptinduktivität (p0360) wird als Parameter für den Bemessungsmagnetisierungsstrom im Leerlauf (p0320) übergeben. Zur Kenntnis des Betriebsverhaltens ist die Beschreibung der Abhängigkeit der Hauptinduktivität vom Magnetisierungsstrom erforderlich. Die beiden Parameter p0320 und p0360 dienen als Koordinaten für den Basispunkt zur Beschreibung des Verlaufs der Hauptinduktivität. Im Rahmen der Motordatenübergabe muss der Verlauf der Hauptinduktivität über dem Magnetisierungsstrom durch einen zusätzlichen Stützpunkt beschrieben werden. Da die Feldschwächung frühestens ab der Bemessungsdrehzahl einsetzt (siehe Kapitel Einsatzdrehzahl Feldschwächung (Seite 44)), ist der Magnetisierungsstrom in keinem Betriebszustand größer als der Bemessungsmagnetisierungsstrom. In der Feldschwächung geht der Magnetisierungsstrom zurück. Dadurch geht die Hauptinduktivität zunehmend aus der Sättigung und wird größer. Für kleine Magnetisierungsströme geht die Hauptinduktivität ganz aus der Sättigung, so dass sie im Gebiet kleiner Magnetisierungsströme konstant bleibt. Zusätzlicher Stützpunkt: Hauptinduktivität am Übergang von Sättigung in den Konstantbereich Anforderung an Fremdmotoren 22 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.5 Hauptinduktivität Benennung der Koordinaten des nachfolgenden Diagramms: Basispunkt: ● Lm_Iµ_rated (= Umrichterparameter p0360) Hauptinduktivität beim angegebenen Bemessungsmagnetisierungsstrom (= max. betrieblicher Magnetisierungsstrom) ● Iµ (= Umrichterparameter p0320) Feldbildender Strom, für den der Betrieb des Motor ausgelegt wurde. Er gilt für den Drehzahlbereich unterhalb der Feldschwächung (ist zugleich auch der maximale betriebliche Magnetisierungsstrom) Hinweis Der „Magnetisierungsstrom“ wird gelegentlich auch als „Leerlaufstrom“ bezeichnet, weil sich dieser als Klemmenstrom des unbelasteten Motors in feldorientierter Betriebsart einstellt. Zusätzlicher Stützpunkt: ● Lm_Iµ_small (= kein Umrichterparameter) Hauptinduktivität für kleine Ströme ● Iµ_sat_start (= kein Umrichterparameter) Magnetisierungsstrom ab dem die Sättigung (= Rückgang der Hauptfeldinduktivität) einsetzt Hinweis Die Begriffe „Feldbildender Strom“, „Magnetisierungsstrom“ und „Leerlaufstrom“ werden in der Literatur bei der Beschreibung des Betriebsverhaltens der feldorientierten Regelung häufig synonym verwendet. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 23 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.5 Hauptinduktivität Bild 4-2 Abhängigkeit der Hauptinduktivität vom Magnetisierungsstrom (Betriebszustand: Leerlauf) Die Hauptinduktivität wird somit durch vier Angaben beschrieben, von denen zwei Angaben Umrichterparameter sind: Tabelle 4- 4 Angaben der Hauptinduktivität, die im Herstellerdatenblatt enthalten sein müssen Parametername Bedeutung Einheit Randbedingung / Funktion p0360 Hauptinduktivität mH Bei angegebenen Magnetisierungsstrom p0320 p0320 Magnetisierungsstrom Aeff Wirksamer Magnetisierungsstrom unterhalb der Feldschwächeinsatzdrehzahl Lm_Iµ_small Hauptinduktivität für kleinen Magnetisierungsstrom mH Zur Bewertung des Sättigungsverhaltens Lastzustand: Leerlauf (zusätzlichen Stützpunkt) Iµ_sat_start Magnetisierungsstrom, ab dem die Sättigung der Hauptinduktivität einsetzt Aeff (zusätzlichen Stützpunkt) Hinweis Diese beiden Stützpunkte wurden in früheren Simodrive-Regelungen indirekt als MD1143 Entsättigungsdrehzahl bzw. Obere Drehzahl Lh-Kennlinie und MD1144 Entsättigungsgrad bzw. Verstärkungsfaktor Lh-Kennlinie angegeben. Anforderung an Fremdmotoren 24 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.5 Hauptinduktivität Anforderung an den Motor: ● Steigung der Fluss-Magnetisierungsstrom-Kurve (relevant für die Flussregelung): Grad_Iµ_rated Der aktuell wirkende Magnetisierungsstrom wird durch den Flussregler des Umrichters selbsttätig so nachgestellt, dass sich ein festgelegter Zielwert des Flusses einstellt. Der Zielwert ergibt sich aus dem Produkt der angegebenen Hauptfeldinduktivität, Lm_µ_rated und dem angegebenen Bemessungsmagnetisierungsstrom, Iµ: Zielwert des Flusses (Vorgabe für den Flussreglers): Ψ_Iµ_rated ~ Lh_Iµ_rated · Iµ Der Istwert des Flusses wird im Umrichter kontinuierlich gemessen. Ab einer bestimmten Schwellendrehzahl (p1752) wird der Magnetisierungsstrom vom Flussregler so nachgeführt, dass sich der Zielwert des Flusses einstellt. Damit der Flussregler den Zielwert sicher anfahren kann, darf die Steigung der Fluss-Strom-Kurve nicht zu flach sein. Anforderung: Die Steigung der Fluss-Magnetisierungsstrom-Kurve bei Bemessungsmagnetisierungsstrom, Grad_Iµ_rated, muss mindestens noch 20 % vom Anfangswert für kleine Ströme, Grad_Iµ_small, besitzen. Mit anderen Worten: Die Sättigung der Flusskurve darf nicht so gravierend sein, dass bei Bemessungs-Magnetisierungsstrom die Steigung auf weniger als 20 % des Anfangswertes abgefallen ist. Bild 4-3 Abhängigkeit des Flusses vom Magnetisierungsstrom (Betriebszustand: Leerlauf) Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 25 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.6 Motor-Läuferwiderstand kalt ● Konstanz der Hauptinduktivität gegenüber dem Betriebszustand (Relevant für Qualitätsaspekte): Die Hauptinduktivität muss gegenüber den Betriebsparametern – Schlupf – momentbildender Strom – Drehzahl – Temperatur stabil sein. Die zulässigen Änderungen dürfen im freigegebenen Betriebsbereich +10 % und -5 % nicht überschreiten. Insbesondere eine Änderung der Hauptinduktivität, die durch den momentbildenenden Strom verursacht würde, ist unerwünscht und darf den genannten Rahmen nicht überschreiten. Hinweis Eine Abhängigkeit der Hauptinduktivität vom Magnetisierungsstrom nach Bild "Abhängigkeit der Hauptinduktivität vom Magnetisierungsstrom" und Bild "Abhängigkeit des Flusses vom Magnetisierungsstrom" ist zulässig. Die geforderte Stabilität hinsichtlich der genannten vier Kriterien, Schlupf, momentbildender Strom, Drehzahl und Temperatur bezieht sich auf den gesamten Betriebsbereich. 4.6 Motor-Läuferwiderstand kalt Hinweis Angaben in diesem Kapitel gelten nur für Asynchronmotoren Die hier gemachten Angaben zum Motor-Läuferwiderstand gelten ausschließlich für Asynchronmotoren. p0354 Motor-Läuferwiderstand kalt Der anzugebende Läuferwiderstand muss auf die Windungszahl des Ständers in "einsträngiges Stern-Ersatzschaltbild, Klemme-Sternpunkt" umgerechnet sein, so dass er direkt als ständerbezogene Ersatzschaltbildgröße behandelt werden kann. Der Läuferwiderstand wird für den Bemessungspunkt angegeben. Im Bemessungspunkt herrscht Bemessungstemperatur und der Motor gibt die Bemessungsleistung bei Bemessungsdrehzahl ab. Durch die Angabe des Läuferwiderstandes im Bemessungspunkt werden eventuelle Stromverdrängungseffekte des Läufers in die Widerstandsangabe einbezogen. Für die Angabe im Motordatenblatt muss der Motorhersteller den Läuferwiderstand auf den 20 °C-Wert umrechnen. Die Angabe des Widerstandswertes im Motordatenblatt soll mit mindestens drei gültigen Ziffern erfolgen. Anforderung an Fremdmotoren 26 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.6 Motor-Läuferwiderstand kalt Die Angabe des Läuferwiderstandes ist eine zentrale Größe der feldorientierten Betriebsart von Asynchronmotoren. Das Maschinendatum des Läuferwiderstandes muss den tatsächlichen, auf den Stator umgerechneten Läuferwiderstand hinreichend gut beschreiben. Deshalb darf die Abweichung zwischen dem im Herstellerdatenblatt angegebenem und dem tatsächlich wirksamen Wert maximal +/-7 % betragen. Hinweis Wenn die Motordaten nicht gemessen, sondern errechnet werden, dann soll als Lastbedingung Bemessungsmagnetisierung bei Bemessungsmoment (Schlupffrequenz im Bemessungspunkt usw.) angesetzt werden. Anforderung an den Motor Der Läuferwiderstand muss gegenüber den Betriebsparametern ● Schlupf ● momentbildender Strom ● Magnetisierungsstrom hinreichend stabil sein. „Hinreichend stabil“ bedeutet, dass die zulässige Änderung des Läufer-widerstandes im freigegebenen Betriebsbereich +10 % und -10 % nicht überschreitet. Bekanntlich erhöht sich der Läuferwiderstand mit der Temperatur. Die SINAMICS Regelung berücksichtigt dies, sofern ein analog messender Temperatursensor in der Motorwicklung vorhanden ist. Die Käfigtemperatur wird dann indirekt mit Hilfe der Wicklungstemperatur beobachtet. Der im Modell hinterlegte Läuferwiderstand wird der indirekt beobachteten Temperatur angepasst. Die Regelung geht dabei von einem Temperaturbeiwert aus, der dem von Kupfer entspricht. Temperaturbeiwerte, die erheblich von demjenigen für Kupfer abweichen, können in der Regelung nicht parametriert werden. Deshalb muss der Temperaturbeiwert des Käfigmaterials in der Nähe der Beiwerte für Kupfer bzw. Aluminium liegen. • Für Kupfer ΔRKupfer / ΔT = 0,00393 / K · RKupfer • Für Alu ΔRAlu / ΔT = 0,00377 / K · RAlu Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 27 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.7 Motor-Bemessungsspannung 4.7 Motor-Bemessungsspannung Hinweis Angaben in diesem Kapitel gelten nur für Asynchronmotoren Die hier gemachten Angaben zur Motor-Bemessungsspannung gelten ausschließlich für Asynchronmotoren. p0304 Motor-Bemessungsspannung Die Bemessungsspannung gibt den Effektivwert der Außenleiterspannung an. Die Angabe gilt für den folgenden Betriebszustand: ● Drehzahl der Motorwelle: Bemessungsdrehzahl ● Leistung an der Motorwelle: Bemessungsleistung ● Strom in der Zuleitung: Bemessungsstrom ● Temperatur von Stator und Läufer: S1-Beharrungstemperatur in der vorgeschriebenen Kühlart ⇒ Stator- und Läuferwiderstand im Zustand der Beharrungstemperatur ● Ohne Vorschaltinduktivität ● PWM-Effekte werden nicht gewertet ● Nur die elektrische Drehstromgrundwelle wird berücksichtigt Die Randbedingungen, die für die Angabe der Bemessungsspannung angesetzt werden, würden sich beim Betrieb mit einem idealen Sinusfilter so einstellen. In dieser idealisierten Betriebsart ergibt sich kein Bedarf für eine Vorschaltinduktivität. Die Bemessungsspannung (p0304) soll den Spannungsbedarf des Motors alleine, ohne eventuell vorhandene Vorschaltinduktivität wiedergeben. Hinweis Die elektrische Frequenz ergibt sich aus dem Schlupf, der notwendig ist, um mit Bemessungsstrom die Bemessungsleistung bei Bemessungsdrehzahl zu erreichen. Anforderung an Fremdmotoren 28 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.8 Motor-Bemessungsleistungsfaktor 4.8 Motor-Bemessungsleistungsfaktor Hinweis Angaben in diesem Kapitel gelten nur für Asynchronmotoren Die hier gemachten Angaben zum Motor-Bemessungsleistungsfaktor gelten ausschließlich für Asynchronmotoren. p0308 Motor-Bemessungsleistungsfaktor Der Leistungsfaktor ist in der Literatur als „cos φ“ bekannt. Er gibt das Verhältnis von aufgenommener elektrischer Scheinleistung zu aufgenommener elektrischer Wirkleistung im Bemessungspunkt an. Die Angabe erfolgt als Verhältniszahl und nicht in Prozent. Die Angabe gilt für den folgenden Betriebszustand: ● Drehzahl der Motorwelle: Bemessungsdrehzahl ● Leistung an der Motorwelle: Bemessungsleistung ● Strom in der Zuleitung: Bemessungsstrom ● Temperatur von Stator und Läufer: S1-Beharrungstemperatur in der vorgeschriebenen Kühlart ⇒ Stator- und Läuferwiderstand im Zustand der Beharrungstemperatur ● Ohne Vorschaltinduktivität ● Ohne PWM-Verluste ● Nur die elektrische Drehstromgrundwelle wird berücksichtigt Die Randbedingungen, die für die Angabe des Bemessungsleistungsfaktors angesetzt werden, würden sich beim Betrieb mit einem idealen Sinusfilter so einstellen. In dieser idealisierten Betriebsart ergibt sich kein Bedarf für eine Vorschaltinduktivität. Der Bemessungsleistungsfaktor p0308 soll den Motor alleine, ohne eventuell vorhandene Vorschaltinduktivität beschreiben. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 29 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.9 Sinusform der EMK (Qualitätsanforderung) 4.9 Sinusform der EMK (Qualitätsanforderung) Die Umrichter der SINAMICS-Baureihen arbeiten mit präziser Sinuskommutierung. In dieser Betriebsart ergibt sich genau dann ein exakt gleichmäßiges, winkelunabhängiges Drehmoment, wenn der Motor eine sinusförmige EMK (Elektromotorische Kraft) besitzt. Abweichungen von der sinusförmigen EMK führen zu einer unerwünschten Drehmomentwelligkeit. Um ein möglichst gleichmäßiges, nicht pulsierendes Drehmoment zu erhalten, darf der Oberwellenanteil der EMK nicht zu groß sein. Insbesondere die 5. und die 7. und auch die 11. und die 13. Oberwelle können markante Störungen des Drehmomentes erzeugen. Folgende Anforderung wird an den Motor gestellt: ● An Synchronmotoren: Abnahmebedingung: Motor werde mit offenen Klemmen bei ideal konstanter Drehzahl fremdgetrieben. Die EMK werde gegen einen virtuellen Sternpunkt gemessen. Anforderung: Der Oberwellengehalt der EMK (Generatorspannung) darf nicht größer als 2 % sein (Oberwellenamplituden werden quadratisch addiert ). ● An Asynchronmotoren: Abnahmebedingung: Der Motor drehe im Leerlauf an einer ideal sinusförmigen oberwellenfreien symmetrischen dreiphasigen Spannung. Die Spannung sei so bemessen, dass sich ein Strom einstellt, der in etwa dem Bemessungsmagnetisierungsstrom entspricht. Anforderung: Der Oberwellengehalt des Stromes, der sich bei sinus-förmiger Spannungseinspeisespannung einstellt, darf nicht größer als 3 % sein (Oberwellenamplituden werden quadratisch addiert ). Hinweis Eine Abweichung von den Anforderungen an die Sinusform der EMK ist zulässig, wenn dies explizit mit dem Kunden vereinbart wurde. Im Motordatenblatt muss dies dann mit dem Vermerk „Vergrößerter Oberwellengehalt der EMK gemäß Kundenvereinbarung“ dokumentiert werden. 4.10 Pol- und Nutrasten im Leerlauf (Qualitätsanforderung) Für Synchronmotoren Die Pol- und Nutrastmomente im Leerlauf (fremdgetrieben bei offenen Klemmen) dürfen 4 % (Peak-Peak) des Bemessungsdrehmomentes nicht übersteigen. Maßgebend sind die Zeitwerte als Abweichung vom mittleren Drehmoment, nicht die spektralen Anteile. Anforderung an Fremdmotoren 30 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.11 Pol- und Nutrasten bei Bemessungsmoment (Qualitätsanforderung) Für Asynchronmotoren Abnahmebedingung: Der Motor muss sich in feldorientierter Regelung mit Geber (p1300 = 21) befinden. Die Verstärkung des Drehzahlreglers ist auf "0" zu parametrieren (p1460 = 0). Der Motor lässt sich dann ohne Widerstandsmoment von außen an der Welle drehen. Das Drehfeld (Magnetisierung) wird synchron, ohne Schlupf, in Echtzeit dem Wellenwinkel nachgeführt. Der Motor ist nun von außen in gleichbleibender langsamer Drehzahl zu drehen. Anforderung: In diesem Zustand dürfen die Wechselanteile des zur gleichmäßigen Drehung erforderlichen Drehmomentes 4 % (Peak - Peak) des Bemessungsdrehmomentes nicht übersteigen. Maßgebend sind die Zeitwerte als Abweichung vom mittleren Drehmoment, nicht die spektralen Anteile. Hinweis Eine Abweichung von den Anforderungen an das Pol- und Nutrasten im Leerlauf ist zulässig, wenn dies explizit mit dem Kunden vereinbart wurde. Im Motordatenblatt muss dies dann mit dem Vermerk „Vergrößertes Leerlauf-Pol- und Nutrasten im Leerlauf gemäß Kundenvereinbarung“ dokumentiert werden. 4.11 Pol- und Nutrasten bei Bemessungsmoment (Qualitätsanforderung) Für Synchronmotoren Kann als erfüllt gelten, wenn der Motor die Kriterien „Sinusform der EMK“ und „Nutrasten im Leerlauf“ erfüllt. Für Asynchronmotoren Abnahmebedingung: Die Motorwelle muss über eine Drehmomentmesswelle geklemmt werden. Die Verstärkung des Drehzahlreglers ist auf "0" zu parametrieren (p1460 = 0) und gleichzeitig ein Zusatzdrehmoment in der Höhe des Bemessungsmomentes vorzugeben. Das Ständerfeld wird sich dann mit der entsprechenden Schlupffrequenz über den Läufer drehen. Anforderung: Die dabei auftretenden Störungen des Drehmomentes (Wechseldrehmomente) dürfen ±3 % des Bemessungsmomentes nicht übersteigen. Hinweis Eine Abweichung von den Anforderungen an das Pol- und Nutrasten bei Bemessungsmoment ist zulässig, wenn dies explizit mit dem Kunden vereinbart wurde. Im Motordatenblatt muss dies dann mit dem Vermerk „Vergrößertes Pol- und Nutrasten unter Last gemäß Kundenvereinbarung“ dokumentiert werden. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 31 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.12 Bemessungsstrom 4.12 Bemessungsstrom p0305 Motor-Bemessungsstrom Effektivwert des Strangstromes (Stromes in der Zuleitung), der sich im Bemessungspunkt einstellt. ● Im Bemessungspunkt wird Bemessungsdrehmoment bei Bemessungsdrehzahl erzeugt. Gemeint ist das Wellendrehmoment das bereits eine eventuelle Minderung durch Reibung erfahren hat. ● Der Bemessungspunkt (Bemessungsmoment bei Bemessungsdrehzahl) wird im Dauerbetrieb S1 gefahren. Der Motor, insbesondere der Läufer, hat die Beharrungstemperatur des S1-Betriebs erreicht. Die PWM-Frequenz dabei ist diejenige, die der Hersteller empfohlen bzw. vorgeschrieben hat (siehe Punkt PWM-Frequenz). Für Synchronmotoren: ● Falls der Bemessungspunkt mit Feldschwächung erreicht wird, ist hier die Summe aus beiden Stromkomponenten, dem momentbildenden Strom iq und dem feldbildenden Strom id gemeint. Als Feldschwächstrom id wird derjenige Strom betrachtet, der die Klemmenspannung auf einen Effektivwert von 380Veff (90 % von ( ) kompensiert ). Falls der Hersteller eine Vorschaltinduktivität vorschreibt, ist deren Induktivität bei der Feldschwächung zu berücksichtigen. Es wird somit derjenige Feldschwächstrom gewertet, der bei Anwesenheit der Vorschaltinduktivität benötigt wird, um die Klemmenspannung (bei Bemessungsdrehmoment und Bemessungsdrehzahl) auf 380 Veff zu kompensieren. Für Asynchronmotoren: ● Der Bemessungsstrom gibt den, in der Zuleitung fließenden Gesamtstrom an, der sich aus dem Magnetisierungsstrom id und dem momentbildenden Strom iq zusammensetzt ( ). Hinweis Aus dem Bemessungsstrom p0305 und dem Bemessungsmagnetisierungsstrom p0320 wird der momentbildende Strom gerechnet, der zur Erzeugung des Bemessungsmomentes erforderlich ist ( ). Anforderung an den Motor Bei Drehfeldfrequenz Null muss ein Strom von mindestens 80 % des Bemessungsstroms dauerhaft in den Motor eingeprägt werden können, ohne dass der Motor dadurch thermisch überfordert wird. Begründung: Im geberlosen Betrieb wird (in der Vorbesetzung p1612) ein Klemmenstrom eingeprägt, der 80 % des Bemessungsstroms entspricht. Im Standby wirkt dieser Strom für unbegrenzte Zeit im Stillstand. Anforderung an Fremdmotoren 32 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.13 Bemessungsdrehmoment Verwendung / Wirkung des Parameters: Der Bemessungsstrom dient als Bezugsparameter für die Vorbesetzung einiger Grenzwerte. ACHTUNG Beschädigung des Motors durch Überhitzung der Wicklung Langanhaltende Beaufschlagung des Motors mit thermisch unzulässig hohem Strom führt zur Überhitzung der Wicklung. Eine automatische Begrenzung des mittleren thermisch wirksamen Stroms auf den Bemessungsstrom findet im SINAMICS Umrichter nicht statt. • Installieren Sie für eine zuverlässige thermische Überwachung einen Temperaturfühler. Hinweis Temperaturmodelle Temperaturmodelle lassen sich grundsätzlich aktivieren, sie führen aber nur dann zu einer brauchbaren thermischen I2t-Überwachung, wenn die thermischen Modelldaten zutreffend hinterlegt wurden. Dies ist bei Fremdmotoren im Allgemeinen nicht der Fall. 4.13 Bemessungsdrehmoment p0312 Motor-Bemessungsdrehmoment Wellendrehmoment, das im Bemessungspunkt mit Bemessungsstrom und bei Bemessungsdrehzahl im S1-Dauerbetrieb erreicht wird. Eine eventuelle Minderung des Wellenmomentes durch Reibung ist berücksichtigt. Für Synchronmotoren: ● Falls der Bemessungspunkt mit Feldschwächung erreicht wird, muss der Motor den Gesamtstrom, der sich aus dem momentbildenden Strom iq und dem feldbildenden Strom id ergibt im S1-Betrieb aufnehmen können. ● Falls der Hersteller eine Vorschaltinduktivität vorschreibt, und der Bemessungspunkt mit Feldschwächung erreicht wird, ist deren Induktivität beim Feldschwächstrom des Synchronmotors zu berücksichtigen (siehe Absatz „Bemessungsstrom“). Hinweis Der Parameter p0312 ist als Umrichtereinstellparameter nur bei Asynchronmotoren erforderlich. Als Merkmal zur Beschreibung des Motors im Herstellerdatenblatt ist die Angabe des Bemessungsdrehmomentes jedoch bei Synchron- und Asynchronmotoren zwingend. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 33 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.14 Bemessungsleistung 4.14 Bemessungsleistung p0307 Motor-Bemessungsleistung Wellenleistung, die im Bemessungspunkt mit Bemessungsstrom und bei Bemessungsdrehzahl erreicht wird. Eine eventuelle Minderung des Wellenmomentes durch Reibung ist zu berücksichtigen. ● Die Bemessungsleistung (Bemessungsmoment bei Bemessungsdrehzahl) wird im Dauerbetrieb S1 erbracht. Der Motor, insbesondere der Läufer hat die Beharrungstemperatur des S1-Betriebs erreicht. ● Sofern nicht anders vereinbart, soll die Bemessungsleistung für eine Zwischenkreisspannung von 600 DC gelten. Das heißt, die effektive Klemmenspannung im Bemessungspunkt darf nicht über 380 Veff (90 % von ) betragen. Die Bemessungsdrehzahl ist gegebenenfalls so anzupassen, dass dies erfüllt wird. ● Sofern der Motorhersteller eine Vorschaltinduktivität vorschreibt, muss sie in die Angabe der Bemessungsleistung einbezogen werden. Das heißt, die oben genannte Klemmspannung gilt dann am Umrichterausgang für den Motor incl. der Vorschaltinduktivität. Die Vorschaltinduktivität führt somit im Allgemeinen zu einer Verminderung der Bemessungsleistung. Hinweis Die Chassis-Antriebsgeräte sind auch in einer Ausprägung mit einer Ausgangsspannung von 690 Veff erhältlich. Ist der betreffende Motor ausschließlich für diese Geräte vorgesehen, so kann es sinnvoll sein, dass Kunde und Motorhersteller einvernehmlich 90 % von 690 Veff = 620 Veff als Auslegungsspannung vereinbaren. Die Auslegungsspannung muss dann explizit im Motordatenblatt genannt werden. Für Synchronmotoren: ● Falls der Bemessungspunkt mit Feldschwächung erreicht wird, ist derjenige Feldschwächstrom einzuprägen, der die Klemmenspannung auf einen Effektivwert von 380 Veff kompensiert. Der S1-Betrieb muss dann mit dem eingeprägten Feldschwächstrom möglich sein. Anforderung an Fremdmotoren 34 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.15 Bemessungsdrehzahl Für Asynchronmotoren: ● Gelegentlich vertreten Fremdmotorhersteller die Auffassung, bei Asynchronhauptspindeln genüge eine begrenzte Lastdauer von beispielsweise 10 min für den Bemessungsbetrieb. Das trifft nicht zu. Der Bemessungspunkt (Bemessungsdrehmoment bei Bemessungsdrehzahl) muss im S1-Dauerbetrieb ohne Unterbrechung thermisch möglich sein. ● Die in diesem Parameter angegebene Bemessungsleistung muss hinreichend gut mit der äquivalenten Berechnung über die Ersatzschaltbilddaten übereinstimmen. Dabei werde der Bemessungsstrom rechnerisch in das Ersatzschaltbild eingeprägt und eine Ständerfrequenz vorgegeben, die sich aus der Synchronfrequenz plus der Schlupffrequenz ergibt. Die Schlupffrequenz geht dabei aus den Ersatzschaltbilddaten, insbesondere aus dem Magnetisierungsstrom, dem Bemessungsstrom und der Läuferzeitkonstante hervor. Diese Vorgehensweise ist in der Literatur über die feldorientierte Betriebsart hinlänglich beschrieben. 4.15 Bemessungsdrehzahl p0311 Motor-Bemessungsdrehzahl Mechanische Drehzahl, für die der Bemessungspunkt angegeben ist. Falls der Motor nicht über einen beschränkten Winkelbereich drehen kann (z. B. Segmentmotor für Schwenkantrieb), wird die Winkelgeschwindigkeit am Bemessungspunkt in eine Drehzahl umgerechnet, so wie sie sich bei ununterbrochener Drehung ergeben würde. Unterhalb der Bemessungsdrehzahl soll das thermisch mögliche S1-Dauerdrehmoment des Motors nicht kleiner als sein Bemessungsdrehmoment sein. Hinweis Eine Reduktion des S1-Momentes im Stillstand entsprechend Stillstandsstrom (Seite 56) ist zulässig. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 35 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.15 Bemessungsdrehzahl Bild 4-4 Beispiel eines Drehmoment - Drehzahldiagramms für den S1-Betrieb Sofern die Maximaldrehzahl größer als die Bemessungsdrehzahl ist, soll oberhalb der Bemessungsdrehzahl die thermisch mögliche S1-Dauerleistung des Motors nicht kleiner als seine Bemessungsleistung sein. Eine Reduktion der S1-Leistung auf Grund des Erreichens der Spannungsgrenze entsprechend Kippmomentkorrekturfaktor (Seite 65) ist zulässig. In diesem Fall muss die Drehzahl, ab der die Spannungsgrenze erreicht ist, um mindestens 50 % über der Bemessungsdrehzahl liegen. Bild 4-5 Beispiel eines Drehzahl - Leistungsdiagramms für den S1-Betrieb Sofern nicht anders vereinbart, soll die Bemessungsdrehzahl für eine Zwischenkreisspannung von 600 VDC gelten. Das heißt, die effektive Klemmenspannung im Bemessungspunkt darf nicht über 380 Veff (90 % von ) betragen. Anforderung an Fremdmotoren 36 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.16 Bemessungsfrequenz Hinweis Die Chassis- Antriebsgeräte sind auch in einer Ausprägung mit einer Ausgangsspannung von 690 Veff erhältlich. Ist der betreffende Motor ausschließlich für diese Geräte vorgesehen, so kann es sinnvoll sein, dass Kunde und Motorhersteller einvernehmlich 90 % von 690 Veff = 620 Veff als Auslegungsspannung vereinbaren. Die Auslegungsspannung muss dann explizit im Motordatenblatt genannt werden. Für Asynchronmotoren: ● Hier ist ausdrücklich die mechanische Drehzahl der Welle gemeint, und nicht die Frequenz (bzw. deren zugeordnete Drehzahl) des Ständerstromes. ● Anforderung an den Motor: Die Bemessungsdrehzahl (p0311) darf nicht oberhalb der im Datenblatt genannten Feldschwächeinsatzdrehzahl (p0348) liegen. Das bedeutet, dass der Motor im Bemessungspunkt noch die volle Magnetisierung aufweist. Für Synchronmotoren: ● Die Bemessungsdrehzahl soll im Allgemeinen unterhalb der im Datenblatt genannten Feldschwächeinsatzdrehzahl (p0348) liegen. Hinweis Die Bemessungsdrehzahl ist diejenige Drehzahl, für die der Motor typischerweise geplant wurde. Sie soll erreicht werden können, ohne den Umrichterausgangsstrom durch die Erfordernis eines zusätzlich benötigten Feldschwächstromes zu erhöhen. 4.16 Bemessungsfrequenz p0310 Motor-Bemessungsfrequenz Frequenz des Drehstroms, der in den Ständer eingeprägt werden muss, um den Motor mit Bemessungsdrehmoment auf Bemessungsdrehzahl zu halten. Für Synchronmotoren: ● Die Frequenz ergibt sich aus der mechanischen Drehfrequenz der Welle multipliziert mit der Polpaarzahl (p0312). Für Asynchronmotoren: ● Gegenüber der Synchronfrequenz, die sich aus der Drehfrequenz der Welle multipliziert mit der Polpaarzahl ergibt, ist die Bemessungsfrequenz um die Schlupffrequenz (bei Bemessungsleistung) erhöht. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 37 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.17 Polpaarzahl 4.17 Polpaarzahl Für Synchronmotoren: ● Zahl der EMK-Wellen (360 Grad elektrisch), die bei abgeklemmtem Umrichter an den Ständerklemmen beobachtet wird, wenn die Motorwelle um 360 Grad mechanisch gedreht wird. Falls eine Drehung um 360 Grad mechanisch nicht möglich ist, wird um einen kleineren Winkel gedreht, bei dem sich eine ganzzahlige Anzahl von EMK-Wellen ergibt. Die darin enthaltene Zahl der EMK-Wellen wird auf eine ganze 360 Grad Drehung der Motorwelle hochgerechnet. Das gilt insbesondere für Segmente von Torquemotoren, die sich über weniger als 360 Grad erstrecken. Für Asynchronmotoren: ● Ganzzahliges Verhältnis zwischen der Frequenz des Drehstroms und der mechanischen Drehfrequenz der Motorwelle im Zustand des theoretischen Leerlaufs (mit Drehmoment = 0 und Schlupffrequenz = 0). Hinweis Die Polpaarzahl muss nicht real gemessen werden. Sie geht im Allgemeinen aus einer theoretischen Betrachtung hervor. 4.18 Streuinduktivität(en) und Vorschaltinduktivität p0356 Motor-Ständerstreuinduktivität LStreuStänder p0358 Motor-Läuferstreuinduktivität LStreuLäufer (nur für Asynchronmotoren) p0353 Motor-Vorschaltinduktivität LVor Die Streuinduktivitäten des Motors (p0356 und p0358) werden für den Leerlauf angegeben. Falls bei der Ständerstreuinduktivität ein Unterschied zwischen der momentbildenden („q-“) und der feldbildenden („d-“) Richtung besteht, ist die Streuinduktivität der momentbildenden Richtung im Datenblatt als Parameter p0356 anzugeben. Falls der Unterschied zwischen der momentbildenden und der feldbildenden Richtung größer als 5 % ist, dann ist zusätzlich die Ständerstreuinduktivität der feldbildenden Richtung in das Datenblatt aufzunehmen. Anforderung an den Motor Der Unterschied der Ständerstreuinduktivität zwischen der feldbildenden und der momentbildenden Richtung darf maximal 20 % betragen. Für den geregelten Betrieb des Motors am Umrichter ist die Summenstreuinduktivität von großer Bedeutung. Unter der Summenstreuinduktivität wird die Summe der Streuinduktivitäten, die sich aus der Ständer, der Läufer- (nur bei Asynchronmotoren) und gegebenenfalls einer Vorschaltinduktivität zusammensetzt, verstanden. LStreuSumme = LStreuStänder + LStreuLäufer + LVor Anforderung an Fremdmotoren 38 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.18 Streuinduktivität(en) und Vorschaltinduktivität Wirkung der Summenstreuinduktivität: ● Sie glättet den Strom so, dass aus der rechteckförmigen Spannung der Pulsweitenmodulation (PWM) ein sägezahnförmiger Strom entsteht. Sein Hub (Rippel) wird durch die Größe der Summenstreuinduktivität bestimmt. Je kleiner die Summenstreuinduktivität ist und je niedriger die PWM-Frequenz gewählt wird, desto größer ist der Stromrippel. Bild 4-6 Stromrippel in Folge des Taktens der PWM ● Die Stromreglerverstärkung wird durch die SINAMICS-Funktion „Automatische Berechnung Motor-/Regelungsparameter“ bei Anwahl der Optionsparameter 1: Vollständige Berechnung 3: Berechnung Regelungsparameter 4: Berechnung Reglerparameter an die Summenstreuinduktivität angepasst, die in den Umrichterparametern hinterlegt wurde. Entspricht die Angabe der Streuinduktivität nicht den physikalischen Gegebenheiten, führt dies zu einer Fehlanpassung der Stromreglerverstärkung: – Bei zu großer Stromreglerverstärkung pfeift der Stromregelkreis hochfrequent (1– 2 kHz). – Bei zu kleiner Stromreglerverstärkung wird die notwendige Bandbreite des Stromregelkreises nicht erreicht. Um eine brauchbare automatische Vorbesetzung der Stromreglerverstärkung zu erhalten, muss die Angabe der Streuinduktivitäten den physikalischen Gegebenheiten entsprechen. Anforderungen an den Motor: Um einen unkritischen Betrieb an SINAMICS Umrichtern zu gewährleisten, muss die Summenstreuinduktivität folgende Bedingungen erfüllen: ● a: „mH-Wert“ stabil gegen elektrische Belastung ● b: Ausreichende Stromglättung im Verhältnis zum Bemessungsstrom ⇒ Mindestwert Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 39 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.18 Streuinduktivität(en) und Vorschaltinduktivität ● c: Ausreichende Stromglättung im Verhältnis zum Magnetisierungsstrom im Feldschwächbereich (nur bei Asynchronmotoren) ⇒ Mindestwert ● d: Ausreichende Drehmomentänderungsgeschwindigkeit ⇒ Maximalwert Die hier aufgeführten Kriterien zur Stromglättung sind auf den Motor incl. Vorschaltinduktivität anzuwenden. Die geforderte Stromglättung ist eine Mindestanforderung aus regelungstechnischer Sicht. Ob aus thermischer Sicht eine noch höhere Stromglättung erforderlich ist, hängt vom Motor ab und liegt ausschließlich in der Verantwortung des Motorherstellers. zu a: Stabilität der Ständer- und Läuferstreuinduktivität: Die Streuinduktivitäten müssen gegenüber den Betriebsparametern ● momentbildender Strom ● Feldschwächstrom (nur bei Synchronmotor) ● Magnetisierungsstrom (nur bei Asynchronmotor) ● Drehzahl ● Temperatur hinreichend stabil sein. „Hinreichend stabil“ bedeutet, dass die Streuinduktivitäten im freigegebenen Betriebsbereich um maximal 10 % zunehmen und um maximal 50 % abnehmen dürfen. Falls die Streuinduktivität einer nennenswerten Abweichung unterliegt, muss der Motorhersteller die Stromregleradaption nach Kapitel Stromregleradaption (Seite 52) durchführen und die damit korrespondierenden Umrichterparameter im Motordatenblatt hinterlegen. zu b: Ausreichende Stromglättung im Verhältnis zum Bemessungsstrom: Um einen regelungstechnisch unauffälligen Betrieb des Motors am Umrichter sicher zu stellen, soll der Stromrippel des PWM-Taktens in einem vernünftigen Verhältnis zu den betrieblichen Strömen stehen. Eine naheliegende Bezugsgröße ist der Bemessungsstrom. Der Stromrippel soll maximal 20 % des Bemessungsstroms (p0305) betragen. Da die Summenstreuinduktivität den Strom glättet, ergibt sich damit die Anforderung für die Mindestgröße der Summenstreuinduktivität: Für Synchron- und Asynchronmotoren Mit UZK: Zwischenkreisspannung (= 600 V wenn nicht anders vereinbart) fPWM: Pulsfrequenz in [Hz] (siehe p1800) Anforderung an Fremdmotoren 40 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.18 Streuinduktivität(en) und Vorschaltinduktivität zu c: Ausreichende Stromglättung im Verhältnis zum Magnetisierungsstrom im Feldschwächbereich Da bei Asynchronmotoren die Magnetisierung nicht durch Permanentmagnete, sondern durch den Magnetisierungsstrom erzeugt wird, darf der Stromrippel ein bestimmtes Verhältnis zum Magnetisierungsstrom nicht übersteigen. Als Bezugswert wird dabei der kleinste Magnetisierungsstrom gewertet, der im Betrieb auftreten kann. Er ergibt sich bei Maximaldrehzahl, weil dort der höchste Feldschwächgrad erreicht wird. Weil die Summenstreuinduktivität auch den Magnetisierungsstrom glättet, ergibt sich somit eine Anforderung für die Mindestgröße der Summenstreuinduktivität, die den Magnetisierungsstrom berücksichtigt. Es ergibt sich die folgende Bedingung: Für Asynchronmotoren Mit UZK: Zwischenkreisspannung fPWM: Pulsfrequenz p1800 Iµ: Feldbildender Strom (Effektivwert) ohne Feldschwächung p0320 nFeldschwächeinsatz: Drehzahl, ab der die Feldschwächung einsetzt p0348 nmax: Maximaldrehzahl Hinweis Der physikalische Inhalt dieser Vorschrift ist, dass der Stromrippel nicht größer sein soll, als der Momentanwert des kleinsten möglichen Motorstromes. Der kleinste mögliche Motorstrom ist der Magnetisierungsstrom bei Maximaldrehzahl im Leerlauf. zu d: Ausreichende Drehmomentänderungsgeschwindigkeit: Um eine ausreichende Bandbreite des Drehzahlreglers im Großsignalverhalten zu erhalten, darf die Spannung, die zu Veränderung des (momentbildenden) Stromes benötigt wird, nicht zu groß sein. Es ergibt sich die Anforderung für die Maximalgröße der Streuinduktivität: Für Synchronmotoren Für Asynchronmotoren Werden die Festlegungen erfüllt, ist der Motor in der Lage, im Stillstand bis zu einer Frequenz von mindestens 60 Hz ein sinusförmiges Wechsel-Drehmoment zu erzeugen. Sein Scheitelwert entspricht dem Bemessungsmoment. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 41 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.18 Streuinduktivität(en) und Vorschaltinduktivität Hinweis Das oben stehende Kriterium ergibt sich aus einem Querschnitt von Erfahrungen mit Applikationen von drehzahl- und lagegeregelten Antrieben. Hinweis Spindelmotoren erfüllen wegen der hohen Drehzahl diese Anforderung fast immer. Bei Torquemotoren hingegen, insbesondere bei denjenigen, die für eine langsame Drehzahl ausgelegt wurden, kann sich auf Grund der oben genannten Maximalstreuinduktivität ein Nachbesserungsbedarf ergeben. In diesem Falle müsste beispielsweise eine Wicklungsauslegung für eine höhere Bemessungsdrehzahl gewählt werden, selbst wenn diese Bemessungsdrehzahl im Lastprofil nicht gefordert wäre. Vorschaltinduktivität Sollte die motoreigene Motorstreuinduktivität nicht ausreichen, um die obigen Bedingungen, b) und c), zur Stromglättung zu erfüllen, muss der fehlende Anteil mittels einer Vorschaltinduktivität dem System beigefügt werden. Die Vorschaltinduktivität muss dann vom Motorhersteller vorgeschrieben werden. Sie wird zum Bestandteil des Systems Umrichter-Vorschaltinduktivität - Motor. Wird die Vorschaltinduktivität verändert, muss ein neues Datenblatt mit Umrichtereinstellparametern erstellt werden. In den Fällen, in denen die Vorschaltinduktivität nur einen Anteil von unter 20 % zur Summenstreuinduktivität beitragen würde, kann auf die Vorschaltinduktivität verzichtet werden. Die Erhöhung der Pulsfrequenz verringert nach den oben stehenden Formeln die notwendige Mindest-Summenstreuinduktivität. Durch Erhöhung der Pulsfrequenz kann die Notwendigkeit einer Vorschaltdrossel vermieden werden. Gegebenenfalls hat der Motorhersteller aus thermischen Gründen eine Vorschaltinduktivität bemessen, die größer ist, als es nach obiger Vorschrift erforderlich wäre. Dies ist zulässig sofern der mit der Vorschaltinduktivität verbundene zusätzliche Spannungsbedarf die Leistung und die Drehmomentänderungsgeschwindigkeit nicht in unzulässiger Weise beeinträchtigt. Anforderung an Fremdmotoren 42 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.19 Motor-Bemessungsmagnetisierungsstrom/-kurzschlussstrom 4.19 Motor-Bemessungsmagnetisierungsstrom/-kurzschlussstrom Die Bedeutung des Parameters p0320, „Motor-Bemessungsmagnetisierungsstrom/kurzschlussstrom“ unterscheidet sich erheblich zwischen Synchron- und Asynchronmotoren. 4.19.1 Motor-Kurzschlussstrom, p0320 für Synchronmotoren Bei Synchronmotoren ist mit diesem Parameter der Kurzschlussstrom für den Grenzwert unendlich hoher Drehzahl und verschwindend geringem ohmschen Ständerwiderstandes gemeint. Er ist bei Synchronmotoren (neben der Feldschwächeinsatzdrehzahl) das wesentliche physikalische Merkmal, das den zur Feldschwächung notwendigen Strom bestimmt (siehe Kapitel Einsatzdrehzahl Feldschwächung, p0348 für Synchronmotoren (Seite 45)). Begründung: Es werde ein Synchronmotor mit verschwindend geringem ohmschen Ständerwiderstand betrachtet. Der Motor werde fremdgetrieben. Im Falle eines Kurzschlusses an den Umrichterklemmen ist die Klemmenspannung exakt Null. Der Strom, der sich dabei einstellt, kompensiert somit die EMK exakt zu Null und wird Kurzschlussstrom genannt. Da kein ohmscher Widerstand vorhanden ist, entstehen keine Verluste. Zur Drehung der Motorwelle ist deshalb auch kein Drehmoment erforderlich. Da Strom fließt, ohne dass Drehmoment erzeugt wird, liegt der so definierte Kurzschlussstrom ausschließlich in d-Richtung. Unter Feldschwächung im Synchronmotorbetrieb wird also die Verringerung des Spannungsbedarfs durch Kompensation der EMK mittels Feldschwächstrom verstanden. Da der Kurzschlussstrom die EMK exakt vollständig kompensiert, kann er als Maximalwert eines sinnvollen Feldschwächstroms aufgefasst werden. Der Kurzschlussstrom hängt (neben der Spannungskonstante und der Polzahl des Motors) ganz wesentlich von der Summenstreuinduktivität ab. Je kleiner die Summenstreuinduktivität, desto größer der Kurzschlussstrom. Manche Fremdmotorhersteller schreiben zur Reduzierung des benötigten Feldschwächstroms eine Vorschaltinduktivität vor. Das ist unter Einhaltung bestimmter Randbedingungen zulässig. In jedem Fall ist eine eventuell vorhandene Vorschaltinduktivität dann fester Bestandteil des Systems: Fremdsynchronmotor ⇔ Vorschaltinduktivität ⇔ Umrichter Der im Datenblatt angegebene Kurzschlussstrom soll den Motor inklusive der Vorschaltinduktivität beschreiben. Der Kurzschlussstrom p0320 ist derjenige Strom, der unter Einbeziehung der Vorschaltinduktivität die EMK exakt vollständig kompensiert. Falls eine Vorschaltinduktivität vorgeschrieben ist, muss im Datenblatt vermerkt werden, dass der angebende Wert mit Vorschaltinduktivität gilt. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 43 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.20 Einsatzdrehzahl Feldschwächung 4.19.2 Motor-Bemessungsmagnetisierungsstrom, p0320 für Asynchronmotoren Bei Asynchronmotoren ist mit diesem Parameter der Magnetisierungsstrom unterhalb der Feldschwächeinsatzdrehzahl gemeint. Oberhalb der Feldschwächeinsatzdrehzahl setzt der herab. Die im Datenblatt angegebene Umrichter die Magnetisierung mit Bemessungsleistung gilt für den hier genannten Magnetisierungsstrom. Anforderung an den Motor: Der Motor wird bis zur Feldschwächeinsatzdrehzahl mit konstantem Magnetisierungsstrom betrieben. Der Motor darf sich dabei nicht schon im Leerlauf zu nahe an seiner thermischen Grenze befinden. Deshalb muss der Magnetisierungsstrom in einem vernünftigen Verhältnis zum Bemessungsstrom liegen: Der Motor soll so ausgelegt sein, dass der Magnetisierungsstrom maximal 70 % des Bemessungsstroms beträgt. 4.20 Einsatzdrehzahl Feldschwächung p0348 Einsatzdrehzahl Feldschwächung Die Wirkung des Parameters p0342 „Einsatzdrehzahl Feldschwächung“ unterscheidet sich erheblich zwischen Synchron- und Asynchronmotoren. Bekanntlich hängt der zweckmäßige Beginn der Feldschwächung von der Höhe der Zwischenkreisspannung ab. Um zu vermeiden, dass ein und derselbe Motor unterschiedliche Datenblätter erhält, wenn er für unterschiedliche Zwischenkreisspannungen verwendet wird, wird zur Erstellung des Motordatenblattes eine ReferenzZwischenkreisspannung von 600 VDC angenommen. Im SINAMICS Umrichter wird dann die tatsächlich wirkende Feldschwächeinsatzdrehzahl selbsttätig an die aktuelle Zwischenkreisspannung angepasst. Die Angabe der Einsatzdrehzahl Feldschwächung ist auf eine Referenz-Klemmenspannung zu beziehen, die sich bei einer Zwischenkreisspannung von 600 VDC ergeben würde. Die Referenzklemmenspannung für p0348 lässt eine Aussteuerreserve von 10 %, so dass sich ein Wert von 380 Veff ( = 90 % von ) ergibt. Es ist zulässig, die Feldschwächeinsatzdrehzahl auf eine niedrigere ReferenzKlemmenspannung zu beziehen, um eine höhere Aussteuerreserve einzuräumen. Anforderung an den Motor im Falle eines Asynchronmotors: Asynchronmotoren so auszulegen, dass der Bemessungspunkt ohne Feldschwächung erreicht wird. Das heißt, dass für den betriebswarmen Motor bei Bemessungsdrehzahl und Bemessungsdrehmoment der in p0320 angegebene feldbildende Strom aufrechterhalten werden kann, ohne die oben genannte Klemmenspannung von 380 Veff zu überschreiten. Die Wirkung des Parameters p0342 „Einsatzdrehzahl Feldschwächung“ unterscheidet sich erheblich, zwischen Synchron- und Asynchronmotoren. Im Folgenden wird deshalb die Beschreibung nach den beiden Motortypen unterschieden. Anforderung an Fremdmotoren 44 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.20 Einsatzdrehzahl Feldschwächung 4.20.1 Einsatzdrehzahl Feldschwächung, p0348 für Synchronmotoren Spannungsmaximumsregler: Bei Synchronmotoren muss die EMK im Feldschwächbereich aktiv kompensiert werden. Dazu wird ein Strom in feldschwächender Richtung in den Motor eingeprägt. Der Umrichter beobachtet laufend die Ausgangsspannung. Um zu verhindern, dass die Ausgangsspannung einen intern festgelegten Schwellwert überschreitet, wird exakt so viel Feldschwächstrom nachgeregelt, dass die Ausgangsspannung auf dem Schwellwert einrastet. Dieser Regelkreis heißt bei SINAMICS „Spannungsmaximumsregler“. Beschreibung der Feldschwächung des SINAMICS-Umrichters bei Synchronmotoren: Die Parametrierung des Spannungsmaximumsreglers erfolgt selbsttätig anhand der eingetragenen Ersatzschaltbilddaten. Um zu verhindern, dass im Falle von Störungen (beispielsweise auf Grund falsch eingetragener Ersatzschaltbilddaten) ein grob unpassender Feldschwächstrom ausgesteuert wird, wird der zulässige Feldschwächstrom nach oben und nach unten hin begrenzt. ● Obere Begrenzung: Der Kurzschlussstrom ist derjenige Strom, der die EMK exakt so kompensiert dass an den Klemmen die Spannung verschwindet. Bekanntlich nimmt der physikalisch messbare Kurzschlussstrom zwar mit der Drehzahl zu, er strebt aber gegen jenen festen Endwert, der in p320 zu hinterlegen ist. Deshalb kann er als Maximalwert einer sinnvollen Feldschwächung aufgefasst werden. ⇒ p0320 bildet die obere Grenze für den Feldschwächstrom. ● Untere Begrenzung: Der angeforderte Feldschwächstrom ist lastabhängig. Je höher die Motorleistung, desto höher der aktuell vom Regler angeforderte Feldschwächstrom. Betrachtet man eine konstante Leistung dann folgt der Feldschwächstrom in guter Näherung der Kurve: mit N := Drehzahl wobei NSchwelle die zur betrachteten Leistung gehörende Schwellendrehzahl des Feldschwächeinsatzes ist. Für unterschiedliche Leistungen ergeben sich unterschiedliche Schwellendrehzahlen und damit unterschiedliche Verläufe des Feldschwächstroms. ⇒ Eine rechnerische Feldschwächstromkurve, die für eine niedrige Teillast angesetzt ist, kann als sinnvolle untere Begrenzung des Feldschwächstroms aufgefasst werden. Durch die obere und die untere Begrenzung des Feldschwächstroms entsteht ein erlaubter Korridor, in dem sich der tatsächlich eingeprägte Feldschwächstrom bewegen darf. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 45 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.20 Einsatzdrehzahl Feldschwächung Bild 4-7 Beispiel für Motor mit p0320 = 100 Aeff und p0348 = 1000 Upm Erlaubter Korridor des Feldschwächstroms, gebildet durch die Parameter p0320 und p0348 Es ist zulässig die Feldschwächeinsatzdrehzahl auf eine niedrigere Spannung zu beziehen. Hinweis Verlauf der unteren Begrenzung Die Kurve des minimalen Feldschwächstroms konvergiert im oberen Drehzahlbereich gegen den in p0320 eingetragenen Kurzschlussstrom. Wird die Feldschwächeinsatzdrehzahl p0348 auf eine niedrige Drehzahl gesetzt, steigt der minimal eingeprägte Feldschwächstrom im unteren Drehzahlbereich rasch an und strebt gegen p0320. Der erlaubte Korridor des Feldschwächstroms zieht sich damit auf einen schmalen Streifen unterhalb des Kurzschlussstroms zusammen. Anforderung an Fremdmotoren 46 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.20 Einsatzdrehzahl Feldschwächung Bild 4-8 Feldschwächstrom bei stark herabgesetzter Feldschwächeinsatzdrehzahl, p0348 Hinweis Wirkung der unteren Begrenzung Der tatsächlich eingeprägte Feldschwächstrom wird nie unterhalb des minimalen Feldschwächstroms liegen, der durch p0320 und p0348 beschrieben wird. Fehlerhafte Datenblattangabe von p0348: Würde die Feldschwächeinsatzdrehzahl durch eine fehlerhafte Angabe im Datenblatt erheblich zu niedrig gesetzt, dann würde (insbesondere im unteren Drehzahlbereich) der Feldschwächstrom wesentlich höher ausgesteuert, als dies physikalisch zur Kompensation notwendig wäre (⇒ Erwärmung). Fehlerhafte Datenblattangabe von p0320: Würde der Kurzschlussstrom durch eine fehlerhafte Angabe im Datenblatt erheblich zu groß gesetzt, dann würde (insbesondere im oberen Drehzahlbereich) der Feldschwächstrom wesentlich höher ausgesteuert, als es physikalisch zur Kompensation notwendig wäre (=> Erwärmung). Absichtliche Überkompensation: Durch das drastische Herabsetzen der Feldschwächeinsatzdrehzahl (p0348) kann ein (nahezu frei wählbarer) Feldschwächstrom zu Diagnosezwecken eingeprägt werden. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 47 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.20 Einsatzdrehzahl Feldschwächung Hinweis Wirkung der oberen Begrenzung Würde der Kurzschlussstrom, p0320, durch eine fehlerhafte Angabe im Datenblatt zu niedrig gesetzt, dann wird der physikalisch notwendige Feldschwächstrom ab einer bestimmten Drehzahl gedeckelt. Die Drehzahl bleibt dann beim Hochlauf an dieser Stelle „hängen“. Anforderung an die Angabe von p0348 im Motordatenblatt: Als Einsatzdrehzahl Feldschwächung, p0348 soll diejenige Drehzahl angegeben werden, an der bei 25 % Bemessungsleistung die Klemmenspannung einen Effektivwert von 380 Veff ( = 90 % von ) aufweist. Falls vom Motorhersteller eine Vorschaltinduktivität vorgeschrieben wird, muss sie in p0348 berücksichtigt werden. Im Datenblatt ist dann zu vermerken, dass der angebende Wert mit Vorschaltinduktivität gilt. 4.20.2 Einsatzdrehzahl Feldschwächung, p0348 für Asynchronmotoren Schwellendrehzahl, ab der die Magnetisierung proportional zur Drehzahl abgesenkt wird. Im Bemessungspunkt soll noch eine Spannungsreserve von mindestens 10 % verbleiben. Die im Motordatenblatt angegeben Einsatzdrehzahl Feldschwächung p0348 darf maximal so groß sein, wie diejenige Drehzahl, an der bei Bemessungsstrom (p0305) und Bemessungsmagnetisierungsstrom (p0320) die Klemmenspannung einen Effektivwert von 380 Veff ( = 90 % von ) aufweist. Im Gegensatz zum Synchronmotor soll die im Datenblatt genannte Einsatzdrehzahl Feldschwächung (p0348) nur den Motor alleine ohne eine eventuelle Vorschaltinduktivität beschreiben. Da dem Umrichter die Vorschaltinduktivität im Parameter p0353 bekannt gemacht wird, wird die wirksame Feldschwächeinsatzdrehzahl selbsttätig an die angegebene Vorschaltinduktivität angepasst. Hinweis Im Gegensatz zu einer weit verbreiteten Auffassung wird bei SINAMICS oberhalb der Feldschwächeinsatzdrehzahl nicht der Magnetisierungsstrom, sondern der tatsächlich vorhandene magnetische Fluss nach einer -Kennlinie herabgeführt. Zeigt die Hauptinduktivität im Bemessungspunkt Sättigung, dann geht der Magnetisierungsstrom stärker zurück als die -Abhängigkeit des magnetischen Flusses. Anforderung an Fremdmotoren 48 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.21 Pulsfrequenz 4.21 Pulsfrequenz Die Wahl der Pulsfrequenz stellt einen Kompromiss dar zwischen den Aspekten, die den Motor betreffen und denen, die den Umrichter betreffen. Für die einzelnen Umrichtertypen der SINAMICS-Baureihen, (Booksize, Chassis, … ) ist jeweils eine Standardpulsfrequenz als Dimensionierungsgrundlage vorgesehen. Spätestens bei Erstellung des Motordatenblattes sollen sich Motorhersteller und Kunde über die zu verwendende Pulsfrequenz abgestimmt haben. Liegt keine explizite Abstimmung vor, so ist davon auszugehen, dass die entsprechende Standardpulsfrequenz Verwendung findet. Liegt eine Abstimmung vor, die von der Standardpulsfrequenz abweicht, so muss diese vom Motorhersteller im Motordatenblatt dokumentiert werden (Angabe des Pulsfrequenzparameters p1800). Der Einfluss der Pulsfrequenz erstreckt sich auf: ● Stromrippel (bzw. Stromglättung) ● gegebenenfalls die Notwendigkeit einer Vorschaltinduktivität ● gegebenenfalls Motorerwärmung ● maximale elektrische Drehstromfrequenz (siehe Listenhandbuch) ● Dauerstrom und Maximalstrom des Umrichters (siehe Gerätehandbuch) Hinweis Die Standardpulsfrequenzen sind in den SINAMICS Gerätehandbüchern aufgeführt. Z. B. beträgt die Standardpulsfrequenz für Leistungsteile aus der Familie „Booksize“, die sich bis zu einem S1-Strom von 200 Aeff erstrecken, 4 kHz. Pulsfrequenzumschaltung: SINAMICS ermöglicht eine Umschaltung der Pulsfrequenz während des laufenden Betriebes. Dies kann sinnvoll sein, wenn beispielsweise ein Asynchronmotor in der Feldschwächung bei hohen Drehzahlen einen deutlich geringeren Magnetisierungsstrom als im Bemessungspunkt benötigt, und gleichzeitig die Leistungsanforderung auf Grund der Applikation in diesem Drehzahlbereich nachlässt (z. B. lediglich Schlichten anstatt Schruppen bei Werkzeugspindel). Dadurch geht dann der Strombedarf in diesem Bereich deutlich zurück. Die Reduktion des Umrichterstroms, die mit der höheren Pulsfrequenz im oberen Drehzahlbereich einhergeht (Derating), könnte dann akzeptabel sein. Falls aus Sicht des Motorherstellers eine drehzahlabhängige Umschaltung der Pulsfrequenz erforderlich wird, so ist dies mit dem Kunden abzustimmen und im Motordatenblatt zu dokumentieren. Falls der Motor in bestimmten Drehzahlbereichen nur mit bestimmten Pulsfrequenzen betrieben werden darf, muss der Motorhersteller die Drehzahlbereiche und die dafür vorgeschriebenen Pulsfrequenzen im Motordatenblatt hinterlegen. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 49 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.22 Bedingungen und Kriterien zum Einsatz einer Vorschaltinduktivität 4.22 Bedingungen und Kriterien zum Einsatz einer Vorschaltinduktivität 4.22.1 Vorschaltinduktivität ist vom Motorhersteller festzulegen Es obliegt dem Motorhersteller festzulegen, ob der Motor zum einwandfreien Betrieb in der vorgesehen Antriebskonfiguration eine Drossel benötigt. Falls eine Vorschaltinduktivität notwendig ist, muss zumindest deren Induktivität vom Motorhersteller im Motordatenblatt aufgelistet sein. Die Vorschaltinduktivität kann sich nach den folgenden Kriterien als notwendig erweisen: ● Stromglättung, siehe Kapitel Streuinduktivität(en) und Vorschaltinduktivität (Seite 38) ● Senkung der PWM-Verlustwärme im Motor ● Senkung des Kurzschlussstroms bei Synchronmotoren Stromglättung: Nachdem die Pulsfrequenz im Einvernehmen mit dem Kunden festgelegt wurde, kann der Motorhersteller in eindeutiger und nachvollziehbarer Weise die Vorschaltinduktivität zur Einhaltung der geforderten Stromglättung, entsprechend Kapitel Streuinduktivität(en) und Vorschaltinduktivität (Seite 38) dimensionieren. Damit ist sichergestellt, dass die Kombination von Motor und Umrichter aus regelungstechnischer Sicht funktioniert. PWM-Verlustwärme in Motor: Die Bewertung, ob der aus regelungstechnischen Gesichtspunkten geforderte Grad der Stromglättung (Kapitel Streuinduktivität(en) und Vorschaltinduktivität (Seite 38)) gleichzeitig auch für die thermischen Gesichtspunkte des Motors ausreicht, obliegt der Verantwortung des Motorherstellers. Der Motorhersteller muss die Motorstreuinduktivität, und gegebenenfalls die Vorschaltinduktivität, so dimensionieren, dass der Motor mit der vereinbarten Pulsfrequenz an einem beliebigen U/f-Umrichter bei Bemessungsstrom und Bemessungsdrehzahl thermisch stabil betrieben werden kann. Senkung des Kurzschlussstroms bei Synchronmotoren: Bekanntlich sinkt der Kurzschlussstrom eines permanenterregten Synchronmotors mit zunehmender Summenstreuinduktivität. Damit reduziert sich auch der im Feldschwächbereich notwendige Feldschwächstrom. Es ist zulässig zur Absenkung des Feldschwächstroms eine Vorschaltinduktivität vorzuschreiben. Der Feldschwächstrom kompensiert die hohe EMK des Motors so, dass an den Motorklemmen, eine für das Antriebsystem verträgliche Spannung ansteht. In Systemen ohne Vorschaltinduktivität findet die Kompensation vollständig innerhalb des Motors statt, so dass an keiner Stelle eine unverträgliche hohe Spannung auftreten kann. Wird zusätzlich eine Vorschaltinduktivität in Reihe geschaltet, so wird ein Teil der Kompensationsspannung außerhalb des Motors in der Vorschaltinduktivität erzeugt. Vom Umrichter aus gesehen, ist die Spannung systemverträglich. Zwischen dem Ausgang der Vorschaltinduktivität und den Motorklemmen kann die Spannung aber, je nach Aufteilung der Induktivitäten, bedeutend höher sein als am Umrichterausgang. Anforderung an Fremdmotoren 50 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.22 Bedingungen und Kriterien zum Einsatz einer Vorschaltinduktivität Bild 4-9 Beispiel einer Spannungsverteilung bei starker Absenkung des Kurzschlussstroms mittels Vorschaltinduktivität Das VPM- Modul wurde hier, der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Schreibt der Motorhersteller eine Vorschaltinduktivität zur Absenkung des Feldschwächstroms vor, dann muss er dafür Sorge tragen, dass die verwendeten Komponenten die notwendige Spannungsfestigkeit aufweisen. Insbesondere ● die Klemmen und die Wicklung des Motors ● die Leitung zwischen Vorschaltinduktivität und Motor ● die Klemmen und die Wicklung der Vorschaltinduktivität müssen für die Spannung bei Maximaldrehzahl ausgelegt sein, die sich bei der gewählten Aufteilung der EMK-Kompensation ergibt. Die Berechnung bzw. Messung der Spannungsbelastung in den oben genannten Komponenten obliegt dem Motorhersteller. Er muss den Kunden im Motordatenblatt über die Höhe der Spannung informieren Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 51 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.23 Stromregleradaption 4.22.2 Anpassung von Bemessungs- und Maximalleistung an die Vorschaltinduktivität Erfahrungsgemäß kann es bei Verwendung einer Vorschaltinduktivität zu einer Verringerung der maximal verfügbaren Motorleistung kommen. Die maximal elektrisch verfügbare Motorleistung hängt neben den Eigenschaften des Motors und der Vorschaltinduktivität auch von der Betriebsspannung ab. Anforderung an das System Motor + Vorschaltinduktivität: Einschließlich der Vorschaltinduktivität darf der Effektivwert der Klemmenspannung bei Bemessungsleistung (p0307) und Bemessungsdrehzahl (p0308) maximal 90 % von betragen. UZK_customer ist dabei die mit dem Kunden vereinbarte Zwischenkreisspannung. Liegt keine spezielle Vereinbarung vor, dann ist von einer Zwischenkreisspannung von 600 VDC auszugehen. Die im Bemessungspunkt nicht zu überschreitende Klemmenspannung beträgt dann 380 Veff. Enthält das Motordatenblatt eine Angabe über die Maximalleistung, dann darf die dafür erforderliche Klemmenspannung 95 % von nicht überschreiten. Die Motordatenblattangaben für die Bemessungs- und die Maximalleistung müssen diese Anforderung berücksichtigen. 4.22.3 Besetzung des Parameters p0353 Die Benennung einer Vorschaltinduktivität obliegt dem Motorhersteller. Schreibt er eine Vorschaltinduktivität vor, so ist diese im Motordatenblatt zu dokumentieren und der Induktivitätswert in Parameter p0353 zu hinterlegen. 4.23 Stromregleradaption p0391 Stromregleradaption Einsatzpunkt KP p0392 Stromregleradaption Einsatzpunkt KP adaptiert p0393 Stromregleradaption P-Verstärkung Adaption Um die optimale Bandbreite des geschlossenen Stromregelkreises zu erhalten, muss dessen p-Verstärkung in einem bestimmten Verhältnis zur Summenstreuinduktivität stehen. Meistens ist aber die Streuinduktivität des Motors nicht konstant und nimmt mit zunehmendem momentbildenden Strom ab. Um die Wirkung der abnehmenden Induktivität auszugleichen, kann der Umrichter die Stromregler p-Verstärkung über eine hinterlegte Kennlinie automatisch anpassen. Die Kennlinie wird im Umrichter über zwei Stützpunkte parametriert. Die fortlaufende Anpassung der Stromregler p-Verstärkung wird „Stromregleradaption“ genannt. Die beiden Stützpunkte werden durch die drei Parameter p0391 – p0393 bestimmt. Anforderung an Fremdmotoren 52 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.23 Stromregleradaption Bild 4-10 Steuerung der Stromregler p-Verstärkung mittels Stromregleradaption Die Bestimmung der Kennlinie der Stromregleradaption liegt in der Zuständigkeit des Motorherstellers. Die Stromregleradaption wird vorzugsweise im Stillstand bestimmt. Die Parameter der Stromregleradaption müssen spätestens zum Zeitpunkt der Auslieferung an den Anwender übergeben werden. Sie müssen im Motordatenblatt als p0391 – p0393 hinterlegt sein. Für den Fall, dass der Hersteller eine Vorschaltinduktivität vorschreibt, muss die Stromregleradaption das System aus Motor + Vorschaltinduktivität beschreiben. Das bedeutet, dass die Stromregleradaption mit Vorschaltinduktivität bestimmt werden muss. Die Vorschaltinduktivität muss deshalb bereits beim Motorhersteller als Bauteil vorliegen. Vorschlag zur praktischen Durchführung: Im Folgenden wird eine praktische anwendbare Methodik zur Bestimmung der Stromregleradaptionsparameter vorgeschlagen. Je nach Kenntnisstand und Laborausrüstung sind alternative Wege der Bestimmung möglich, auf die hier nicht weiter eingegangen wird. Allen gemeinsam ist, dass die Bestimmung der Stromregleradaptionsparameter mit SINAMICS-Umrichtern durchzuführen ist. Vorzugsweise sind dabei diejenigen Abtastzeiten für interne Regelkreise (p0115) und diejenige Pulsfrequenz (p1800) zu wählen, die auch beim Kunden voraussichtlich zu Anwendung kommen werden. Zur Durchführung der vorgeschlagenen Methodik werden keine externen Messmittel benötigt. Die SINAMICS Umrichter verfügen bereits über eine vorbereitete Messfunktion des Stromregler-Führungsfrequenzgangs. Durch wiederholtes Messen und Interpretieren des Stromregler-Führungsfrequenzgangs werden die Adaptionsparameter dabei bestimmt. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 53 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.23 Stromregleradaption Zur Bestimmung der Stromregleradaption soll die Motorwelle geklemmt und die nachfolgend beschriebene Messreihe durchgeführt werden. Dazu muss die Adaption unwirksam geschaltet werden (p1402 Bit 2 = 0). Bei der Messreihe werden nacheinander immer höhere Offsetströme (entspr. Momentvorgabe) gesetzt und für jeden Wert des Offsetstroms die Messfunktion „Führungsfrequenzgang Stromregler“ ausgeführt (die Messfunktion steht fertig vorbereitet zur Verfügung). Für jeden angewählten Offsetstrom wird dasjenige kp_i (p1715) bestimmt, das im Stromregler-Führungsfrequenzgang die optimale Bandbreite erzeugt. „Optimal“ bedeutet hier, dass der Stromregler-Führungsfrequenzgang eine möglichst hohe Bandbreite besitzt, ohne dabei über die Null-dB-Linie zu überziehen. (Bei zu hoher pVerstärkung ergibt sich am Ende der Bandbreite ein Überziehen über die Null-dB- Linie.) In der Regel ist eine wiederholte Durchführung der Messfunktion erforderlich, um für eine gegeben Vorgabe des Offsetstroms die optimale p-Verstärkung zu finden. Schrittweise (beispielsweise in 10 %- Schritten) wird dann Offsetstromvorgabe erhöht, bis der zulässige Maximalstrom erreicht ist. Die bei der Messreihe ausgewählten Offsetströme und die dazugehörenden Werte der optimalen Stromregler p-Verstärkung werden in einem Diagramm dargestellt (siehe "Beispielmessung der Stromregleradaption"). In dem gleichen Diagramm wird nun die im Umrichter zu hinterlegende Kennlinie dargestellt, die aus den Adaptionsparametern p0391 – p0393 besteht. Ziel ist es, die Adaptionsparameter p0391 – p0393 so zu wählen, dass die Adaptionskennlinie den Messwerten möglichst gut folgt. Oft ist eine exakte Adaption aller Messpunkte nicht möglich. Dann sollte die Adaptionskurve nicht über, sondern im Mittel möglichst knapp unter den Messwerten liegen (siehe Diagramm "Beispielmessung der Stromregleradaption"). Falls der Rotor beim Hersteller noch nicht auf einer Welle montiert ist (z. B. Spindeleinbaumotor), ist es zulässig, Rotor und Stator mittels einer Distanzhülse zu fügen und verdreh- und vibrationssicher gegeneinander zu fixieren. Als Geber kann ein DummyGeber eingesetzt werden, der ein Signal im elektrisch gültigen Bereich abgibt (siehe Kapitel (Winkel-) Lagegeber (Seite 99)). Bei Asynchronmotoren kann die Messreihe ohne Einschränkung mit dem Dummy-Geber durchgeführt werden. Bei Synchronmotoren ist dies nur möglich, wenn sich der Antrieb mittels der induktivitätsbasierten Pollageidentifikation (p1980 = 0, 1 oder 4) freigeben lässt. Das ist aber bei den meisten Synchronmotoren der Fall. Eventuell müssen dazu die Parameter p0325 oder p0329 vorübergehend verändert (erhöht) werden. Anforderung an Fremdmotoren 54 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.23 Stromregleradaption Bild 4-11 Beispielmessung der Stromregleradaption Hinweis Die Stromreglerverstärkung, die die optimale Bandbreite erzeugt, wird gefunden, indem p1715 schrittweise höher geschrieben und dabei jedes Mal der „Führungsfrequenzgang Stromregler“ beurteilt wird. Die Stromreglerverstärkung für optimale Bandbreite ist diejenige, bei der der Führungsfrequenzgang gerade noch nicht über die 0 dB-Linie überzieht. Bild 4-12 Beispielmessung des „Führungsfrequenzgangs Stromregler“ für verschiedene Werte der Stromreglerverstärkung. Empfehlung: Anzeige auf +8 dB und -24 dB skalieren Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 55 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.24 Stillstandsstrom 4.24 Stillstandsstrom Hinweis Angaben in diesem Kapitel gelten nur für Synchronmotoren Die hier gemachten Angaben zum Stillstandsstrom gelten ausschließlich für Synchronmotoren. p0318 Motor-Stillstandsstrom Strom, den der Motor im Stillstand als Dauerstrom (S1) führen kann. Im Stillstand ist keine Feldschwächung vorhanden. Das bedeutet, dass kein Feldschwächstrom eingeprägt wird. Gegenüber dem S1-Betrieb bei Bemessungsdrehzahl kann sich im Stillstand, u. a. aus folgenden Gründen eine Veränderung des thermischen Gleichgewichtes und damit des zulässigen Dauerstromes ergeben: ● Thermische Beanspruchung durch Ungleichheit der Phasenströme ● Wegfall der thermische Beanspruchung durch Eisenverluste ● Änderung der Kühlbedingung, z. B. bei Wellenlüfter Thermische Beanspruchung durch Ungleichheit der Phasenströme: Im Stillstand steht der mechanische Wellenwinkel und damit auch der Kommutierungswinkel still. In den Phasenleitern stellen sich dann keine Wechselströme, sondern Gleichströme ein. Die Verteilung der Ströme hängt vom Kommutierungswinkel ab. Im ungünstigsten Fall ist der Strom in der am stärksten belasteten Phase um Faktor √2 größer als der DrehstromEffektivwert, der sich in derselben Phase bei gleichem Effektivstrom, aber rotierendem Drehfeldwinkel ergeben würde. Bild 4-13 Beispiel: Phasenstromverteilung im Stillstand bei Kommutierungswinkel 240° Effektivstrom: 11 Aeff, Scheitelwert: 15,56 A Belastung in W ist um √2 größer als der Effektivwert Anforderung an Fremdmotoren 56 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.24 Stillstandsstrom Die höchste ohmsche Verlustleistung ergibt sich in oben stehendem Beispiel in Phase W. Sie ist doppelt so groß wie im drehenden Betrieb (POhm_Verlust ~ i2). Um die zulässige Maximaltemperatur der Wicklung nicht zu überschreiten, muss der Stillstandsstrom reduziert werden. Das Ausmaß der Reduzierung hängt von der thermischen Kopplung der Phasen untereinander ab. Im Extremfall (vollständige thermische Entkopplung) muss der Stillstandsstrom auf 71 % reduziert werden. Wegfall der thermischen Beanspruchung durch Eisenverluste: Im Stillstand entfallen die Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste der flussführenden Elemente (Eisenverluste). Dadurch verringert sich, bei gleichem Strom die gemittelte thermische Belastung des Motors, wodurch ein Spielraum zur Erhöhung des StromEffektivwertes entsteht. Änderung der Kühlbedingung bei Wellenlüfter: Falls die Strömung des Kühlmediums bzw. die abführbare Wärmeleistung von der Drehzahl der Motorwelle abhängt (z. B. Wellenlüfter), ist dies im Stillstandsstrom zu berücksichtigen. Folgerung: Je nachdem, ob sich die ungünstigen oder die günstigen thermischen Effekte im Stillstand stärker durchsetzen, kann der Stillstandsstrom kleiner aber auch größer als der Bemessungsstrom sein. ● Langsam drehende Torque-Motoren: Meistens: IStillstand < IBemessung ● Schnell drehende Spindeln: Meistens: IStillstand > IBemessung Verwendung des Parameters: Der Parameter wird als Bezugsgröße für applikative und technologische Vorbesetzungen benutzt. Darüber hinaus dient er der I2t-Überwachung des Motors, sofern das Modell per Parameter aktiviert wurde. Hinweis Achtung Eine wirksame I2t-Überwachung des Stroms im Antrieb lässt sich im Prinzip über das Temperaturmodell aktivieren. Sie entfaltet aber nur dann eine brauchbare Schutzwirkung ohne unerwünschte Einschränkung der Belastbarkeit, wenn die thermischen Modelldaten zutreffend hinterlegt wurden. Dies ist bei Fremdmotoren im Allgemeinen nicht der Fall. Die Aktivierung der I2t-Überwachung wird für Fremdmotoren nicht empfohlen. Deshalb muss für eine zuverlässige thermische Überwachung ein Temperaturfühler vorgesehen sein. Hinweis Achtung Bei Synchronmotoren, die im niedrigen Drehzahlbereich unter hoher Belastung eingesetzt werden, ist eine Temperaturüberwachung empfehlenswert, die alle drei Phasen einschließt (vorzugsweise PTC-Drilling). Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 57 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.25 Stillstandsdrehmoment 4.25 Stillstandsdrehmoment Hinweis Angaben in diesem Kapitel gelten nur für Synchronmotoren Die hier gemachten Angaben zum Stillstandsdrehmoment gelten ausschließlich für Synchronmotoren. p0319 Motor-Stillstandsdrehmoment Wellendrehmoment, das mit dem oben genannten Stillstandsstrom im S1-Dauerbetrieb erreicht wird. Eine eventuelle Minderung des Wellenmomentes durch Reibung ist zu berücksichtigen. 4.26 Ständerwiderstand p0350 Motor-Ständerwiderstand kalt Der im Datenblatt genannte Ständerwiderstand muss so angegebenen werden, dass er direkt als ständerbezogene Ersatzschaltbildgröße des einstrangigen SternErsatzschaltbildes behandelt werden kann. Dabei ist der ohmsche Widerstand bei 20 °C zwischen Klemme und Sternpunkt anzugeben. Gegebenenfalls ist dazu die tatsächliche Schaltung der Wicklung in eine äquivalente Sternschaltung umzurechnen. Die Angabe des Widerstandswertes im Motordatenblatt soll mit mindestens zwei gültigen Ziffern (zwei signifikante Stellen) erfolgen. 4.27 Maximaldrehzahl p0322 Motor-Maximaldrehzahl Maximaldrehzahl, für die der betreffende Motor vorgesehen bzw. zugelassen ist. Dazu sind vom Motorhersteller alle Aspekte seines Verantwortungsbereichs zu berücksichtigen. Drehzahlbegrenzende Einflussgrößen können sein: ● Fliehkräfte am Rotor ● Induzierte Spannung in der Wicklung ● Zulässige Drehzahlen der Lagerung (nur wenn die Lagerung zum Lieferanteil des Motorlieferanten gehört) ● Einschränkungen durch den Drehgeber (nur wenn der Drehgeber zum Lieferanteil des Motorlieferanten gehört) ● Einschränkungen durch die Bremse (nur wenn die Bremse zum Lieferanteil des Motorlieferanten gehört) Anforderung an Fremdmotoren 58 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.27 Maximaldrehzahl Bei der im Motordatenblatt eingetragenen Maximaldrehzahl darf der Motor auch unter ungünstigen Kombinationen von Betriebszuständen keinen Schaden nehmen bzw. keine unzulässige Verkürzung der Lebensdauer zeigen. Als Kombinationen gleichzeitig auftretender ungünstiger Betriebszustände sind explizit zu nennen: ● Maximal zulässige Temperatur ● Maximal zulässiger Strom ● Vibration im zulässigen Bereich Sofern der Motor als Teilkomponente eines elektromechanischen Systems eingesetzt wird, und dieses System eine weitere Einschränkung der zulässigen Maximaldrehzahl erfordert, muss der Lieferant des elektromechanischen Systems ein neues Motordatenblatt herausgeben, bei dem der Wert für die Maximaldrehzahl entsprechend verringert wurde. Häufig ist dies bei Motorspindeln der Fall, bei denen der Spindelhersteller den Einbaumotor von einem Unterlieferanten bezieht und das elektromechanische System, nämlich die Motorspindel, dann an den SINAMICS-Betreiber liefert. Unterschiedliche Maximaldrehzahlen ergeben sich insbesondere dann, wenn der Spindelhersteller denselben Motor für unterschiedliche Spindeltypen einsetzt. 4.27.1 Einschränkungen der Maximaldrehzahl aus Sicht des Betriebs an SINAMICS ● Für Synchronmotoren: Maximale Spannung bei offenen Klemmen Der Scheitelwert der Spannung, die der Motor bei offenen Klemmen erzeugt, muss unter 2,0 kVKlemme-Klemme bleiben. Läge sie über 2,0 kV, bestünde im Fehlerfall ein Personenrisiko. ⇒ Der Effektivwert der Klemmenspannung Ueff_Klemme-Klemme bei Maximaldrehzahl muss kleiner als 1414 Veff sein. Dabei ist der Betriebszustand anzusetzen, bei dem die Spannung mit offenen Klemmen am größten wird. Im Allgemeinen ist dies der kalte Motor. ● Nicht unterhalb der Bemessungsdrehzahl Die Maximaldrehzahl (p0322) darf nicht unterhalb der im Datenblatt genannten Bemessungsdrehzahl (p0311) liegen. Das bedeutet, dass der Motor mindestens bis zu seiner Bemessungsdrehzahl betrieben werden können muss. WARNUNG Lebensgefahr durch elektrischen Schlag Das Risiko eines elektrischen Schlags, das bei einer EMK-Scheitelwertspannung von über 2,0 kVKlemme-Klemme besteht, wird auch durch die Verwendung einer Spannungsschutzfunktion, die die Phasenleiter untereinander kurzschließt (VPM-Modul, interner Spannungsschutz usw.) nicht beseitigt. • Sorgen Sie dafür, dass die EMK-Scheitelwertspannung stets unter 2,0 kVKlemme-Klemme liegt (siehe auch oben). Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 59 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.27 Maximaldrehzahl 4.27.2 Notwendigkeit des Überspannungsschutzes bei hoher EMK des Synchronmotors Um im Falle eines Synchronmotors eine schädliche Aufladung des Zwischenkreissystems durch den rückspeisenden Motor zu verhindern, muss der Anwender für einen Spannungsschutz sorgen, falls die theoretisch generatorisch erzeugte Klemmenspannung bei Maximaldrehzahl oberhalb eines bestimmten Schwellwertes liegen kann. Bei SINAMICSApplikationen besteht der Spannungsschutz im Ankerkurzschluss (Kurzschluss der Motorklemmen). Dem Anwender obliegt es dabei, für die Funktion des Ankerkurzschlusses zu sorgen. Hinweis Bei Booksize Leistungsteilen kann der Ankerkurzschluss entweder über ein externes Kurzschlussmodul, das VPM (Voltage-Protection Module) oder die interne Kurzschlussfunktion des Leistungsteils realisiert werden. Für Chassis-Leistungsteile sind externe VPM-Module nicht verfügbar. Siehe Funktionshandbuch (FH1) Kapitel „Interner Spannungsschutz“. Der Schwellwert, ab dem die Einrichtung eines Spannungsschutzes erforderlich ist, richtet sich nach der verwendeten Leistungsteilfamilie. ● Booksize: 820 V ● Chassis: Abhängig von der Spannungsklasse (jedoch nicht unter 820 V) Der Motorhersteller muss prüfen, ob die theoretisch erreichbare, generatorisch erzeugte Klemmenspannung bei Maximaldrehzahl einen Scheitelwert (nicht Effektivwert) von 820 V überschreiten kann. Grundlage der Prüfung ist ein Betriebszustand ● mit offenen Klemmen ● bei größter zugelassener Drehzahl ● mit größter EMK-Konstante (sie ergibt sich üblicherweise bei kaltem Läufer) Kann der so ermittelte Scheitelwert 820 V überschreiten, muss der Motorhersteller: ● Den Kunden darüber informieren, dass voraussichtlich eine Spannungsschutzmaßnahme notwendig sein wird. ● Die maximale Höhe der Klemmen-Scheitwertspannung im Datenblatt nennen. ● Den Motor so auslegen, dass er bei Maximaldrehzahl kurzschließbar ist. Dieser Aspekt wird im nachfolgenden Kapitel vertieft. Anforderung an Fremdmotoren 60 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.28 Kurzschlussstrom bei generatorischer Klemmenspannung über 820 V (Scheitelwert) 4.28 Kurzschlussstrom bei generatorischer Klemmenspannung über 820 V (Scheitelwert) Hinweis Die hier gemachten Angaben gelten ausschließlich für Synchronmotoren. Hat die Überprüfung der theoretisch erreichbaren generatorischen Klemmenspannung ergeben, dass bei Maximaldrehzahl ein Scheitelwert von 820 V überschritten werden kann, dann muss der Motor kurzschlussfest ausgeführt sein. Es ergeben sich für diesen Fall die folgenden Anforderungen an Motor: ● Da bei abruptem Klemmenkurzschluss der (transiente) Phasenstrom über dem 1,8fachen Wert des eingeschwungenen Kurzschlussstroms liegen kann, muss der Motor die dabei auftretenden Phasenströme ohne Schäden überstehen. ● Die Permanentmagnetbestückung darf auch bei hoher aktueller Betriebstemperatur des Läufers und bei ungünstiger transienter Überhöhung der Phasenströme nicht irreversibel abmagnetisieren. ACHTUNG Beschädigung des Leistungsteils durch Überstrom Beim Wicklungskurzschluss kann eine zu kleine Induktivität zu einem für den Umrichter unzulässig hohen Strom führen. Für den Fall, dass die notwendige Kurzschlussfestigkeit des Systems aus Motor und Umrichter nur mit einer Vorschaltinduktivität erreicht werden konnte, darf der Motor nicht ohne diese betrieben werden. • In der Herstellerdokumentation (z. B. Motordatenblatt) muss die Verwendung der Vorschaltdrossel und deren minimal zulässiger Wert in eindeutiger Form vorschrieben sein. Können 820 V (Klemmenspannung-Scheitelwert) überschritten werden, muss der Motorbetreiber für einen Spannungsschutz sorgen. Bei SINAMICS-Umrichtern ist dies im Standardfall eine Einrichtung, die die Motorklemmen kurzschließt (siehe SINAMICS Funktionshandbuch FH1; Kapitel „Ankerkurzschlussbremse, interner Spannungsschutz, Gleichstrombremse“). Um dem Anwender die Dimensionierung der Spannungsschutzeinrichtung zu ermöglichen, ergibt sich die folgende Anforderung an das Motordatenblatt: Können 820 V (Klemmenspannung-Scheitelwert) überschritten werden und übersteigt der dabei transient auftretende Kurzschlussstrom den im Datenblatt angebenden Kurzschlussstromparameter p0320, dann ist ● der Spitzenwert des transient auftretenden Kurzschlussstroms und ● die Abklingzeit der transienten Überhöhung des Kurzschlussstroms im Datenblatt aufzuführen. Auch hier ist eine eventuell vorhandene Vorschaltinduktivität zu berücksichtigen und der eindeutige Hinweis um Datenblatt aufzunehmen, dass der angegebene transiente Kurzschlussstrom nur in Verbindung mit eben dieser Vorschaltinduktivität gilt. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 61 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.29 Optimaler Lastwinkel und Reluktanzmomentkonstante 4.29 Optimaler Lastwinkel und Reluktanzmomentkonstante Hinweis Die hier gemachten Angaben gelten ausschließlich für Synchronmotoren. p0327 Motor-Lastwinkel optimal (ist bei Fremdmotoren ohne Systemtest immer 90 Grad) p0328 Motor-Reluktanzmomentkonstante (ist bei Fremdmotoren ohne Systemtest immer 0 mH) Hintergrund: Bekanntlich erzeugt ein im Ständer eingeprägter Stromzeiger dann das größte Drehmoment, wenn er 90 Grad zur Feldachse des Läufers steht. Der Winkel zwischen dem eingeprägten Stromzeiger und der Feldachse des Läufers wird Kommutierungswinkel genannt. Wenn bei hohen Strömen Sättigung eintritt, wird nicht nur das Drehmoment gemindert, häufig verschiebt sich auch der Lastwinkel des Drehmomentmaximums. Er liegt dann nicht mehr bei 90 Grad, sondern verschiebt sich zu einem größeren Winkel (siehe nachfolgendes Diagramm). Da dieser Effekt unerwünscht ist, soll die Verschiebung ein bestimmtes Ausmaß nicht übersteigen. Daraus ergeben sich die folgenden Anforderungen an den Motor: ● Der Kommutierungswinkel, bei dem die Drehmomentkurve (siehe Diagramm) ihr Maximum erreicht, muss zwischen 90 und 105 Grad liegen. Insbesondere bei dem vom Hersteller zugelassenen maximalen momentbildenden Strom darf die Verschiebung vom 90 Grad-Idealwert nicht größer als 15 Grad sein. ● Der Unterschied zwischen dem Drehmoment auf der 90 Grad-Kommutierung und dem Drehmomentmaximum (bei gleichem Strombetrag) darf nicht mehr als 4 % betragen (siehe Diagramm "Verschiebung des Lastwinkels des Drehmomentmaximums"). Falls im Motordatenblatt ein Maximaldrehmoment angeben ist, ist dieses auf den Maximalstrom, p0323 und einen Lastwinkel von 90 Grad zu beziehen. Anforderung an Fremdmotoren 62 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.29 Optimaler Lastwinkel und Reluktanzmomentkonstante Bild 4-14 Verschiebung des Lastwinkels des Drehmomentmaximums Strom in 10 %-Stufen auf Maximalstrom erhöht Hinweis In oben stehendem Diagramm ist eine typische Kurvenschar der Lastwinkelabhängigkeit des Drehmomentes für einen Motor mit deutlicher Sättigung dargestellt. Eine einzelne Kurve aus der Kurvenschar beschreibt dabei das Drehmoment, das bei festgehaltenem Ständerstrom (Betrag und elektrischer Winkel fest) erzeugt wird, wenn die Motorwelle von außen von 0 Grad bis 180 Grad gedreht wird. Die Kurvenschar enthält 10 Einzelkurven, bei denen der Betrag des Ständerstroms in 10 %-Schritten erhöht wurde. Das Drehmoment ist als relatives Drehmoment in % dargestellt. Der Bezugswert dabei ist das Drehmoment, das sich bei ungesättigter Drehmomentkonstante kt0 und Maximalstrom ergeben würde (kt0 • p323). Näheres zu kt0 siehe Bild "Zugelassener (sättigungsbedingter) Rückgang der Drehmomentkonstante ". Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 63 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.30 Parameter für den Maximalstrom 4.30 Parameter für den Maximalstrom p0323 Motor-Maximalstrom (nur für Synchronmotoren) p0338 Motor-Grenzstrom (nur für Synchronmotoren) p0640 Stromgrenze Für Synchronmotoren Für Synchronmotoren ist der maximal erlaubte Motorstrom als Werte für die Parameter „Motor-Maximalstrom“ (p0323) und „Motor-Grenzstrom“ (p0338) aufzuführen. Zwischen den beiden Parametern wird bei Fremdmotoren nicht unterschieden, sie werden gleichwertig verwendet. (p0640 muss im Datenblatt nicht aufgeführt werden). Hinweis Im Gegensatz zum Listenhandbuch der SINAMICS-Parameter „SINAMICS S120/S150 Listenhandbuch (LH1)“ beschreibt p0338 bei Fremdmotoren nicht den maximal möglichen Strom bei Bemessungsdrehzahl an der Spannungsgrenzkennlinie, sondern den für den Motor maximal zugelassen Strom, ohne Bezugnahme auf eine Drehzahl. Für Asynchronmotoren Für Asynchronmotoren ist der maximal erlaubte Motorstrom als Wert für den Parameter „Stromgrenze“ (p0640) aufzuführen (p0323 und p0338 müssen im Datenblatt nicht aufgeführt werden). Für Asynchronmotoren ist p0640 der einzige Parameter, der den vom Umrichter maximal ausgesteuerten Strom verbindlich begrenzt. Für Asynchronmotoren belegt der Umrichter die Stromgrenze (p0640) auf den 1½-fachen Bemessungsstrom vor (Vorbelegung: p0640 = 1,5 · p0305). Hat der Motorhersteller einen anderen Maximalstrom für den betreffenden Asynchronmotor vorgesehen, dann sollte der Betreiber im Motordatenblatt darauf hingewiesen werden, p0640 nach dem Ausführen der automatischen Berechnung der Regelungsparameter (mittels p0340 = 1) mit dem vom Hersteller vorgesehenen Wert zu überschreiben. Unter allen drei Parametern ist im Sinne des Motordatenblattes derselbe Sachverhalt zu verstehen. Es handelt sich um den vom Hersteller maximal zugelassenen Klemmenstrom. Die Aufteilung zwischen der momentbildenden und der feldbildenden Achse spielt dabei keine Rolle ( ). Die im Motordatenblatt aufgeführten Maximalstromparameter dürfen nicht unter dem Bemessungsstrom p0305 liegen. Bei dem im Motordatenblatt eingetragenen Maximalstromwert darf der Motor auch unter einer ungünstigen Kombination von Betriebszuständen keinen Schaden nehmen. Insbesondere eine irreversible Entmagnetisierung ist keinesfalls zulässig. Als Kombinationen gleichzeitig auftretender ungünstiger Betriebszustände ist explizit zu nennen: ● maximal zulässige Temperatur. ● bei Synchronmotoren: Fehlkommutierung (z. B. in Folge eines Drehgeberfehlers). Insbesondere mit Einprägung des gesamten Stromzeigers in feldschwächender Richtung. ● maximal zulässige Drehzahl Anforderung an Fremdmotoren 64 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.31 Kippmomentkorrekturfaktor Falls der Betreiber eine weitere Reduzierung des Maximalstroms vornehmen möchte, die über das Motordatenblatt hinausgeht, ist der dafür vorgesehen Parameter der p0640. Die beiden anderen Parameter, p0323 und p0338 sind zur Beschreibung des Motors vorgesehen und sollten nicht zur Anpassung des Motors an die Applikation verändert werden. Der in p0640 eingetragene Wert begrenzt verbindlich den vom Umrichter maximal ausgesteuerten Strom ( 4.31 ). Kippmomentkorrekturfaktor p0326 Motor-Kippmomentkorrekturfaktor Der Kippmomentkorrekturfaktor beschreibt, wie weit die Spannungsgrenzkennlinie verschoben werden muss, um im realen Betrieb ein einwandfreies Verhalten zu erreichen. Der Umrichter berechnet an Hand der eingetragenen Ersatzschaltbilddaten den theoretischen Verlauf der Spannungsgrenzkennlinie und sorgt durch eine drehzahlabhängige Begrenzung des Drehmomentsollwertes dafür, dass keine Drehmomentsollwerte außerhalb der Spannungsgrenzkennlinie vorgegeben werden. Damit sollte theoretisch der Spannungsbedarf nie über der verfügbaren Spannung liegen. Bild 4-15 Beispiel: Verschiebung der Drehmomentbegrenzungslinie durch p0326 = 85 % Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 65 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.32 Trägheitsmoment Die Erfahrung hat gezeigt, dass es dennoch bei einzelnen Motoren, insbesondere bei Motoren mit hohem Feldschwächverhältnis, zu einem Anstehen an der Spannungsgrenze mit unerwünschten Erscheinungen im Betriebsverhalten kommen kann. Diese treten dann insbesondere beim schnellen Abbremsen aus hoher Drehzahl auf. Eine Verbesserung lässt sich erreichen, wenn die Begrenzung der Drehmomentsollwerte früher eingeleitet wird, als dies nach der theoretischen Spannungsgrenzkennlinie erforderliche wäre. Das Drehmoment der theoretischen Spannungsgrenzkennlinie wird dabei mit dem Kippmomentkorrekturfaktor (p0326) multipliziert und als neue Begrenzungslinie für die Drehmomentsollwerte verwendet. In dem Drehzahlbereich, in dem die Spannungsgrenzkennlinie das maximal verfügbare Drehmoment bestimmt, wirkt sich der Kippmomentkorrekturfaktor entsprechend mindernd bzw. steigernd auf das vom Antrieb zugelassene Maximalmoment aus. Der Kippmomentkorrekturfaktor gleicht eine Abweichung zwischen dem theoretisch erwarteten und dem in der Praxis vorgefundenen Verhalten des Antriebs aus. Deshalb lässt sich p0326 nicht a priori aus theoretischen Vorberechnungen ermitteln. Er kann nur bei Bedarf im praktischen Betrieb ermittelt werden. Solange keine Anpassung in der Praxis stattgefunden hat, soll der Kippmomentkorrekturfaktor p0326 auf 100 % geschrieben werden. Hinweis Beim Anlegen eines Fremdmotors findet im Umrichter eine Vorbelegung des Kippmomentkorrekturfaktor (p0326) auf deutlich unter 100 % statt. Deshalb sollte der Betreiber im Motordatenblatt darauf hingewiesen werden, p0326 mit dem vom Hersteller vorgesehenen Wert zu überschreiben. Wenn keine Anpassung in der Praxis stattgefunden hat oder sonstige Erfahrungen mit dem betreffenden Motor noch nicht vorliegen, wird dieser Wert i. A. 100 % sein. 4.32 Trägheitsmoment p0341 Motor-Trägheitsmoment Dieser Parameter dient unter anderem zur automatischen Vorbelegung der Drehzahlreglerverstärkung. Um dabei einen brauchbaren Wert zu erhalten, muss hier das gesamte Trägheitsmoment der Welle angegeben werden. Sofern der Motor als Teilkomponente eines elektromechanischen Systems eingesetzt wird und sich das Trägheitsmoment des Motors durch die Komplettierung zum elektromechanischen System vergrößert, soll der Motorhersteller in p0341 keinen Wert eintragen und das Trägheitsmoment des Rotors in einer gesonderten Zeile des Motordatenblattes ausweisen. Der Lieferant des elektromechanischen Systems muss dann das Gesamtträgheitsmoment als p0341 in das Datenblatt eintragen. Häufig ist dies bei Motorspindeln der Fall, bei denen der Spindelhersteller den Einbaumotor von einem Unterlieferanten bezieht und das elektromechanische System, nämlich die Motorspindel, dann an den SINAMICS-Betreiber liefert. In diesem Fall muss der Spindelhersteller das Gesamtträgheitsmoment in p0341 nennen. Anforderung an Fremdmotoren 66 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.33 Kühlart des Motors 4.33 Kühlart des Motors Hinweis Angaben in diesem Kapitel gelten nur für Asynchronmotoren Die hier gemachten Angaben zur Motorkühlart gelten ausschließlich für Asynchronmotoren. p0335 Motorkühlart Dieser Parameter wird benutzt, um das thermische Modell des Umrichters zu parametrieren und um Zeitkonstanten der Temperaturüberwachung vorzubelegen. Bei der geführten Dateneingabe durch die SINAMICS Eingabehilfe („Wizzard“) wird die Kühlart bei Asynchronmotoren abgefragt. Folgende Kühlarten werden dabei unterschieden: ● Selbstkühlung (Abwesenheit von Zwangskühlung) ● Fremdkühlung (Luftbeströmung mittels fremdgetriebenen Lüfter, Luftaustausch mit der Umgebung) ● Flüssigkeitskühlung ● Selbstkühlung und interner Lüfter (Beströmung mittels Lüfter auf der Motorwelle kein Luftaustausch mit der Umgebung) ● Fremdkühlung und interner Lüfter (Beströmung mittels Lüfter auf der Motorwelle kein Luftaustausch mit der Umgebung) ● Flüssigkeitskühlung und interner Lüfter 4.34 Warnschwelle für die Motortemperatur p0604 Motortemperatur Warnschwelle Hinweis Siehe auch Kapitel p0604 Übertemperatur Warnschwelle (Seite 83) Der Begriff „Motortemperatur“ bezieht sich in diesem Dokument auf die Statorwicklung. Ist ein analog messender Temperaturfühler oder ein schaltender Temperatursensor vorhanden, so soll dieser vorzugsweise mit dem wärmsten Punkt der Statorwicklung thermisch korrespondieren. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 67 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.35 Störschwelle für die Motortemperatur Die Warnschwelle dient der Aufrechterhaltung des Betriebes und der Vermeidung von unbeabsichtigten Abschaltungen. Dies wird in der betreffenden Applikation beispielsweise dadurch erreicht, dass die übergeordnete Steuerung die Belastung des Motors reduziert, wenn die erfasste Motortemperatur oberhalb der Warnschwelle liegt. Hinweis Die Funktionalität der Belastungsreduzierung bei Erreichen der Warnschwelle ist nicht automatisch gegeben. Wird eine Belastungsreduzierung gewünscht, und ist sie für die Applikation zulässig, dann muss sie vom Anwender explizit realisiert werden. In der voreingestellten Parametrierung des Umrichters ist eine Zeitüberwachung aktiv, die den Motor mittels AUS2-Reaktion abschaltet, falls sich die erfasste Temperatur für 240 s ohne Unterbrechung oberhalb der Warnschwelle befunden hat. Um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten, müssen die Temperaturerfassung und die für sie genannte Warnschwelle die folgenden Anforderungen erfüllen: ● Die Warnschwelle (p0604) muss mindestens 5 K unterhalb der Störschwelle (p0605) liegen. Dabei ist eine eventuelle Toleranz der Schaltpunkte zu berücksichtigen. ● Bei Dauerbetrieb im Bemessungspunkt (in der vorgeschriebenen Kühlart) muss die Temperaturerfassung einen Wert unterhalb der genannten Warnschwelle anzeigen. Hinweis Bei Verwendung eines analog messenden Temperaturfühlers zur Temperaturerfassung beziehen sich die Warn- und die Störschwelle auf ein und dieselbe Messstelle. 4.35 Störschwelle für die Motortemperatur p0605 Motortemperatur Störschwelle Hinweis Siehe auch Kapitel p0605 Übertemperatur Störschwelle (Seite 84). Begriff „Motortemperatur“ siehe im Kapitel Warnschwelle für die Motortemperatur (Seite 67). Die Störschwelle dient dem thermischen Motorschutz. Als Störschwelle ist diejenige Temperatur anzugeben, bis zu der der Motor dauerhaft, ohne Einschränkungen der vereinbarten Lebensdauer betrieben werden darf. Um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten, muss die Temperaturerfassung die folgenden Anforderungen erfüllen: ● Bei Dauerbetrieb im Bemessungspunkt (in der vorgeschriebenen Kühlart) muss die Temperaturerfassung unterhalb der genannten Störschwelle liegen. ● Ein Betriebszustand dessen Temperatur sich schädlich auf die Lebensdauer auswirken würde, muss von der Temperaturerfassung erkannt werden, indem sie einen Temperaturwert oberhalb der genannten Störschwelle (p0605) anzeigt. Anforderung an Fremdmotoren 68 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.35 Störschwelle für die Motortemperatur Die Voreinstellung des Umrichters bewirkt bei Überschreiten der Störschwelle unverzügliche eine Abschaltung des Motors in Form der AUS2-Reaktion (sofortige Impulslöschung, der Antrieb “trudelt” aus). Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 69 Motorbezogene Umrichterparameter und damit verbundene Anforderungen an die Motorqualität 4.35 Störschwelle für die Motortemperatur Anforderung an Fremdmotoren 70 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Qualitative Anforderungen an eine Vorschaltinduktivität 5 In diesem Kapitel werden die qualitativen Eigenschaften beschrieben, die eine Vorschaltinduktivität besitzen muss. Die Notwendigkeit einer Vorschaltinduktivität und ihr Induktivitätswert ergibt sich aus den Anforderungen des vorherigen Kapitels. 5.1 Integration der Vorschaltinduktivität in den Stromlauf ● Falls ein VPM-Module verwendet wird, muss die Vorschaltinduktivität zwischen das VPMModule und den Motor geschaltet werden. Damit ergibt sich folgender Stromlauf: Umrichter ⇒ VPM ⇒ Vorschaltinduktivität ⇒ Motor ● Es müssen geschirmte Leistungsleitungen mit beidseitiger Schirmauflage verwendet werden. ⇒ Schirmauflage auch an der Vorschaltinduktivität 5.2 Bauart und elektromechanische Anforderungen Die Vorschaltinduktivität soll vorzugsweise als Dreischenkeldrossel in Blechkernbauweise ausgeführt sein. Obwohl heute verlustarme Kernmaterialen wie Pulverkerne verfügbar sind, hat sich eine Blechkerndrossel für den Betrieb am getakteten Umrichter als am besten geeignet erwiesen. Zwar liegen die Verluste bei einer Blechkerndrossel etwas höher, dafür besitzt sie eine bessere Dämpfung gegenüber hochfrequenten elektrischen Schwingungen. Ein weiterer Vorteil einer konventionellen Dreischenkeldrossel ist die Eigenschaft, dass sie gegenüber Drehstrom mit Stromsumme Null den Nennwert ihrer Induktivität besitzt, gegenüber den unerwünschten Common-Mode-Strömen (Stromsumme ungleich Null) hingegen eine um Faktoren niedrigere Induktivität aufweist. Hohe Common-ModeInduktivitäten sind ungünstig. Sie können in Zusammenwirkung mit den parasitären Kapazitäten des Antriebsstrangs zur Vergrößerung von unerwünschten Überspannungen in der Motorwicklung führen. Die konventionelle Dreischenkelbauweise mit ihrer geringen Common-Mode-Induktivität liefert hingegen kaum einen Beitrag zur Ausbreitung von Überspannungen in der Motorwicklung. Hinweis Die Ausbreitung von Überspannung in der Motorwicklung kann als Phänomen der Wellenausbreitung in einem nicht abgeschlossenen Kettenleiter aufgefasst werden, wobei der fehlende Wellenleiterabschluss im Allgemeinen durch den (hochfrequenztechnisch frei beweglichen) Sternpunkt der Wicklung gegeben ist. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 71 Qualitative Anforderungen an eine Vorschaltinduktivität 5.2 Bauart und elektromechanische Anforderungen ● Dreischenkeldrossel in Blechkernbauweise ● Klemmbrett, vorzugsweise Reihenklemmen für den erforderlichen Leitungsquerschnitt (er ergibt sich entweder aus dem Bemessungsstrom des Motors, oder aus einer Vereinbarung mit dem Kunden) ● Schirmauflage, vorzugsweise Schirmanschlagblech (ähnlich wie beim Umrichter) für die ankommende Leitung und die wegführende Leitung. ● Berührschutz, falls spannungsführende Teile offen liegen ● Berührschutz, falls die Drossel beim Anwender frei zugänglich ist und heiße Oberflächen aufweist ● Abschirmung gegenüber elektromagnetischen Streufeldern, falls die Vorschaltinduktivität in der Nähe von empfindlichen Signalpfaden untergebracht ist. WARNUNG Lebensgefahr durch hohe Spannungen beim Einsatz von Pulverkerndrosseln Es ist durchaus bekannt, dass Pulverkerndrosseln in zahlreichen Applikationen erfolgreich als Vorschaltinduktivitäten eingesetzt werden. Dem Vorteil der geringeren Verlustwärme steht aber das Risiko gegenüber, dass sie die Ausbreitung von Spannungsüberhöhungen (gegenüber Erde) verstärken. Das gilt insbesondere für magnetisch ungekoppelte Einzeldrosseln. Hohe Spannungen können zu Tod oder schweren Körperverletzungen führen. • Sind Pulverkerndrosseln für die Applikation vorgesehen, stellen Sie sicher, dass sich in der voll ausgebauten Anlage die Klemmenspannungen am Motor (insbesondere gegen Erde) im zulässigen Rahmen bewegen. ACHTUNG Elektrische Zerstörung des Motors durch hohe Spannung Tritt hohe Spannung in Folge der Verwendung von Pulverkernvorschaltdrosseln auf, so kann diese zum Durchschlag der Hauptisolation gegenüber Erde führen. • Sind Pulverkerndrosseln für die Applikation vorgesehen, messen Sie die Höhe und den Verlauf der Klemmenspannungen am Motor gegen Erde und beurteilen Sie die Ergebnisse (gegebenenfalls gemeinsam mit dem Motorhersteller). Anforderung an Fremdmotoren 72 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Qualitative Anforderungen an eine Vorschaltinduktivität 5.3 Beanspruchung durch Ströme und Frequenzen 5.3 Beanspruchung durch Ströme und Frequenzen ● Maximalstrom Grundwelle: Die Vorschaltinduktivität darf bis zu einer maximalen Belastung von 110 % des im Motordatenblatt genannten Maximalstroms (p0323 bzw. p0338 bzw. p0640) nicht sättigen, und muss bei diesem Strom noch mindestens 90 % ihres Nenninduktivitätswertes aufweisen (0.9 · L_Drossel bei 1,1 · Maximalstrom). Dies muss für den gesamten Frequenzbereich von DC bis zur maximalen Drehstromfrequenz gelten. Unter Vernachlässigung der Schlupffrequenz gilt: fmax_Drehstrom = p0322 / 60 • Polpaarzahl ● Dauerstrom Grundwelle: Die Vorschaltinduktivität muss den im Motordatenblatt genannten Bemessungsstrom im S1-Dauerbetrieb führen können. Sie darf dabei nicht überhitzen. Dies muss für den gesamten Frequenzbereich von DC bis zur maximalen Drehstromfrequenz gelten. Unter Vernachlässigung der Schlupffrequenz gilt: fmax_Drehstrom = p0322 / 60 · Polpaarzahl ● Oberwellen: Gleichzeitig und zusätzlich zum oben genannten „Dauerstrom Grundwelle“ muss die Vorschaltinduktivität einen Effektivwert von 12 % des im Datenblatt angegebenen Bemessungsstroms als Oberwellenstrom führen können. Dabei ist ein sinusförmiger Strom (Effektivwert 12 % des Bemessungsstroms) anzusetzen, der die doppelte Frequenz wie die im Motordatenblatt angegebene Pulsfrequenz (p1800) besitzt. Beispiel: Bemessungsstrom = 100 Aeff; PWM-Frequenz = 4 kHz ⇒ Äquivalente Oberwellenlast: Sinus 12 Aeff bei 8 kHz. 5.4 Beanspruchung durch Spannung Wird eine Vorschaltinduktivität eingesetzt, so verlagert sich das Belastungskollektiv, das im Kapitel Spannungsbelastung (Seite 85) auf die Motorklemmen bezogen ist, von den Motorklemmen auf die Eingangsklemmen der Vorschaltinduktivität. Die Spannungsbelastung an den Motorklemmen wird sich dadurch im Allgemeinen ebenfalls ändern. Es obliegt dem Motorhersteller, zu beurteilen, ob sich die Spannungsbelastung am Motor durch den Einsatz der Vorschaltinduktivität vergrößert hat. Der Motorhersteller muss den Motor dann dafür auslegen. Falls die Vorschaltdrossel zur Verringerung des Feldschwächstroms bei Synchronmotoren eingesetzt wird, ist die Erhöhung der Grundwellenspannung am Drosselausgang nach Kapitel Bedingungen und Kriterien zum Einsatz einer Vorschaltinduktivität (Seite 52) zu beachten. Es muss dafür Sorge getragen werden, dass nicht nur der Motor, sondern auch die Vorschaltdrossel sowie die Verbindungstechnik zwischen dem Vorschaltdrosselausgang und den Motorklemmen der erhöhten Spannungsbelastung standhält. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 73 Qualitative Anforderungen an eine Vorschaltinduktivität 5.5 Sinusfilter 5.5 Sinusfilter Die Auslegung und der Einsatz von Sinusfiltern ist äußerst kritisch, denn: ● Die Resonanzdämpfung ist im Allgemeinen gering. Insbesondere die Oberschwingungen der EMK und Seitenbänder der Pulsfrequenz können stationär in die Resonanzfrequenz des Sinusfilters treffen und zu unkontrollierbaren Überspannungen führen. ● Die am Unrichterausgang anliegende Impedanz ändert sich bei Verwendung eines Sinusfilters erheblich. Der Stromregler kann deshalb nur mit einem Bruchteil seiner üblichen Bandbreite betrieben werden. ● Ein Teil des Ausgangsstromes fließt im Nebenschluss durch die Filterkondensatoren ab und steht dem Motor nicht zur Verfügung. ● Die zeitliche Phasenverschiebung zwischen Filter-Eingang und -Ausgang führt zu einem nicht unerheblichen Nachlauf des elektrischen Drehfeldwinkels. Bei Synchronmotoren kann sich dadurch eine unerwünschte Fehlkommutierung ergeben. Mit Ausnahme einiger weniger spezieller Konstellationen wird deshalb von der Verwendung von Sinusfiltern nachdrücklich abgeraten. ACHTUNG Beschädigung des Motors durch hohe Spannung oder des Umrichters durch hohe Ströme Sinusfilter besitzen im Allgemeinen ungedämpfte Resonanzen. Werden diese angeregt, sind hohe Spannungen am Motor bzw. hohe Ströme am Umrichter die Folge. • Sinusfilter müssen im Gesamtsystem (Umrichter, Filter, Motor) geprüft und abgenommen werden. • Ohne diese Prüfung ist ein „In den Verkehr bringen“ keinesfalls zulässig. Anforderung an Fremdmotoren 74 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Temperatursensoren 6.1 6 Funktion der Temperatursensoren Unter Temperaturmessung wird im Folgenden die Temperaturmessung der Motorwicklung verstanden. Sie ist der einzig zuverlässige Weg, die Wicklung vor thermischer Überlastung zu schützen. Eine automatische Begrenzung des mittleren thermisch wirksamen Stroms auf den Bemessungsstrom findet im Antrieb nicht statt. Um eine belastbare Temperaturüberwachung zu erhalten, muss das Signal eines Temperatursensors als verlässliche Information über den thermischen Zustand der Wicklung eingelesen und verarbeitet werden. Es wird deshalb ausdrücklich empfohlen, den Motor mit einem (oder mehreren) Temperatursensor(en) auszustatten. Hinweis Für Motoren bei denen ein Betrieb mit hohen Strömen bei niedriger Frequenz keine Ausnahme darstellt, wird eine Ausstattung mit drei Temperatursensoren (Drilling) empfohlen. Im SINAMICS-Umrichter lässt sich die Auswertung und die Reaktion auf ein Temperatursensorsignal auf vielschichtige Weise parametrieren. Siehe dazu „SINAMICS S120/S150 Listenhandbuch“ Hinweis Das Vorhandensein eines Temperatursensors ist für den Betrieb an SINAMICS-Umrichtern nicht zwingend erforderlich. Ist kein Temperatursensor vorhanden, kann dies entsprechend parametriert werden. In diesem Fall ist dann aber auch kein unmittelbarer thermischer Schutz der Motorwicklung vorhanden. 6.2 Verwendbare Temperatursensoren Als Temperaturschutz können analog messende Temperaturfühler, im Folgenden „Temp-F“ genannt, oder schaltende Temperatursensoren, im Folgenden „Temp-S“ genannt, verwendet werden. Beide haben spezifische Vor- und Nachteile: ● Temp-F: analog messender Temperaturfühler Vorteil: – Messung der Temperatur in °C – Ermöglicht die Einschätzung der thermischen Auslastung (ermöglicht frühzeitiges Erkennen einer Temperaturüberhöhung und Absetzen einer Warnmeldung) Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 75 Temperatursensoren 6.2 Verwendbare Temperatursensoren Nachteil: – Erfasst nur eine der 3 Phasen – Hat einen thermischen Nachlauf (thermische Zeitkonstante) bei schneller Aufheizrate der Wicklung ● Temp-S: schaltender Temperatursensor (Drilling) Vorteil: – Erfasst alle 3 Phasen – Hat geringen thermischen Nachlauf Nachteil: – Ermöglicht keine Einschätzung der thermischen Auslastung, sondern nur eine „ja/nein“- Aussage Mit den im SINAMICS-System verfügbaren Auswertemodulen lassen sich beide Temperatursensorarten, Temp-F und Temp-S, zeitgleich auswerten. Hinweis Schaltende Temperatursensoren, die nur eine Phase überwachen, sind nicht zulässig. Schaltende Temperatursensoren müssen daher Drillinge sein. Hinweis Insbesondere bei Motoren mit hoch ausgenutzter Wicklung (maximale Drahtbelastung über 20 Aeff/mm²) wird nachdrücklich empfohlen, alle drei Phasen zu überwachen und auf einen geringen thermischen Nachlauf zu achten. 6.2.1 Analog messende Temperaturfühler KTY 84 Der Standardtemperatursensor bei Applikationen mit SINAMICS-Umrichtern ist der KTY84130. Er ist ein Halbleiterbauelement mit temperaturveränderlichem Widerstand und wird von mehreren Herstellern angeboten (z.B. Phillips, Datenblatt dazu im Internet erhältlich). Das Bauteil hat die Form einer kleinen Glaskörperdiode. Der KTY84-130 ist mechanisch empfindlich und elektrisch völlig unisoliert. Bei der Verwendung als Motortemperatursensor ist folgendes zu beachten: ● Der Motorhersteller muss für eine geeignete elektrische Isolation sorgen. Sie muss eine sichere elektrische Trennung gewährleisten (siehe Kapitel Sichere elektrische Trennung (Seite 81)). ● Dabei ist der Sensor so gut wie möglich thermisch an die Wicklung anzukoppeln. ● Auf eine richtige Polung ist zu achten Vorzugsweise zu verwendende Adernfarben: + ⇒ braun; - ⇒ weiß ● Bei Isolationsprüfungen am Motor sind die beiden Anschlussleitungen des Sensors stets miteinander kurzzuschließen und vom Erdpotential (auch kapazitiv) zu trennen. Anforderung an Fremdmotoren 76 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Temperatursensoren 6.2 Verwendbare Temperatursensoren WARNUNG Lebensgefahr bei fehlender sicherer elektrischer Trennung Nicht nur der eigentliche Temperatursensor, sondern auch dessen Leitungsführung muss die Anforderung der sicheren elektrischen Trennung erfüllen. PT100 / PT1000 Die Verwendung von PT100 / PT1000 Temperatursensoren bei SINAMICS-Umrichtern ist bislang unüblich, und im Antrieb nur mit bestimmten Firmwareständen und Leistungsteilausführungen möglich. PT100/PT1000-Elemente besitzen eine höhere Genauigkeit als KTY84-Elemente. Wegen der nur in speziellen Fällen gegebenen Kompatibilität zum SINAMICS-Antriebssystem sollen PT100/PT1000-Elemente nur verwendetet werden, wenn deren höhere Genauigkeit tatsächlich benötigt wird. Für Standardanforderungen sind die KTY-Elemente vorzuziehen. Hinweis Falls PT100/PT1000-Elemente vorgesehen sind, soll der Anwender vorher prüfen, ob die geplante SINAMICS-Konfiguration diesen Temperatursensor verarbeiten kann. 6.2.2 Schaltende Temperatursoren PTC-Drilling Ein PTC hat eine feste Temperaturschwelle, bei der der Widerstand von niederohmig auf hochohmig übergeht. PTC-Drillinge sind in Schaltschwellen mit einer Staffelung von 5 °C erhältlich. Die Schaltschwelle kann nachträglich nicht mehr verändert werden. Der Motorhersteller muss die Schaltschwelle so bestimmen, dass mit ihr ein zuverlässiger thermischer Schutz der Wicklung gegeben ist. Zudem ist die Temperaturschwelle im Motordatenblatt anzugeben. Als PTCs sollen ausschließlich Drillingselemente eingesetzt werden. Bei einem Drillingselement sind drei Einzel-PTCs zu einem Kettenleiter in Reihe geschaltet. Der Kettenleiter hat nur zwei Anschlussdrähte (nach außen). Im hochohmigen Zustand zeigt das Drillingselement an, dass mindestens ein Einzel-PTC die Schwellentemperatur überschritten hat. Das Drillingselement ist so in die Wicklung einzubauen, dass jeder Phase ein EinzelPTC thermisch zugeordnet ist. Bei Synchronmotoren, die im niedrigen Drehzahlbereich unter hoher Belastung eingesetzt werden, wird ein PTC-Drilling unbedingt angeraten, da er alle drei Phasen einschließt. Er erkennt somit eine Überlastung auch im Stillstand in beliebiger Pollage zuverlässig (siehe Kapitel Stillstandsstrom (Seite 56)). Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 77 Temperatursensoren 6.2 Verwendbare Temperatursensoren Hinweis Meldet ein PTC-Drilling „Übertemperatur“, dann ist im Umrichter weder ersichtlich, wie hoch die aktuelle Übertemperatur ist, noch bei welcher Schwelle die Meldung eintrat. Nur mit Kenntnis der PTC-Schaltschwelle kann man dann auf die Mindesttemperatur der Wicklung schließen. Bei der Auswahl und dem Einbau eines PTC-Drillings ist zu beachten: ● Der Motorhersteller muss für eine geeignete elektrische Isolation sorgen. Sie muss eine sichere elektrische Trennung gewährleisten (siehe Sichere elektrische Trennung (Seite 81)). ● Dabei sind die Sensoren thermisch so gut wie möglich an die Wicklungen anzukoppeln. ● Typ: PTC, Kaltleiterdrilling Widerstandskennlinie nach DIN VDE 0660 Teil 303 und DIN 44082; Siehe auch Dokumentation zu Siemens Auslesegeräten des Typs 3RN1 Hinweis Die Kaltleiter haben keine lineare Kennlinie und sind damit nicht zur Ermittlung der momentanen Temperatur geeignet. Hinweis Bei der Auswahl des PTC ist dafür Sorge zu tragen, dass das gewünschte Ansprechverhalten (Überschreiten eines Widerstandswertes bei einer vorgegebenen Schwellentemperatur) für den kompletten PTC-Drilling und nicht nur für den einzelnen PTC gilt. Bimetall-Drilling (Öffner) Bimetall-Drillinge sind als Öffner zu verwenden. Die meisten Eigenschaften sind ähnlich zu dem oben genannten PTC-Drilling. ● Temperaturschwelle: siehe PTC-Drilling ● Bauart als Drilling: siehe PTC-Drilling ● Isolation und thermische Einbindung in die Wicklung: siehe PTC-Drilling ● Kaltwiderstand: 0 Ohm ● Warmwiderstand: ∞ Der Nachteil des Bimetall-Drillings gegenüber dem PTC-Drilling ist seine größere Bauform. Dadurch können sie thermisch nicht so eng an die Wicklung gekoppelt werden und haben bei schnellen Temperaturänderungen einen größeren Nachlauf als die PTCs. BimetallDrillinge sollen daher nur im Ausnahmefall Verwendung finden, PTC-Drillinge sind vorzuziehen. Anforderung an Fremdmotoren 78 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Temperatursensoren 6.3 Anschluss Hinweis Ein theoretischer Vorteil eines Bimetall-Drillings besteht darin, dass er mit einem analog messenden Temperaturfühler in Reihe geschaltet werden kann. 6.3 Anschluss Das SINAMICS-Antriebssystem bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten, Temperatursensoren einzulesen. Neben den Schnittstellen, die dem Antrieb direkt als Motortemperatur zugeordnet werden können, steht es dem Anwender prinzipiell offen, Temperatursensoren auch über die Steuerungsperipherie, z. B. S7-Peripherie einzulesen. Die Reaktion auf eine Übertemperatur zum Motorschutz (Bremsen, Impulssperre usw.) muss dann über eine geeignete Programmierung realisiert werden. In der vorliegenden Dokumentation werden nur diejenigen Schnittstellen beschrieben, die dem Antrieb direkt als Motortemperatur zugeordnet werden können. Die Beschreibung beschränkt sich dabei auf diejenigen Aspekte, die für den Motorhersteller zur Dimensionierung des Temperatursensors relevant sind. Ausführliche, auf dem aktuellen Stand gehaltene Beschreibungen der Schnittstellen und deren Funktionalität finden sich in den Dokumentationen: ● SINAMICS S120/S150 Listenhandbuch (LH1) ● SINAMICS S120 Gerätehandbuch Leistungsteile Booksize (GH2) ● SINAMICS S120 Gerätehandbuch Leistungsteile Chassis (GH3) ● SINAMICS S120 Gerätehandbuch Control Units und ergänzende Systemkomponenten (GH1) Daneben finden sich Vorschläge zum Ankoppeln der Temperatursensoren bei Einbaumotoren z. B: in den Projektierungsanleitungen für Linear- und Spindelmotoren: ● Spitzen- und Dauerlastmotoren der Produktfamilie 1FN3 Projektierungshandbuch ● Synchron-Einbaumotoren 1FE1 Projektierungshandbuch (PJFE) Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 79 Temperatursensoren 6.3 Anschluss 6.3.1 Standardschaltung bei Siemens-Motoren Bei Siemens Standardmotoren wird als Temperatursensor der KTY84 eingesetzt. Er ist innerhalb des Motors auf den 17-poligen Geberstecker auf Pin 8 und 9 verdrahtet. Das Temperatursignal wird über die Geberleitung zur Geberauswertung des Umrichters bzw. zum SMC-Geberauswertemodul geführt. Über eine entsprechende Parametervorbelegung (Werkseinstellung) wird an den Pins ein KTY84-130 erwartet. Andere Sensortypen sind bei der Standardschaltung nicht auswertbar bzw. führen zu Fehlreaktionen. Bild 6-1 Standardschaltung des Temperatursensors bei Siemens-Motoren ACHTUNG Leitungsschirm und Massepotenzial Außerhalb des unmittelbaren Bereichs der Wicklung müssen Verbindungsleitungen zu Temperatursensoren grundsätzlich geschirmt verlegt werden. Der Leitungsschirm muss beidseitig großflächig mit Massepotenzial verbunden werden. Temperatursensorleitungen, die gemeinsam mit der Motorleitung geführt werden, müssen paarweise verdrillt und separat geschirmt werden. Anforderung an Fremdmotoren 80 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Temperatursensoren 6.3 Anschluss 6.3.2 Sichere elektrische Trennung Der SINAMICS-Umrichter verfügt über mehrere Temperatursensorauswertestellen. Jede dieser Auswertestellen fordert, dass der daran angeschlossene Temperatursensor gegenüber der Wicklung „sicher elektrisch getrennt“ ist, gemäß den Vorgaben der DIN / EN 50178 (Sichere Elektrische Trennung: SET). Empfehlung: • Erfüllung der DIN / EN 50178 • Neben der Einhaltung der konstruktiven Vorgaben (z. B. Luft- und Kriechstrecken), kann die Einhaltung der „sicheren elektrischen Trennung“ nach Norm durch eine Stückprüfung nachgewiesen werden. Es wird die Durchführung einer Stossspannungsprüfung empfohlen. • Für Zwischenkreisspannungen bis 650 VDC: Prüfspannung 6 kV • Für Zwischenkreisspannungen ab 650 VDC: Prüfspannung 8 kV • Die Prüfung muss im eingebauten Zustand (Temperatursensor in die Wicklung integriert) erfolgen. Der Temperatursensor soll dabei kurzgeschlossen sein, damit er nicht durch kapazitive Ströme während der Prüfung beschädigt wird. Es gibt Prüfdienstleister, die diese Prüfung durchführen. • Falls es sich bei dem Motor um einen Einbaumotor handelt, ist nach der Endmontage eine erneute Stossspannungsprüfung durchzuführen. Um eine Lebensdauerverkürzung des Isolationssystems zu vermeiden ist es dabei zulässig, die Prüfspannung auf 80 % zu reduzieren. ACHTUNG Beschädigung bei fehlender sicherer elektrischer Trennung Auf die sichere elektrische Trennung des Temperatursensors kann nur verzichtet werden, wenn dies ausdrücklich mit dem Kunden abgesprochen ist. Im Motordatenblatt ist dann zu vermerken, dass keine SET des Temperatursensors vorhanden ist. ACHTUNG Beschädigung durch fehlendes Auswertemodul Wird keine „Sichere Trennung“ des Temperatursensors nach DIN / EN 50178 nachgewiesen, dann muss ein geeignetes (externes) Auswertemodul, zum Beispiel vom Typ TM120 oder SME120 bzw. SME125, zum Einlesen in SINAMICS-Umrichter verwendet werden. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 81 Temperatursensoren 6.3 Anschluss 6.3.3 Einschleifen des Temperatursensors in den 17-poligen Geberstecker ● Entspricht der Standardankopplung bei Siemens Motoren ● Erfordert keine zusätzliche Hardware ● Nur KTY84 oder PTC-Drilling möglich, PT100/PT1000 oder Bimetallschalter nicht möglich ● Der angeschlossene Temperatursensor muss sicher elektrisch getrennt sein (SET erforderlich) 6.3.4 Anschluss an die EP-Klemme des Umrichters ● Erfordert keine zusätzliche Hardware ● KTY84 oder PT100/PT1000 oder PTC-Drilling oder Bimetall-Drilling möglich ● Der angeschlossene Temperatursensor muss sicher elektrisch getrennt sein (SET erforderlich). Hinweis PT100/PT1000 ist nur anwählbar, wenn p0192, „Leistungsteil Firmware-Eigenschaften“, Bit 15, „PT100 Temperaturauswertung möglich“ auf „ja“ steht. Vor der Planung des Motors ist dies mit dem Kunden abzuklären. Hinweis Eventuelle Einschränkungen der Verfügbarkeit der EP-Klemmen für die Temperatursensorauswertung sind den oben aufgelisteten Dokumentationen (siehe Kapitel Anschluss (Seite 79)) zu entnehmen. 6.3.5 Anschluss an das Terminal Module TM120 Das TM120-Modul besitzt außer der Schnittstellenfunktion für Temperatursensoren keine weitere Funktion. Es wird über den DRIVE-CLiQ Bus an den Antriebsverband angeschlossen. Details sind dem Gerätehandbuch „Control Units und ergänzende Systemkomponenten, (GH1)“ zu entnehmen. Es hat die „Sichere Elektrische Trennung“ integriert, so dass die Anforderung der SET im Motor an den Temperatursensor entfallen kann. TM120: ● Stellt zusätzlichen Hardwareaufwand dar ● Erlaubt die Kombination von Temp-F und Temp-S ● Ermöglicht Temperaturschutz von parallel geschalteten Statoren (bzw. Teilwicklungssystemen) Anforderung an Fremdmotoren 82 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Temperatursensoren 6.4 Parametrierung der Warn- und Störschwellen für Übertemperaturen ● KTY84 und/oder PTC-Drilling oder Bimetall-Drilling möglich. PT100/PT1000 ist nicht möglich. ● Die angeschlossenen Temperatursensoren müssen nicht die Anforderungen der „Sicheren Elektrischen Trennung“ erfüllen. 6.3.6 Anschluss an die Sensor Modules SME120 und SME125 Die beiden Sensormodule führen das Gebersignal mit den Temperatursensorsignalen zusammen und übersetzen sie auf das DRIVE-CLiQ Protokoll. SME120 ist für inkrementelle und SME125 für absolute (EnDat-)Geber vorgesehen. Details sind dem Gerätehandbuch „Control Units und ergänzende Systemkomponenten, (GH1)“ zu entnehmen. Die Module haben die „Sichere Elektrische Trennung“ integriert, so dass die Anforderung der SET im Motor an den Temperatursensor entfallen kann. SME120 / SME125: ● Stellt zusätzlichen Hardwareaufwand dar ● Erlaubt die Kombination von Temp-F und Temp-S ● Ermöglicht Temperaturschutz von parallel geschalteten Statoren (bzw. Teilwicklungssystemen) ● KTY84 und/oder PTC-Drilling oder Bimetall-Drilling möglich. PT100/PT1000 ist nicht möglich. ● Die angeschlossenen Temperatursensoren müssen nicht die Anforderungen der Sicheren Elektrischen Trennung erfüllen. 6.4 Parametrierung der Warn- und Störschwellen für Übertemperaturen Die Warn- und Störschwellen werden im Umrichter nur dann ausgewertet, wenn dem Antrieb ein analog messender Temperatursensor (KTY84 oder PT100/PT1000) zugeordnet ist. Sind nur Temp-S vorhanden, dann zählt nur deren „ja/nein“-Information. Ihre Schwellen sind bauteilbedingt vorgegeben und können nicht gesetzt werden. 6.4.1 p0604 Warnschwelle für die Übertemperatur Meldet der analoge Temperaturfühler (Temp-F) eine höhere Temperatur als in p0604 parametriert, wird eine Warnung abgesetzt. Die Warnung hat keine unmittelbare Auswirkung auf eine Strombegrenzung oder Impulslöschung. Geht die Temperatur innerhalb der in p0606 parametrierten Zeit (voreingestellt: 240 s) nicht mehr unter die Warnschwelle zurück, erfolgt eine Motor-Übertemperaturabschaltung. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 83 Temperatursensoren 6.4 Parametrierung der Warn- und Störschwellen für Übertemperaturen Hinweis Für Motoren mit schneller Aufheizrate kann die in p0606 voreingestellte Zeitdauer (240 s) zu lang sein. Es obliegt dem Motorhersteller, bei Bedarf eine kürzere Zeit vorzuschreiben und diese im Motordatenblatt zu hinterlegen. Ist im Motor ein analog messender Temperaturfühler vorhanden, dann muss der Motorhersteller einen Wert für die Vorbesetzung der Warnschwelle im Motordatenblatt angeben. Hinweis Je nach der Rückzugsstrategie steht es dem Anlagenbauer bzw. Anwender frei, die Warnschwelle abweichend von der Vorbesetzung des Motordatenblattes zu parametrieren, so lange sichergestellt ist, dass der Motor auch bei schnellem Temperaturanstieg noch vor Übertemperatur geschützt bleibt. 6.4.2 p0605 Störschwelle für die Übertemperatur Meldet der analoge Temperaturfühler (Temp-F) eine höhere Temperatur als die in p0605 eingetragene Schwellentemperatur, dann wird unmittelbar eine MotorÜbertemperaturstörung erzeugt. Die voreingestellte Reaktion auf diese Störung ist „AUS2“. Hinweis Funktion von AUS2 • Sofortige Impulslöschung, der Antrieb "trudelt" aus. • Eine eventuell vorhandene Motorhaltebremse wird sofort geschlossen. • Die Einschaltsperre wird aktiviert. Die Störschwelle soll nicht unterhalb der Warnschwelle liegen. Ist im Motor ein analog messender Temperaturfühler vorhanden, dann muss der Motorhersteller einen Wert für die Störschwelle im Motordatenblatt angeben. Anforderung an Fremdmotoren 84 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Spannungsbelastung 7 Isolationsversagen gilt als eine der häufigsten Ursachen von Ausfällen von Elektromotoren, insbesondere wenn diese am Umrichter betrieben werden. Die Belastung durch die elektrische Spannung zerstört dann (punktuell) die Isolation. Meist werden dabei die folgenden Schadensstellen beobachtet: ● Isolationsschaden zum Blechpaket ● Isolationsschaden zwischen den Phasen ● Isolationsschaden der Zuleitungs- und Schaltungsdrähte ● Isolationsschaden zwischen der Wicklung und dem Temperaturfühler Die Reihenfolge der Aufzählung spiegelt die Häufigkeitsverteilung wieder. Um die vom Kunden geforderte Lebensdauer zu erreichen, muss die Isolation der Belastung durch die elektrische Spannung über den gesamten zugelassenen Temperaturbereich dauerhaft standhalten. Es obliegt dem Motorhersteller die Isolation entsprechend zu gestalten und zu prüfen. Es gibt eine Vielzahl von Fertigungs- und Prüfmethoden, mit denen dies erreicht werden kann. In diesem Dokument werden deshalb keine Richtlinien zu Konstruktion, Fertigung oder Prüfung vorgeschrieben, sondern vielmehr das Belastungskollektiv der elektrischen Spannung beschrieben, das im SINAMICS-Antriebssystem auf den Motor einwirkt und dem er standhalten muss. Das Belastungskollektiv ist dabei auf die Motorklemmen bezogen. Ab den Motorklemmen geht die Verantwortung auf den Motorhersteller über. Um zu einer möglichst überschaubaren Darstellung zu kommen, wird im Rahmen des vorliegenden Dokumentes das Belastungskollektiv mit Hilfe der folgenden drei Merkmale beschrieben: ● Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dU/dt ● Leiter-Leiter-Spannung ● Leiter-Erde-Spannung 7.1 Zielgruppe Systematisches Isolationsversagen von Elektromotoren kann enorme wirtschaftliche Schäden verursachen. Die Beurteilung der Motorisolation ist deshalb ein äußerst sensibles Thema. Für Anwender, die sich innerhalb der Siemens-Komponenten bewegen, ergibt sich gewöhnlich keine Notwendigkeit, sich mit dem Themenkomplex auseinanderzusetzen. Für sie ist es auseichend, mit Hilfe des Kataloges oder über die Siemens-Ansprechpartner zu prüfen, ob die Kombination der Motoren mit den betreffenden Umrichter- bzw. Antriebssystemen zulässig ist. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 85 Spannungsbelastung 7.1 Zielgruppe Bei Projekten mit Fremdmotoren und SINAMICS-Antrieben sind Tests und/oder gegenseitige Abstimmung nicht a priori gegeben. Applikationen und Projektpartner können sehr vielfältig sein. Ebenso die Erfahrung mit der Lebensdauer der Motorisolation, welche die Partner, Motorhersteller und Anwender in die Projekte einbringen. Die Spannweite der Erfahrung mit Isolationsbeanspruchung für umrichtergespeiste Motoren lässt sich durch die beiden folgenden Extremkonstellationen abstecken: ● Projektpartner mit hoher Erfahrung ● Projektpartner mit erstmaligem Kontakt mit umrichtergespeisten Motoren 7.1.1 Projektpartner mit hoher Erfahrung Die Konstellation ist gekennzeichnet durch: ● Motorhersteller, die bereits häufig für den betreffenden Kunden Motoren geliefert haben. ● Kunden, welche die Motoren dabei häufig in Applikationen mit SINAMICS- oder SIMODRIVE- oder MASTERDRIVES-Umrichtern eingesetzt haben. ● Gewöhnlich wird der Umrichterantriebsverband dabei mit Active-Line-ModuleEinspeisungen betrieben. ● Isolationsversagen der Fremdmotoren blieb im tolerierbaren Bereich. Als typisches Beispiel dafür kann eine eingespielte Beziehung zwischen einem Hersteller von Sondermotoren und einem Kunden aus der Werkzeugmaschinenbranche genannt werden. Der Motorhersteller verfügt dabei über bewährte Produktions- und Prüfmethoden für umrichtergespeiste Motoren. Die Tatsache, dass Isolationsausfälle kein Problem darstellten, impliziert dabei, dass der Motorhersteller dem sensiblen Thema der Isolationsbeanspruchung offenbar mit ausreichender Sorgfalt Rechnung getragen hat. 7.1.2 Projektpartner mit erstmaligem Kontakt mit umrichtergespeisten Motoren Die Konstellation ist gekennzeichnet durch: ● Motorhersteller, die selten oder nie Motoren für Umrichterbetrieb liefern. Schwerpunkt der Motorproduktion liegt beispielsweise bei kostengünstigen normnahen Motoren für den Netzbetrieb. ● Kunden, die selten oder nie Umrichter zum Betrieb von Elektromotoren einsetzen. Gewöhnliche Motorenausstattung sind kostengünstige Normmotoren. Hersteller variieren je nach Angebotssituation. ● Erfahrungen mit Active-Line-Module-Einspeisungen (ALM) liegen nicht vor. Als Beispiel könnte ein Hersteller von Kompressorkühlaggregaten aufgeführt werden, der die Energieeffizienz seiner Produkte durch den Einsatz von drehzahlveränderlichen Motoren steigern möchte. Für ihn ergeben sich durch den Einsatz von Umrichtern neue Anforderungen an das Isolationssystem der Motoren, mit denen er sich bisher nicht auseinandersetzen musste. Um dieser Kategorie von Anwendern die Einschätzung der Umrichtertauglichkeit der Motoren zu erleichtern, wird in diesem Dokument auf verbreitete Konstruktionsmerkmale oder Prüfverfahren hingewiesen. Anforderung an Fremdmotoren 86 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Spannungsbelastung 7.2 Bezugssystem Hinweis Die in diesem Dokument aufgeführten Hinweise auf konkrete Konstruktionsmerkmale oder Prüfverfahren haben den Charakter von Beispielen. Sie sind weder als zwingend, noch als vollständig zu betrachten. Sie haben vielmehr das Ziel, einen engen Bezug zur Praxis herzustellen und die Verständlichkeit zu fördern. Es handelt sich dabei explizit nicht um Vorschriften, die, wenn sie (für sich alleine gesehen) befolgt würden, die erforderliche Spannungsfestigkeit zwangsläufig herstellten. 7.2 Bezugssystem Das SINAMICS Antriebssystem S120/S150 erstreckt sich über eine enorme Bandbreite von ● Antriebsleistungen (einige 100 W bis mehrere MW) ● Motorgattungen (Synchron, Asynchron, Linear, Torque, Segment, … .) ● Applikationen (Positionierantriebe, Hauptantriebe, Pumpen, …. ) ● Ausbaugrade (Stand-Alone bis 100 und mehr Antriebe in einem Verbund) ● Ein/Rückspeisungen (einfache Diodeneinspeisung bis voll geregelt rückspeisefähig) ● Netzdrossel bis Netzfilter („Clean Power Filter“) ● Summenleitungslänge (10 m bis mehrere km) Die einzelnen Ausprägungen können dabei nennenswerte Unterschiede in der Spannungsbelastung für den Motor zeigen. Die hauptsächlichen Einflussfaktoren auf die Spannungsbelastung sind: ● Höhe der Zwischenkreisspannung (Spannungsbelastung nimmt mit der Höhe der Zwischenkreisspannung proportional zu) ● Art der Einspeisung (Spannungsbelastung nimmt in der Reihenfolge: Basic Line Module; Smart Line Module, Active Line Module zu) ● Leitungslänge zum betreffenden Motor (Spannungsbelastung bei größerer Leitungslänge kritischer) ● Summenleitungslänge (Spannungsbelastung bei größerer Leitungslänge kritischer) ● Art der Kommutierungsinduktivität ● Pulsfrequenzen (Spannungsbelastung bei größerer Pulsfrequenz kritischer) ● Art des Netzfilters Es hat sich gezeigt, dass Motoren, die sich im Markt behauptet haben und an Umrichtersystemen betrieben werden, nicht auf eine einzige, spezifische Ausprägung des Antriebssystems zugeschnitten sind, sondern eine universelle Verwendbarkeit aufweisen. Es sind insbesondere die Betreiber, die keine feingliedrige Ersatzteilhaltung akzeptieren, sondern ein und denselben Motor durchgängig über ihre verschiedenen Applikationen einsetzen möchten /Grein/. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 87 Spannungsbelastung 7.3 Spannungssteilheit du/dt Zur Bewertung der Spannungsbeanspruchung wird in diesem Dokument von einer Konfiguration mit Active-Line-Module-Einspeisung (ALM) ausgegangen. Motoren, deren Isolation dafür geeignet ist, lassen sich dann auch in allen anderen SINAMICSKonfigurationen einsetzen. Im Allgemeinen ist es den Anwendern nicht möglich, die Faktoren (z. B. Summenleitungslänge, Netzinduktivität, …), welche die Spannungsbelastung beeinflussen, klar und zuverlässig zu quantifizieren. Einzig die Zwischenkreisspannung ist meistens bekannt. In diesem Dokument wird deshalb nicht zwischen den vielen, möglichen Systemausprägungen unterschieden, sondern eine Spannungsbelastung angegeben, die sich aus der Obermenge der einzelnen Einflussfaktoren ergibt. Einzig die Zwischenkreisspannung wird als Skalierungsfaktor einbezogen. Dabei sollen die folgenden Bezugswerte für die Spannungsbelastung angewendet werden: ● Für Motoren an Booksize-Leistungsteilen: UZK = 720 V ● Für Motoren an Chassis-Leistungsteilen: UZK = 1035 V Hinweis Die Booksize-Leistungsteile sind bis zu einem Bemessungsstrom von 200 Aeff erhältlich. Der Einfachheit halber kann von folgender Einteilung ausgegangen werden. Motoren bis zu einem Bemessungsstrom von 200 Aeff werden an Booksize-Leistungsteilen betrieben, Motoren mit höherem Bemessungsstrom an Chassis-Leistungsteilen. Nur wenn mit dem Kunden explizit der Betrieb des Motors an einer niedrigeren Zwischenkreis-spannung vereinbart wurde, kann von der oben genannten Auslegungsregel abgewichen werden. Die Zwischenkreisspannung, nach der die Spannungsfestigkeit ausgelegt wurde, ist dann explizit im Motordatenblatt zu nennen. Die Chassis- Antriebsgeräte sind neben der hohen Zwischenkreisspannung von 1035 V (für 690 V Netz-Anschlussspannung) auch in einer Ausprägung mit 720 V Zwischenkreisspannung (=1,5 · 480 V, bei 480 V Netz-Anschlussspannung) erhältlich. Ist der betreffende Motor ausschließlich für diese Geräte vorgesehen, so kann es sinnvoll sein, dass Kunde und Motorhersteller einvernehmlich die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit daran anpassen. Auch in diesem Falle gilt, dass die Zwischenkreisspannung, nach der die Spannungsfestigkeit ausgelegt wurde, explizit im Motordatenblatt genannt werden muss. 7.3 Spannungssteilheit du/dt Beim schnellen Schalten von Umrichtern entstehen an Motoren hohe Spannungsspitzen, die die Motorisolation schädigen können. Durch Reflexion zwischen Umrichter und Motor können diese Spannungsspitzen in Abhängigkeit der Schaltgeschwindigkeit der Wechselrichter am Motoreingang nahezu das Doppelte der Werte am Umrichterausgang erreichen. Da die Spannungsspitzen nicht symmetrisch an den Windungen der Motorwicklung anfallen, treten die höchsten Belastungen zwischen den ersten Windungen der Motorwicklung auf. Anforderung an Fremdmotoren 88 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Spannungsbelastung 7.3 Spannungssteilheit du/dt Damit der Motorhersteller seine Isolation für den Betrieb an Umrichtern betriebssicher auslegen kann, wurden für SINAMICS-Umrichter Grenzwerte festgelegt. Diese Grenzwerte berücksichtigen, dass die Belastungen für die Motorwicklung nicht nur von der Schaltgeschwindigkeit sondern auch von der Sprunghöhe abhängen. Relevant sind dabei die Leiter-Erde-Spannungen an den Motoranschlüssen. Diese Maximalwerte, die im SINAMICS-Antriebssystem in der Praxis worst-case an den Motorklemmen auftreten können, berücksichtigen dabei: ● Voll ausgebildete Reflexion ● Hohe Summenleitungslänge der Motorkabel ● Eine Dämpfung der elektrischen Systemschwingungen des Zwischenkreises ist nur schwach ausgeprägt. Die Isolation im Motor muss daher für den Betrieb an SINAMICS-Umrichtern so bemessen sein, dass sie Spannungsanstiegszeiten in der Leiter-Erde-Spannung am Motor für Sprunghöhen laut folgender Tabelle dauerhaft aushält: Umrichter-Nennspannung Zeitfenster 100 ns Zeitfenster 200 ns Zeitfenster 400 ns 3 AC 200 V – 230 V -- -- -- 3 AC 400 V – 480 V 900 V 1050 V 1260 V 3 AC 500 V – 690 V 1425 V 1660 V 2000 V An Spannungssteilheiten du/dt bezüglich der Leiter-Erde Spannung am Motor bedeutet das Maximalwerte entsprechend folgender Tabelle: • Bei Zwischenkreisspannung UZK = 720 V 9 kV/µs 5,25 kV/µs 3,15 kV/µs bei Sprüngen bis 900 V bei Sprüngen bis 1050 V bei Sprüngen bis 1260 V in einem Zeitfenster von 100 ns in einem Zeitfenster von 200 ns in einem Zeitfenster von 400 ns • Für Motoren an Chassis- Leistungsteilen mit UZK = 1035 V 14,25 kV/µs 8,3 kV/µs 5 kV/µs bei Sprüngen bis 1425 V bei Sprüngen bis 1660 V bei Sprüngen bis 2000 V in einem Zeitfenster von 100 ns in einem Zeitfenster von 200 ns in einem Zeitfenster von 400 ns Siehe auch Qualitative Anforderungen an eine Vorschaltinduktivität (Seite 71) Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 89 Spannungsbelastung 7.3 Spannungssteilheit du/dt 7.3.1 Verbreitete konstruktive Gegenmaßnahmen Verbreitete konstruktive Gegenmaßnahmen Von einer hohen Spannungssteilheit sind vor allem diejenigen Windungen betroffen, die, schaltungstechnisch betrachtet in der Nähe der Motorklemmen liegen. Für die „weiter hinten“ liegenden Wicklungsbereiche wirkt die Induktivität der ersten Windungen (zusammen mit den parasitären Erdkapazitäten) wie ein Tiefpassfilter, das die Spannungssteilheit erheblich reduziert. Deshalb erstrecken sich die Maßnahmen zur Ertüchtigung des Motors gegenüber der Spannungssteilheit besonders auf den Bereich der ersten Windungen: ● Strapazierfähige isolierte Schaltungsdrähte verwenden anstatt einfaches Verlängern der Kupferlackdrähte zu den Klemmen ● Phasentrenner ● Doppellack-Isolation der Wicklungsdrähte ● Großzügig dimensionierte Luft- und Kriechstrecken im Bereich der Anschlüsse (auch hinter dem Klemmbrett) und Abstand zu Leitern anderer Spannungssysteme (Temperaturfühler) ● Tränken oder Verguss der Wicklungen 7.3.2 Bekannte applikative Gegenmaßnahmen ● Vorschaltdrossel zwischen Umrichter und Leistungsleitung ● Induktivitätswert liegt zwischen 10 und 50 µH ● Technische Anforderung an die Drossel siehe Kapitel Qualitative Anforderungen an eine Vorschaltinduktivität. Anforderung an Fremdmotoren 90 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Spannungsbelastung 7.4 Leiter-Leiter-Spannung 7.4 Leiter-Leiter-Spannung Die Leiter-Leiter-Spannung kann im Umrichterbetrieb stationär nur drei Zustände einnehmen: 0 V, +UZK und -UZK. Das Schaltmuster zwischen diesen Zuständen ist durch die Pulsfrequenz, den Aussteuergrad und die Modulationsart gegeben. Das Schalten wird begleitet von einer Leitungsreflexion. Ihre Ausprägung hängt u. a. von der Leitungslänge ab. Die Reflexion hat an den Motorklemmen die Form einer abklingenden Schwingung. Die theoretische Überschwingweite kann maximal so groß sein, wie die Sprunghöhe selbst (in der Praxis meist bis maximal 90 %). Bild 7-1 Beispiel für Leiter-Leiter-Spannung an den Motorklemmen bei 720 V Zwischenkreis-spannung; Überschwingen durch Reflexion an einer langen Leitung Es ergibt sich die folgende an den Klemmen permanent auftretende Leiter-Leiter-Belastung mit Überschwingen auf 1,9 · UZK und Ausschwingen mit 2 – 8 Perioden im Frequenzbereich 0,5 – 4 MHz: 1370 V transiente Überschwingweite bei UZK = 720 V Für andere Zwischenkreisspannungen kann die transiente Überschwingweite linear umgerechnet werden. Für Motoren an Chassis-Leistungsteilen ergibt sich damit: 1970 V transiente Überschwingweite bei UZK = 1035 V Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 91 Spannungsbelastung 7.4 Leiter-Leiter-Spannung Hinweis Die Isolationsfähigkeit von derzeit kommerziell verwendeten Isolationssystemen für Niederspannungsmotoren lässt mit steigernder Temperatur deutlich nach. Somit ist die Isolationsfähigkeit bei Betriebstemperatur des Motors geringer als bei Zimmertemperatur. Dieser Effekt wird häufig durch einen Zuschlag auf die geforderte Spannungsfestigkeit bei Zimmertemperatur berücksichtigt. Darüber hinaus hat es sich als praktikabel erwiesen, anstatt der transienten Überschwingweite eines einzelnen Sprungvorganges, das Peak-zuPeak-Band zu bewerten, das die Leiter-Leiter Spannung über einen längeren Zeitraum einnimmt. Damit ergibt sich die folgende praxisnahe Anforderung an die Leiter-LeiterSpannungsfestigkeit: Upk,pk,LL = 2800 V bei UZK = 720 V Upk,pk,LL = 3800 V bei UZK = 1035 V 7.4.1 Verbreitete konstruktive Gegenmaßnahmen Das Überschwingen durch die Reflexion und dessen Abklingkurve spielen sich überwiegend im hohen Frequenzbereich ab. Deshalb sind hier, wie auch bei der Spannungssteilheit, vornehmlich Wicklungsbereiche in der Nähe der Motorklemmen betroffen. Somit können sinngemäß dieselben Gegenmaßnahmen aufgezählt werden. 7.4.2 Verbreitete Prüfmethoden Wegen der galvanischen Kopplung der Klemmen untereinander können nur transiente Prüfmethoden zum Einsatz kommen. Die bekannteste ist die Stossspannungsprüfung. Dabei wird die Stossspannung paarweise gegenüber den Phasenleitern eingeprägt. Mehrere Hersteller bieten Stossspannungsprüfgeräte für 3-phasige Wickelgüter an, die unter anderem auch eine Aussage über die Teilentladungsfestigkeit liefern. Hinweis Ein Ergebnis der Stossspannungsprüfung ist nur dann belastbar, wenn es Aufschluss über die Teilentladungsfreiheit liefert. Die Aussage, dass das Prüfobjekt die Prozedur ohne Durchschlag überstanden hat, ist nicht hinreichend. Eine geeignete Prüfapparatur muss deshalb eine Einrichtung zur Detektierung von Teilentladung besitzen. Eine Stückprüfung ist zu empfehlen. 7.4.3 Bekannte applikative Gegenmaßnahmen Gegenmaßnahmen wie beim Thema Spannungssteilheit, siehe Kapitel Bekannte applikative Gegenmaßnahmen (Seite 88). Anforderung an Fremdmotoren 92 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Spannungsbelastung 7.5 Leiter-Erde-Spannung 7.5 Leiter-Erde-Spannung Die Leiter-Erde-Spannung ist dasjenige Merkmal des Belastungskollektivs, das die höchsten Anforderungen an die Motorisolation stellt. Sie ist der häufigste Grund für Isolationsversagen. Im Gegensatz zur Leiter-Leiter-Spannung ist die Leiter-Erde-Spannung stark abhängig von der induktiven und kapazitiven Anbindung des Zwischenkreises an Erde. Häufig bilden sich keine einfachen, sofort wieder erkennbaren Sprungmuster aus, sondern scheinbar ungeordnete Spannungsverläufe. Bild 7-2 Vereinfachtes Ersatzschaltbild zur Erklärung der Leiter-Erde-Spannung Die höchsten Spannungsspitzen gegen Erde treten auf, wenn alle drei Phasen gleichzeitig schalten. Das ist bei geringem Aussteuergrad der Fall, das heißt, wenn der Motor steht bzw. eine geringe EMK erzeugt. Das oben dargestellte vereinfachte Ersatzschaltbild beschreibt die Spannungsanregung in diesem Betriebszustand für ein System mit ALM. Da alle drei Phasenleiter des Motors gleichzeitig geschaltet werden, können sowohl die Leiter als auch die Schalter zu jeweils einem einzigen Element zusammengezogen werden. In einem System mit ALM ist der Zwischenkreis nicht hart gegen Erde fixiert, sondern kann über die Kommutierungsinduktivität und die parasitären Erdkapazitäten Schwingungen gegenüber Erde ausführen. Dabei bleibt die Spannungsdifferenz zwischen der Plus- und der Minus-Stromschiene des Zwischenkreises konstant. Das Spannungssystem des Zwischenkreises schwingt „als Ganzes“ gegen Erde. Die Schwingungen werden deshalb „Systemschwingungen“ genannt. Sie bilden häufig den Hauptanteil der Leiter-ErdeSpannungsbelastung. Die Frequenz der Systemschwingung ergibt sich im Wesentlichen aus der Kommutierungsinduktivität und Summenkapazität der parasitären Kapazitäten gegenüber Erde. Für eine gegebene Antriebskonfiguration ist die Frequenz fest, das heißt unabhängig vom Lastzustand. Sie liegt bei SINAMICS-Antriebssystemen in einem Bereich von 20 kHz – 200 kHz. Konfigurationen mit höheren Eigenfrequenzen der Systemschwingung besitzen oft eine höhere Dämpfung und zeigen geringere Schwingungsamplituden. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 93 Spannungsbelastung 7.5 Leiter-Erde-Spannung Bild 7-3 Beispiel einer Leiter-Erde-Spannung an den Motorklemmen bei 720 V Zwischenkreisspannung; Systemschwingung des Zwischenkreises (in diesem Beispiel) mit einer Frequenz von 27 kHz Das oben stehende Bild zeigt den niederfrequenten Anteil der Leiter-Erde-Spannung, der durch die Systemschwingung erzeugt wird. Es hat sich gezeigt, dass der Abstand zwischen den positiven und negativen Maximalwerten der Systemschwingung eine wesentliche Einflussgröße bei der Bewertung der Spannungsbelastung darstellt. Diese Einflussgröße wird im vorliegenden Dokument „Bipolare Schwingweite“ genannt. Bild 7-4 Beispiel der Leiter-Erde-Spannung bei UZK = 720 V in höherer Zeitauflösung; Leitungsreflexion mit einer Sprungweite von 0,9 UZK; Frequenz in diesem Beispiel: 0,6 MHz Anforderung an Fremdmotoren 94 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Spannungsbelastung 7.5 Leiter-Erde-Spannung Zu den niederfrequenten Systemschwingungen überlagern sich die hochfrequenten Spannungsspitzen der Reflexion (siehe Bild oben). Die Häufigkeit, mit der sich beide Spannungsspitzen, die der niederfrequenten Systemschwingung und die der hochfrequenten Reflexion gleichzeitig treffen, ist statistisch sehr gering. In Antriebssystemen mit ALM können die Systemschwingungen höhere Amplituden aufweisen als die Schwingungen der Leitungsreflexion, sofern das System stark angeregt wird und nur schwach gedämpft ist. Es hat sich dort gezeigt, dass zur Bewertung der Leiter-Erde-Spannungsbeanspruchung von kommerziell gängigen, organischen Niederspannungsisolationssystemen folgende Vereinfachungen getroffen werden können: Bei der Bewertung der Leiter-Erde-Spannungsbeanspruchung ● können die hochfrequenten Schwingungen der Leitungsreflexion vernachlässigt werden. ● ist die Bipolare Schwingweite ein aussagefähiges Maß. Die Hälfte dieses Wertes kann als Amplitude einer periodischen Spannungsbeanspruchung gegenüber Erde angesetzt werden. Damit wird aus dem unübersichtlichen Verlauf der Leiter-Erde-Spannung ein einfach handhabbarer Wert erzeugt: Die Leiter-Erde-Spannungsbelastung entspricht derjenigen einer niederfrequenten erdsymmetrischen Wechselspannung mit einem in der Praxis relevanten Spitze-Spitze-Wert (Peak-Peak) von Upk,pk,LE = 2350 V bei UZK = 720 V Upk,pk,LE = 3200 V bei UZK = 1035 V Für andere Zwischenkreisspannungen kann die Amplitude linear umgerechnet werden. Hinweis Die Teilentladungseinsetzspannung aller gängigen Niederspannungsisolationssysteme geht mit steigender Temperatur erheblich zurück. Üblich ist ein Rückgang um 30 – 45 % bei 100 K Erwärmung. Dies muss bei der Auslegung und Prüfung des Isolationssystems berücksichtigt werden. Hinweis Die Systemschwingungen können durch ungünstige Eigenschaften der Kommutierungsinduktivität oder unzulässig lange Leistungsleitungen beträchtlich vergrößert werden. Insbesondere die Dämpfung der Kommutierungsinduktivität spielt eine entscheidende Rolle. Die oben genannten Werte der Leiter-Erde-Spannungsbelastung haben nur Gültigkeit, • wenn ausschließlich die für die jeweilige Konfiguration zugelassenen Netzanschaltungskomponenten verwendet werden (Kommutierungsinduktivität, Filter ….), • wenn weder die zugelassene Summenleitungslänge noch eine zugelassene Einzelleitungslänge überschritten wird, • wenn ausschließlich an zugelassene Netze angeschlossen wird (TN-, TT- und IT- Netze, aber keine Netze mit geerdetem Außenleiter). Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 95 Spannungsbelastung 7.5 Leiter-Erde-Spannung 7.5.1 Verbreitete konstruktive Gegenmaßnahmen Im Gegensatz zur Spannungssteilheit oder der Leitungsreflexion belastet die Leiter-ErdeSpannung nicht nur die Wicklungsbereiche in der Nähe der Motorklemmen, sondern durchdringt den gesamten Motor. Einzig die hochfrequenten Anteile werden in den klemmennahen Wicklungsbereichen bereits absorbiert. Geeignete Motoren weisen häufig die folgenden Merkmale auf: ● Ausreichende Dimensionierung der Hauptisolation ● Hochwertige Tränkung oder Verguss ● Vermeiden von Kettenleiterresonanzen im Motorinneren (Siehe Bild "Vereinfachtes Ersatzschaltbild zur Erklärung der Leiter-Erde-Spannung") 7.5.2 Verbreitete Prüfmethoden Da sich die Leiter-Erde-Belastung hauptsächlich im niederfrequenten Bereich abspielt, ist als Prüfmethode die Beaufschlagung der Motorklemmen mit einer erdsymmetrischen 50 HzWechselspannung (gegenüber dem geerdeten Motorkörper) weit verbreitet. Die Hauptisolation muss dabei einer vorgegebenen Amplitude standhalten, ohne dass dabei Teilentladung auftritt. Neben der „50 Hz-Methode“ ist auch die Stoßspannungsprüfung der Motorklemmen gegenüber Erde als alternatives Verfahren gebräuchlich. Hinweis Ein Ergebnis der Wechselspannungsprüfung ist nur dann belastbar, wenn es Aufschluss über die Teilentladungsfreiheit liefert. Die Aussage, dass das Prüfobjekt die Prozedur ohne Durchschlag überstanden hat, ist nicht hinreichend. Eine geeignete Prüfapparatur muss deshalb eine Einrichtung zur Detektierung von Teilentladung besitzen. Hinweis Der zu erwartende Rückgang der TE-Einsetzspannung bei der Bemessungsbetriebstemperatur muss berücksichtigt werden. Üblich ist es, das Prüfobjekt einer entsprechend erhöhten Amplitude der Prüfspannung zu unterziehen. Eine Stückprüfung ist zu empfehlen. 7.5.3 Bekannte applikative Gegenmaßnahmen ● Active Line Module nur zusammen mit geeigneter Kommutierungsinduktivität (Active Interface Module) betreiben. ● Von den zugelassenen Alternativen der Kommutierungsinduktivität diejenige mit der höchsten Dämpfung wählen (z. B. HFD) ● ALM durch nicht pulsende Einspeise-Module (Basic Line Module oder Smart Line Module) ersetzen. Anforderung an Fremdmotoren 96 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Spannungsbelastung 7.6 EMV-Aspekte 7.6 EMV-Aspekte Der Motor muss auch unter den Einwirkungen des Umrichterbetriebs den einschlägigen EMV-Richtlinien entsprechen. ● Er darf beim Betrieb mit den oben beschrieben Spannungsverläufen keine elektromagnetischen Störungen aussenden. ● Er darf sich weder durch fremderzeugte noch durch eigene elektromagnetische Einflüsse in seiner Funktion stören oder seiner Lebensdauer beeinträchtigen lassen (Temperaturfühler, Geber, Lagerströme…). Um dies zu gewährleisten, muss er mindestens über die folgenden konstruktiven Merkmale verfügen: ● Elektrisch leitfähiges, EMV-dichtes Gehäuse von ausreichender Wandstärke und Leitfähigkeit (außer bei Einbaumotoren). ● Falls ein Leistungsstecker vorhanden ist, muss dessen Gehäuse aus elektrisch leitfähigem Material bestehen und elektrisch leitfähig am Motorgehäuse aufliegen. Die elektrische Verbindung zwischen Motorgehäuse und Steckergehäuse darf nicht durch Lack oder Beschichtungen (brünieren etc.) behindert sein. ● Falls ein Klemmkasten vorhanden ist, muss dieser aus elektrisch leitfähigem Material bestehen. Auch der Deckel muss großflächig elektrisch leitfähig am Klemmkasten aufliegen. Zwischen Deckel und Klemmkastenkörper müssen sich metallisch blanke Berührlinien ergeben. Die Dichtung darf die metallisch blanken Berührlinien nicht distanzieren. ● Falls Klemmkasten oder direkter Kabelabgang: Zur 360-Grad-Anbindung des Schirms der Leistungsleitung muss eine Kabelverschraubung angebracht werden können. Der Schirm muss die EMV-gerechte „Verlängerung“ des Gehäuses darstellen. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 97 Spannungsbelastung 7.6 EMV-Aspekte Anforderung an Fremdmotoren 98 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 (Winkel-)Lagegeber 8 Die Geberschnittstelle des SINAMICS-Antriebssystems ist die DRIVE-CLiQ-Schnittstelle. Siemens-Motoren sind bereits größtenteils mit dieser Schnittstelle ausgestattet. Sie können direkt an den Antriebsverband anschlossen werden. Für Nicht-DRIVE-CLiQ-Geber ist ein Sensor-Modul notwendig, um die Gebesignale auf die DRIVE-CLiQ-Schnittstelle zu übersetzen. Das In-Verkehr-Bringen von DRIVE-CLiQ-Gebern ist von Siemens autorisiert. Die Kompatibilität zum SINAMICS-Antriebssystem ist damit automatisch gegeben. In diesem Dokument werden deshalb ausschließlich Nicht-DRIVE-CLiQ-Geber behandelt. Die folgenden Gebertypen sind anschließbar: ● Inkrementelle Geber ● EnDat-Absolutwertgeber ● Resolver ● TTL-/HTL-Geber ● SSI-Absolutwertgeber 8.1 Inkrementelle Geber Eine grundsätzliche Beschreibung der Funktionsweise inkrementeller Geber findet sich beispielsweise in Publikationen der Fa. Heidenhain. Dort werden dieselben Bezeichnungen verwendet wie bei Siemens, lediglich die C- und D-Spur wird bei Heidenhain „Z1-Spur“ genannt. Definition „Signalspur“ Bei der elektrischen Übertragung der Gebersignale wird der Signalinhalt aus der Differenz zweier elektrischer Einzelsignale gebildet. Im Zusammenhang mit Lagegebern wird der Signalinhalt häufig „Spur“ genannt. In diesem Dokument wird der aus der Differenzbildung hervorgehende Signalinhalt deshalb als „Spur“ oder „Signalspur“ bezeichnet. Die Einzelsignale sind zueinander gegenläufig. Sie werden in diesem Dokument mit „+“ und „-“ bezeichnet. Durch die Gegenläufigkeit der elektrischen Signale wird die Höhe des Spursignals bei der Differenzbildung verdoppelt. Der Nutzen der Differenzbildung besteht darin, dass die (Gleichtakt-)Störungen unterdrückt werden. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 99 (Winkel-)Lagegeber 8.1 Inkrementelle Geber Bild 8-1 8.1.1 Signalübertragung mittels gegenläufiger Einzelsignale Inkrementalspuren A B Die Differenzsignale A und B sind die Träger der Lageinformation. Sie haben Sinus- bzw. Cosinusform. Ihre Beschaffenheit hat unmittelbare Auswirkungen auf die Qualität und die Genauigkeit der Lage-Istwerterfassung: Bild 8-2 Exemplarischer Signalverlauf der A- und B- Spuren (Differenzsignale) Anforderung an Fremdmotoren 100 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 (Winkel-)Lagegeber 8.1 Inkrementelle Geber Die Spursignale der A- und B-Inkrementalspuren sollen die folgenden Bedingungen erfüllen: ● Signalamplitude, UX_PP: 1 VSpitzeSpitze Empfohlener Toleranzbereich: 1,2 VSpitzeSpitze …. 0,75 VSpitzeSpitze Bei maximal möglicher Eingangsfrequenz fin_AB_max ist sicherzustellen, dass die Amplituden des Gebers den empfohlenen Bereich von UX_PP nicht unterschreiten. ● Maximaler Unterschied zwischen A- und B-Spur (in einer Signalperiode): ● Dynamische Amplitudenänderung zwischen zwei benachbarten Signalperioden: ΔUA_PP bzw. ΔUB_PP ≤ 0,6 mV ● Modulationsgrad der Hüllkurve der Amplitude über eine Umdrehung m = (UX_PP_max - UX_PP_min) / UX_PP_min ≤ 0,1 ● Signalfolge: Bei positiver Drehrichtung eilt A-Spur gegenüber B-Spur um 90° voraus. ● Winkel zwischen A- und B-Spur, φX_PP: 90° Empfohlener Toleranzbereich: ±3 ° ● Offset, UOff_X: 0 V, Empfohlener Toleranzbereich: ±50 mV ● Maximalfrequenz bei Maximaldrehzahl: 500 kHz ● dynamische Offsetänderung: UX_off ≤ 1 mV zwischen zwei benachbarten Signalperioden ● Klirrfaktor ≤ 0,5 % UG: Amplitudenstärke der Grundwelle U2; U3; …: Amplitudenstärke der entsprechenden Oberwelle 8.1.2 Referenzspur In diesem Dokument werden die formalen Bedingungen beschrieben, die das Referenz Spursignal erfüllen muss, um als gültige Referenzmarke erkannt zu werden. Ob die Referenzspur des Gebers eine oder mehrere Referenzmarken je Umdrehung beinhaltet, bleibt offen. Bei Standardgebern ist eine Referenzmarke je Umdrehung üblich. Der Referenzimpuls muss in einem bestimmten Winkelfenster zur A- und B-Spur liegen. Das bedeutet, dass seine Signalspannung innerhalb eines minimal zulässigen Winkelfensters den Pegel URS_min überschritten haben muss und außerhalb eines maximal zulässigen Winkelfensters unter dem Pegel URuhe_max liegen muss. Die beiden Schwellenpegel werden im Folgenden „Aktivpegel“ und „Ruhepegel“ genannt. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 101 (Winkel-)Lagegeber 8.1 Inkrementelle Geber Bild 8-3 Exemplarischer Signalverlauf der R-Spur (Differenzsignal) ● Aktivpegel: URS_min = 200 mV; URS_max = 700 mV ● Ruhepegel: URuhe_max = -200 mV; URuhe_min = -700 mV ● Minimales Winkelfenster: | α/2 | ≥ 50° (bezieht sich auf eine Signalperiode der A/B-Spur) ● Maximales Winkelfenster: | α/2 | ≤ 225° ● Symmetrie des Winkelfensters ist nicht erforderlich α/2links darf ungleich sein zu α/2rechts Die Genauigkeit der Referenzierung hängt nicht von der Form oder der Lage des Referenzimpulses ab. Erfüllt der Referenzimpuls die oben genannten Bedingungen nicht, wird er nicht erkannt, oder es wird eine Fehlermeldung erzeugt. Anforderung an Fremdmotoren 102 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 (Winkel-)Lagegeber 8.1 Inkrementelle Geber 8.1.3 Spursignale C D Die Absolutsignale C, D dienen bei rotatorischen Motorgebern zur Kommutierung. Sie bilden die Winkellage der Motorwelle mit genau einer Sinus-Cosinus-Periode pro mechanischer Umdrehung ab. Bild 8-4 Exemplarischer Signalverlauf der C- und D-Spuren (Differenzsignal) Die Anforderungen an die Signalqualität der C- und D-Spur sind die gleichen, wie die oben beschriebenen Anforderungen an die A- und B-Spur. Darüber hinaus müssen die Spuren eine bestimmte Ausrichtung zur Referenzspur aufweisen: ● Bei positiver Drehrichtung muss der positive Nulldurchgang der C-Spur in einem Winkelfenster von ±5° zum Referenzimpuls erscheinen (siehe obige Abbildung). Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 103 (Winkel-)Lagegeber 8.1 Inkrementelle Geber 8.1.4 Elektrische Einzelsignale Die Einzelsignale bewegen sich symmetrisch um eine Mittenspannung. Die Mittenspannung kann dabei als Mittelwert aus dem Maximum und einem dazu benachbarten Minimum der Sinusspannung eines Einzelsignals aufgefasst werden. Bild 8-5 Elektrische Einzelsignale einer Signalspur, z. B. A-Spur; Bezugspotential ist Masse der Geberstromversorgung (M_Geber) Die elektrischen Einzelsignale sollen die folgenden Bedingungen erfüllen: ● Die Mittenspannung soll so groß sein wie die halbe Versorgungsspannung mit P_Geber: = positive Geberversorgung (Nominalwert: 5 V) und M_Geber: = negative Geberversorgung (Nominalwert: 0 V) ergibt sich ein Nominalwert von 2,5 V für die Mittenspannung. Die Mittenspannung darf kein Festwert sein, sondern muss an die (halbe) Geberversorgungsspannung gebunden sein. ● Die Mittenspannung muss für beide Einzelsignale einer Spur gleich groß sein. Eine Ungleichheit der Mittenspannung würde ummittelbar zu einem unerwünschten Offset der betreffenden Signalspur führen. ● Beim Nominalwert der Geberversorgung von 5 V müssen die elektrischen Einzelsignale innerhalb eines Spannungsfensters von 2,0 V … 3,0 V liegen, bezogen auf Masse der Geberstromversorgung (M_Geber). ● Der ohmsche Leitungsabschluss befindet sich vom Geber aus gesehen am Leitungsende (im Sensor Modul). Er beträgt 120 Ω zwischen dem „+“ und dem „-“ Einzelsignal, entsprechend. Anforderung an Fremdmotoren 104 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 (Winkel-)Lagegeber 8.2 Geberversorgung ● Bild "Signalübertragung mittels gegenläufiger Einzelsignale": Die Leitungstreiber des Gebers müssen in der Lage sein, das Signal über den gesamten Frequenzbereich gegen dieser Last zu treiben. Einen niederohmigen Abschluss gegenüber der Signalmasse gibt es im Sensormodul nicht. ● Sofern nicht anders mit dem Kunden vereinbart, muss die erlaubte Leitungslänge der Geberleitung mindestens 50 m betragen. Die Leitungstreiber des Gebers müssen in der Lage sein, das Signal über den gesamten Frequenzbereich gegen die kapazitive Last der Leitung zu treiben. Schwingneigung der Leitungstreiber ist keinesfalls zulässig. Die oben aufgelisteten Anforderungen an die Einzelsignale gelten für alle Signalspuren: A, B, C, D und R. Hinweis Das elektrische Einzelsignal wird in der Literatur häufig „Single-Ended-Signal“ genannt. Hinweis Bei der SINAMICS-Geberauswertung werden die elektrischen Einzelsignale getrennt erfasst und digitalisiert. Das Differenzsignal wird durch digitale Differenzbildung aus den beiden Einzelsignalen gewonnen. Aus diesem Grund muss jedes der beiden elektrischen Einzelsignale einer Signalspur innerhalb des zulässigen Spannungsfensters liegen. 8.2 Geberversorgung 8.2.1 Funktion der Sense-Leitung Der Nominalwert der Geberversorgungsspannung (P_Geber – M_Geber) beträgt 5 V. Bei langen Leitungen kann der ohmsche Spannungsabfall auf der Geberleitung zu einem nennenswerten Spannungsverlust führen. Dadurch verkleinert sich die am Geber eintreffende Versorgungsspannung gegenüber der vom Sensormodul angelegten Versorgungsspannung. Der Spannungsregler des Sensormoduls gleicht diesen Spannungsabfall aus, so dass die am Geber eintreffende Versorgungsspannung stabil auf dem Nominalwert von 5 V gehalten wird. Dazu wird die am Geber eintreffende Versorgungsspannung mit Hilfe der SenseLeitung hochohmig abgegriffen, und zum Spannungsregler des Sensormoduls zurückgeführt. Der Regelkreis des Spannungsreglers sorgt dafür, dass die Spannung auf dem Nominalwert von 5 V gehalten wird. Voraussetzung dafür ist, dass am Geber die eintreffende Versorgungsspannung auf die Sense-Leitung durchverbunden ist. Hinweis Da die Leitungslänge innerhalb des Motor/Spindelbauraumes i.d.R. relativ klein ist, kann die Sense-Leitung auch an einem am Motorgehäuse vorhandenen Geber-Steckverbinder gebrückt werden. Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 105 (Winkel-)Lagegeber 8.2 Geberversorgung Bild 8-6 Sense-Leitung zur Regelung der Geberversorgung ● Um die Funktion des Spannungsreglers zu gewährleisten ist in der Eingangsschaltung des Gebers eine maximale Kapazität von 1000 μF zulässig Hinweis Bei der Namensvergabe der einzelnen Adern einer Geberleitung wird P_Sense oft 5 VSense; M_Sense oft 0 VSense; P_Geber oft P_Encoder und M_Geber oft M_Encoder genannt. Anforderung an Fremdmotoren 106 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 (Winkel-)Lagegeber 8.2 Geberversorgung 8.2.2 Spannungs-Rippel der Geberversorgung Der Versorgungsspannung, die das Sensormodul an den Geber anlegt, kann sich ein hochfrequenter Rippel überlagern (siehe nachfolgende Abbildung). Der Geber muss so ausgeführt sein, dass die Spursignale durch diesen Rippel nicht beeinträchtigt werden. Bild 8-7 Spannungsverhältnisse und Rippel-Spannung am Geber ● Die maximale hochfrequente Rippel-Spannung auf der Geberstromversorgung beträgt 200 mV. Die Frequenzen der Rippel-Spannungen liegen über 100 kHz. Der Geber muss eine ausreichende Störunterdrückung gegenüber den Differenzsignalen aufweisen. Der Klirrfaktor bzw. der Fremdspannungsanteil der Differenzsignale darf auch bei Anwesenheit des hochfrequenten Spannungs-Rippel den oben genannten Grenzwert von 0,5 % nicht übersteigen. 8.2.3 Überlastverhalten der Geberstromversorgung ● Maximaler Dauerstrom: 300 mA ● Kurschlussfest, maximaler Kurzschlussstrom 2 A (bei Spannung 0 V) Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 107 (Winkel-)Lagegeber 8.3 EMV-Aspekte 8.2.4 Geberversorgungsspannung ● Nominalwert: 5 V ±5 % (nur bei ordnungsgemäßer Schaltung der Sense-Leitungen) ● Sense-Leitungen müssen am Geber auf die Stromversorgungsleitungen durchverbunden sein P_Geber ⇔ P_Sense und M_Geber ⇔ M_Sense ● Maximale transiente Versorgungsspannung: 10 V Diese Spannungsspitze kann für 50 ms mit max. Kurzschlussstrom 2 A anliegen, wenn Remote-Sense genutzt wird und das Geberkabel unzulässigerweise in Betrieb gezogen und gesteckt wird. Aus Robustheitsgründen ist der Geber hierfür auszulegen. 8.2.5 Einschaltphase Das Hochlaufen der Versorgungsspannung kann je nach Last, die der Geber repräsentiert, mehr oder weniger stetig erfolgen. Bild 8-8 Exemplarischer Hochlauf der Geberspannung ● Der Geber muss nach Anliegen der Betriebsspannung UP innerhalb von 1,3 s hochgelaufen sein. Das heißt, dass nach dieser Zeit gültige Gebersignale anliegen müssen (siehe obiges Diagramm). ● Der Geber muss mit einem unstetigen Hochlauf der Versorgungsspannung zurechtkommen (siehe obiges Diagramm). 8.3 EMV-Aspekte Der Geber muss von einem metallisch leitenden Gehäuse geschirmt sein. Es soll den Geber wie ein „Becher“ umschließen. Der Becher soll möglichst nur dort durchbrochen sein, wo es für die Funktion des Gebers unumgänglich ist, zum Beispiel an der Durchführung der Geberwelle oder am Fenster zur magnetischen bzw. optischen Abtastung der Maßverkörperung. Die mechanische Montage soll so gestaltet sein, dass der Geber (bzw. dessen leitfähiges Gehäuse) leitend und möglichst großflächig mit dem Motorgehäuse verbunden ist. Die Außenschirmung des Kabelsatzes muss leitfähig und flächig am Becher aufliegen, so dass die Schirmung als (EMV-) dichte Verlängerung (Ausstülpung) des Bechers aufgefasst werden kann. Anforderung an Fremdmotoren 108 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 (Winkel-)Lagegeber 8.3 EMV-Aspekte Der Geberkabelsatz wird zum motorseitigen Geberstecker geführt. Das Gehäuse des Gebersteckers muss metallisch leitfähig sein. Der Schirm des Kabelsatzes muss am metallischen Gehäuse des Gebersteckers aufgelegt sein. Auch für diesen Schirmanschluss gilt: Möglichst großflächig, so dass der Schirm als Verlängerung des metallischen Gebersteckergehäuses aufgefasst werden kann. Zusätzlich zur Gesamtschirmung des Kabelsatzes sollten die elektrischen Einzelsignale der Spuren A, B, und R paarweise verdrillt und die Paare jeweils für sich geschirmt verlegt sein. Der Schirm, der ein Einzelsignalpaar umschließt, wird Innenschirm genannt. Die Innenschirme dürfen nur einseitig aufgelegt werden. Sie sollen am motorseitigen Geberstecker mit dem Potential der Elektronikmasse (M_Geber) verbunden werden. Bei kurzen Kabelsätzen darf der Innenschirm entfallen. Bild 8-9 Schirmkonzept des Anschlusses vom Geber zum motorseitigen Geberstecker Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 109 (Winkel-)Lagegeber 8.4 EnDat-Absolutwertgeber Folgende Regeln sind einzuhalten: ● Eine Verbindung von Elektronikmasse und Gehäuse bzw. Außenschirmung ist nicht zulässig. ● Eine großflächig leitfähige Anbindung des Gebergehäuses an die Anschraubfläche (Lagerschild) muss konstruktiv gewährleistet werden. ● Der Anschluss vom Gesamtschirm ist am Geber flächig gegen eine metallische Fläche aufzulegen. ● Der Außen- bzw. Gesamtschirm sollte aus einen Drahtgeflecht bestehen. Verbreitete Prüfmethode: Störfestigkeit gegen Entladung statischer Elektrizität (ESD, EN61000-4-2): ● Direkte Entladung, Kontaktentladung auf blanke oder mit Nicht-Isolierstoff (z. B. Lack) beschichtete metallische Oberflächen von Komponenten-Gehäusen mit 9 kV. ● Zu erfüllendes Annahmekriterium des Betriebsverhaltens: Kategorie A gemäß EN 61800-3 (übliches Betriebsverhalten, keine Funktionsstörung). 8.4 EnDat-Absolutwertgeber Das EnDat-Interface ist die bidirektionale Schnittstelle für Messsysteme der Fa. Heidenhain. Die SINAMICS Sensor Module erwarteten im Falle eines EnDat-Gebers Signale nach der EnDat 2.1-Schnittstellendefinition. Funktionsweise der EnDat 2.1-Schnittstelle Neben den digitalen Lagewerten werden zwei analoge Inkrementalspuren, A und B, mit 1 VSpitzeSpitze übertragen. Die analogen Spuren werden durch Abtastung eines Gitters erzeugt. Die digitalen Lagewerte besitzen eine Auflösung von ¼ Gitterteilung der analogen Spur. Die Feinauflösung des Lagewertes erfolgt durch Interpolation der analogen Spuren A und B. In Bezug auf die Geberversorgung gelten dieselben Spezifikationen wie für den oben aufgeführten Typ des Inkrementalgebers. 8.5 TTL-/HTL-Geber Eine Zusammenstellung der Anforderungen an die Gebersignale findet sich im Gerätehandbuch (GH1) "Control Units und ergänzende Systemkomponenten", Kapitel „Sensor Module Cabinet-Mounted SMC30“. 8.6 Resolver Eine Zusammenstellung der Anforderungen an den Geber findet sich im Gerätehandbuch (GH1) "Control Units und ergänzende Systemkomponenten", Kapitel „Sensor Module Cabinet-Mounted SMC10“. Anforderung an Fremdmotoren 110 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 (Winkel-)Lagegeber 8.7 SSI-Geber 8.7 SSI-Geber Eine Zusammenstellung der Anforderungen an die Gebersignale findet sich im Gerätehandbuch (GH1) "Control Units und ergänzende Systemkomponenten", Kapitel „Sensor Module Cabinet-Mounted SMC20“; Unterpunkt „Technische Daten“. ● Gray oder Binär codierte Geber zulässig ● Errorbit/Alarmbit ist das LSB. Wird zusätzlich noch ein Parity Bit übertragen, so ist dieses das vorletzte Bit. Wenn kein Alarmbit übertragen wird, so ist das Parity Bit das LSB. ● Die Nutzinformation als auch Parity oder Errorbit/Alarmbit sind entweder Gray oder Binär codiert, aber nie gemischt. ● Telegrammlänge (inkl. Alarm und/oder Parity): 13 bis 25 Bit ● Übertragungsfrequenz f: 100 oder 500 kHz ● Monoflop-Zeit: – bei 100 kHz tm min 12 µs – bei 500 kHz tm min 2,4 µs Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 111 (Winkel-)Lagegeber 8.7 SSI-Geber Anforderung an Fremdmotoren 112 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 Literaturverzeichnis 9 /Grein/H. Greiner, H. Dorner / Danfoss: Umrichtergespeiste Drehstrommototren EP2906 /61800-8/IEC/TS 61800-8 Adjustable speed electrical power drive systems - Specification of voltage on the power interface /GH1/SINAMICS S120 Gerätehandbuch, (GH1) "Control Units und ergänzende Systemkomponenten" /GH2/SINAMICS S120 Gerätehandbuch, (GH2) "Leistungsteile Booksize“ /FH1/SINAMICS S120 Funktionshandbuch, (FH1) Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 113 Literaturverzeichnis Anforderung an Fremdmotoren 114 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 A Anhang A.1 Liste der Abkürzungen Abkürzung Bedeutung AIM Active Interface Module ALM Active Line Module ASM bzw. async Asynchronmotor BLM Basic Line Module EMK Elektromotorische Kraft p Parameter PEM bzw. sync Permanenterregter Synchronmotor PTC Positive Temperature Coefficient (Standardtyp eines schaltenden Temperatursensors) PWM Puls-Weiten-Modulation SET Sichere Elektrische Trennung SLM Smart Line Module SMC Sensor Module Cabinet SME Sensor Module External TE Teilentladung Temp-F analog messender Temperaturfühler Temp-S schaltender Temperatursensor TM Terminal Module UZK bzw. Vdc Zwischenkreisspannung VPM Voltage Protection Module Anforderung an Fremdmotoren Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468 115 Anhang A.1 Liste der Abkürzungen Anforderung an Fremdmotoren 116 Systemhandbuch, 05/2013, A5E32342468
