treibende kraft - Chemie Technik

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TITELTHEMA
Anlagenbau Chemie
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Ausrüster
ENTSCHEIDER-FACTS
Für Ausrüster und Betreiber
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Einkäufer Manager
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Eine sichere Einhaltung der Rahmenbedingungen und eine neue
Zulassungsmethode sorgen für
mehr Flexibilität beim Betrieb von
Ex-e-Motoren an Frequenzumrichtern
쮿 Für die Konstruktion elektrischer Antriebe für explosionsgefährdete Bereiche haben sich zwei Schutzprinzipien am Markt
etabliert: Die druckfeste Kapselung (Ex d)
und die erhöhte Sicherheit (Ex e).
쮿 Ex-e-Motoren sind kostengünstig, allerdings müssen bei deren Betrieb an Frequenzumrichtern definierte Rahmenbedingungen eingehalten werden, da sonst
die Zulassung für die Kombination Motor-Umrichter erlischt.
쮿 Die Physikalisch Technische Bundesanstalt in Braunschweig (PTB) und SEWEurodrive haben im Jahr 2006 gemeinsam die Rahmenbedingungen erarbeitet,
die einzuhalten sind, damit die Zulassung des Ex-e-Motors unabhängig vom
Frequenzumrichter erfolgen kann.
TREIBENDE KRAFT
Drehzahlgeregelte Antriebe für den Ex-Bereich Motoren in der Zündschutzart erhöhte Sicherheit sind für
den Einsatz im Ex-Bereich eine kostengünstige Alternative zur druckgekapselten Ausführung. Die Kehrseite
der Medaille: Wird der Motor mit Frequenzumrichter betrieben, gilt die Ex-Zulassung häufig nur für eine
exakt definierte Kombination – nimmt der Betreiber Anpassungen und Veränderungen vor, erlischt die Zulassung. Dass es auch anders geht, erfahren Sie hier.
F
ür die Konstruktion elektrischer
Antriebe für explosionsgefährdete
Bereiche haben sich zwei Schutzprinzipien am Markt etabliert: Die druckfeste Kapselung (Ex d) und die erhöhte
Sicherheit (Ex e). Beim Ex-d-Motor folgt
der Schutzgedanke einem an sich simplen Weg: Selbst wenn das explosive Gas
in den Motor eindringt und im Motorinneren mit der vorhandenen Luft ein
zündfähiges Gemisch bildet, so könnte
selbst beim Zünden des Gas-Luft-Gemisches im Motor kein Durchzünden nach
außen stattfinden. Dazu muss der Motor
dem Explosionsdruck standhalten, ohne
zerstört zu werden, alle Spalte des Motors, zum Beispiel an der Motorabtriebswelle, müssen so dimensioniert werden,
dass auch eventuell nach außen dringende Explosionsgase so weit abgekühlt sind,
dass die den Motor umgebenden Gase
nicht entzündet werden können.
Autor
Gregor Dietz, Product Manager Geared
Motors and AC Drives, SEW Eurodrive
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CHEMIE TECHNIK · November 2007
Bei der Schutzart Ex e wird die Sicherheit vor Explosionen durch andere Maßnahmen erreicht. Diese zielen darauf ab,
unzulässig hohe Temperaturen und das
Entstehen von Funken oder Lichtbögen
im Innern und an äußeren Teilen des
Motors zu verhindern. Der an sich schon
grundsätzlich hochwertig konstruierte
Drehstromasynchronmotor wird in einer
besonderen Art und Weise betrieben und
mittels einfacher Baugruppen aus dem
Schaltschrank mit einem zusätzlichen
Schutz versehen. Erhöhte Sicherheit bedeutet nun, dass der Motor beim Betrieb
nie eine kritische Temperatur erreichen
kann, entweder weil im Normalbetrieb
keine ausreichende Erwärmung stattfindet, um das Gas-Luft-Gemisch im Motorinneren zu entzünden, oder weil der Motor im Überlastfall schnell abschaltet.
Ein Frequenzumrichter bringt zusätzliches Gefahrenpotenzial für die Erwärmung des Motors mit sich. Denn schließlich dient der Umrichter dazu, die Drehzahl des Asynchronmotors zu variieren –
und mit abnehmender Drehzahl sinkt die
Kühlwirkung des Eigenlüfters. Außerdem erzeugen Frequenzumrichter aus-
gangsseitig keine sinusförmigen Spannungen, so dass in der Motorwicklung
mit einer zusätzlichen Erwärmung zu
rechnen ist.
Ex-d-Motor: sicher, aber teuer
Im Vergleich der zwei Systeme für den
Explosionsschutz wird nun deutlich, dass
der Betrieb des Ex-d-Motors am Frequenzumrichter nahezu problemlos
möglich ist. Auch wenn die Kühlung abnimmt und sich der druckgekapselte Motor erwärmt, wird er für die Umgebung
nicht zur Zündgefahr. Im schlimmsten
Fall zündet das Gas-Luft-Gemisch im
Motor in Folge einer übermäßigen Erwärmung und zerstört diesen. In der
Konsequenz wird dadurch die Anlage
stillgesetzt, das war es dann aber auch.
Ganz anders ist nun der Ex-e-Motor
zu betrachten. Neben den zwei schon erwähnten Gefahrenpunkten, Kühlung
und nicht-sinusförmige Spannungen,
müssen zwei weitere Punkte beachtet
werden: der Rotorstillstand bzw. die Blockade des Rotors und die magnetische
Über- bzw. Untersättigung. Im Vergleich
zum Netzbetrieb ist der Rotorstillstand
Die Limitierungen
für den FU-Betrieb des Ex-e-Motors sind Bestandteil der Zulassung
beim Betrieb des Ex-e-Motors am Frequenzumrichter weniger kritisch zu bewerten, da der Umrichter bei üblicher Dimensionierung nicht den Netzkurzschlussstrom zur Verfügung stellen kann.
Dieser Netzkurzschlussstrom beträgt je
nach Motorgröße und Polzahl zwischen
dem vier- und achtfachen Motornennstrom, wogegen der Umrichterstrom je
nach Umrichter-Motor-Kombination auf
den zweifachen Wert des Motorstromes
beschränkt werden kann. Der Umrichterbetrieb verringert also die Gefährdung
bei einer Blockade.
Ex-e-Motor: Betriebsbedingungen
sind entscheidend
Anders verhält sich das Gefahrenpotenzial bei der magnetischen Unter- oder
Übersättigung. Der typische Sättigungspunkt im Netzbetrieb kann durch den
Frequenzumrichter mit den beiden Stellgrößen Spannung und Frequenz beliebig
eingestellt werden. Dabei kann es zu Situationen kommen, in denen der Motor
untersättigt ist (zu wenig Spannung im
Verhältnis zur Frequenz) oder übersättigt
ist (zu viel Spannung im Verhältnis zur
Frequenz). In beiden Fällen reagiert der
Asynchronmotor bei Belastung an der
Motorwelle mit einer gegenüber dem
Netzbetrieb erhöhten Stromaufnahme.
In der Folge steigt die Temperatur in einem für den Ex-e-Motor unzulässigen
Maß an.
Bislang hatte man die Gefahrenpotenziale der Ex-e-Motoren beim Betrieb am
Frequenzumrichter durch eine in ihren
Parametern fixierte Kombination von
Motor und Umrichter sicher beherrscht.
Doch genau diese Fixierung ist in der Praxis unpraktisch. Jede Änderung am Fre-
quenzumrichter oder Ex-e-Motor führt
zum Erlöschen der Zulassung. Damit ist
die Ausführung wie eingefroren, selbst
kleinste Anpassungen am Frequenzumrichter sind nicht zugelassen.
Die Physikalisch Technische Bundesanstalt in Braunschweig (PTB) und SEWEurodrive haben im Jahr 2006 gemeinsam die Rahmenbedingungen erarbeitet,
die einzuhalten sind, damit die Zulassung
des Ex-e-Motors unabhängig vom Frequenzumrichter erfolgen kann. Dieser
neue Weg beschreibt die Bedingungen,
die der Frequenzumformer erfüllen
muss, damit der Ex-e-Motor daran betrieben werden darf. Alle vier kritischen
Elemente der zusätzlichen Erwärmung
wurden unabhängig voneinander bewertet und dann überlagert. Diese sind:
verminderte Kühlung auf Grund reduzierter Motordrehzahl
nicht-sinusförmige Spannungen
Rotorblockaden oder Motorstillstand
magnetische Über- oder Untersättigung
Der verminderten Kühlung bei kleineren Drehzahlen wird dadurch Rechnung getragen, dass dem Motor gegenüber dem Netzbetrieb lediglich reduzierte
Belastungen zugestanden werden. Diese
Limitierungen sind anhand weniger Eckpunkte definiert und Bestandteil der Zulassung (siehe Grafik). Die nicht-sinusförmigen Spannungen können auf zweierlei Art beachtet werden. Entweder wird
die Belastung weiter reduziert, oder es
wird der Einsatz eines Filters vorgeschrieben, der aus der nicht-sinusförmigen
Spannung eine sinusförmige Spannung
herstellt. Filter haben einen unmittelbaren Einfluss auf die Klemmenspannung am Motor, da diese Sinusfilter die
verfügbare Spannung in der Amplitude
reduzieren.
Fixierung ade
Die Gefahr der zusätzlichen Erwärmung
bei Rotorblockade ist gegenüber dem
Netzbetrieb deutlich niedriger zu bewerten, da über den Nennstrom des Umrichters der Stillstandsstrom des Motors begrenzt ist. Damit innerhalb einer Applikation auch Beschleunigungen durchgeführt werden können, darf der Umrichternennstrom maximal doppelt so groß
sein wie der des Motors.
Das hinsichtlich einer unzulässigen
Erwärmung gefährlichste Element ist
aber die magnetische Unter- oder Übersättigung. Bei der Betrachtung der realen
Klemmenspannung am Ex-e-Motor
müssen alle Elemente in der Versorgungsreihe mit berücksichtigt werden.
Ausgehend von der Netznennspannung
reduziert sich die dann tatsächliche
Klemmenspannung am Motor um vier
mögliche Elemente des Spannungsabfalls:
netzseitige Filter vor dem Frequenzumrichter
Ventilverluste des Frequenzumrichters
ausgangsseitige Filter, z.B. Sinusfilter
Zuleitung vom Frequenzumrichter
zum Motor
Wie die Klemmenspannung projektiert werden soll, ist Bestandteil der Zulassung und wird in der Betriebsanleitung beschrieben. Diese aufwändige Zulassung wurde vom Motorhersteller nun
für alle vierzehn Baugrößen der vierpoligen Motoren in Kategorie 2, gemäß EURichtlinie 94/9/EG (Atex) durchgeführt.
Damit können alle diese Motoren nicht
nur in explosionsgefährdeten Gas-Luftsondern auch in explosionsgefährdeten
Staub-Luft-Atmosphären eingesetzt werden. Letztlich hat der Ex-d-Motor so mit
dem Ex-e-Motor, beide betrieben am
Frequenzumrichter, einen höherwertigen Bruder bekommen, der ihn in den
Kriterien Gewicht und Wirtschaftlichkeit
an Attraktivität übertrifft.
KONTAKT
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Detaillierte Beschreibung der Zulassungsmethode – InfoDIRECT-Dokument
zum Abruf:
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