ANTRIEBSTECHNIK

HAUSAUFGABENBUCH HAB
SCHULJAHR 2016/2017
ANTRIEBSTECHNIK
BAWI ELEKTROBERUFE GMBH
JOCHSTRASSE 15
CH-7000 CHUR
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1
Gegeben : PN = 5'500W, m = 350'000kg (1l = 1kg), g = 9.81
m
, h = 68m
s2
Gesucht : t
PN =
m• g• h
m• g• h

t =
t
PN
350'000kg • 9.81
t=
5'500W
m
• 68m
s2
= 42'450.5s 
 11h47min.31s
Aus Sicherheitsgründen werden solche Anlagen häufig redundant* ausgestattet, sodass ein
Pumpenausfall verkraftet werden kann. Zugleich lässt sich das Reservoir, sofern beide
Pumpen gleich gross sind und mit Nennlast betrieben werden, in halber Zeit füllen.
* Redundant bedeutet im erwähnten Fall, dass eine zweite identische Pumpenanlage zur
Verfügung steht, welche im störungsfreien (Normal-) Betrieb nicht benötigt wird.
2
Die nachfolgende Erklärung bezieht sich auf eine Parallelschaltung zwischen einem Wirk- und einem
induktiven Blindwiderstand, angeschlossen an 230V. Das daraus resultierende Leistungsdreieck gilt
sodann analog für den 5.5kW Motor.
Wird ein Wirkwiderstand R parallel mit einer idealen Induktivität XL an eine Spannung angeschlossen,
fliesst durch die Schaltung ein Strom. Das Produkt aus diesem Strom und der anliegenden Spannung
ergibt eine Leistung. Sie ist grösser als die Leistung am Wirkwiderstand (P) und an der Induktivität (QL).
Sie ist hingegen kleiner als die Summe der beiden Teilleistungen.
Die in der Induktivität erzeugte Induktionsspannung hat zur Folge, dass die anliegende Spannung U
und der durch die Schaltung fliessende Strom nicht zur selben Zeit ihre Maximal- wie auch Minimalwerte erreichen. Die gesamte Schaltung erfährt eine Phasenverschiebung. Kennzeichnend dafür
nennt man die Gesamtleistung Scheinleistung S. Sie kann aus der Wirk- und Blindleistung berechnet
werden.
Darstellen lassen sich die drei Leistungen in einem rechtwinkligen Dreieck (Leistungsdreieck). Für allfällige Berechnungen nutzt man den Satz des Pythagoras und die trigonometrischen Funktionen.
Der Begriff Leistungsfaktor bezieht sich auf dieses Dreieck (deshalb Leistungs…). Der zweite Teil …faktor
besagt, dass die Hypotenuse des Dreieckes multipliziert mit diesem Faktor, die Grösse der Wirkleistung ergibt. Da die Wirkleistung die Ankathete des Winkels  (phi) darstellt, entspricht der Leistungsfaktor dem cos (Kosinus des Winkels phi).
Um das Beschriebene besser verstehen zu können, dient das Zahlenbeispiel auf der nächsten Seite.
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Gesucht: Leistungsdreieck
Leistungsfaktor
I
IR 8.6A
230V/50Hz
R
IL
L
143.47mH
XL =  • L = 2 •  • 50Hz • 0.14347H = 45.072
IL =
U
230V
=
= 5.103A
XL 45.072
I = IR 2 + IL 2 =
 8.6A  +  5.103A 
2
2
= 10A
Stromdreieck:
U (Netzspannung)
IR
Msst.: 1cm = 1A

IL
I
Wirkleistung P = U • IR = 230V • 8.6A = 1'978W
induktive Blindleistung QL = U • IL = 230V • 5.103A = 1'173.67Var
Scheinleistung S = U • I = 230V • 10A = 2'300VA
Leistungsfaktor cos =
P 1'978W
=
= 0.86 
 30.68°
S 2'300VA
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Leistungsdreieck:
P
Msst.: 1cm = 177.5W

177.5Var
177.5VA
QL
S
Kontrolle S = P2 + QL 2 =
1'978W  + 1'173.67Var 
2
2
= 2'300VA
Verbesserung des Leistungsfaktors cos:
Die Verbesserung des Leistungsfaktors am Motor selbst kann nur durch den Motorenhersteller erreicht werden. Wir können jedoch durch Einbau von Kondensatoren die erforderliche Blindleistung
jeweils zwischenspeichern, sodass sie nicht komplett vom Netz des Energielieferanten bezogen werden muss.
Wird keine Leistungsfaktorverbesserung vorgenommen, werden die Übertragungseinrichtungen des
Netzbetreibers nicht nur mit Wirkleistung, sondern auch mit Blindleistung belastet. Auch wenn die
induktive Blindleistung wieder zurückgegeben wird, fliessen über die Einrichtungen Stromstärken
entsprechend der Scheinleistung. Dieser Strom ist wiederum abhängig von den Einzelleistungen
(Wirkleistung und induktive Blindleistung; siehe Strom- und Leistungsdreieck).
Die Stromstärke ist für die Dimensionierung der Übertragungskomponenten wie Generatoren, Transformatoren, Verteilungen, Leiterquerschnitte usw. massgebend. Zudem verursacht der Strom Wärmeverluste. Um zu verhindern, dass der induktive Blindleistungsanteil unverhältnismässig hohe Netzbelastungen verursacht, stellt der Netzbetreiber ab einem bestimmten Mengenbezug – im Verhältnis zur
Wirkenergie – den Anteil in Rechnung. Dies führt automatisch dazu, dass die grossen Netzteilnehmer
ihren induktiven Blindleistungsbedarf zum grossen Teil selber zur Verfügung stellen. Dafür werden
meistens kapazitive Bauteile (Kondensatoren) verwendet. Während sich das Magnetfeld induktiver Bauteile abbaut (Rückgabe der bezogenen Energie), nimmt der Kondensator diese auf. Er lädt sich auf, baut ein
elektrisches Feld auf. Wird dann das elektrische Feld wieder abgebaut, liefert der Kondensator diese
Energie an den induktiven Verbraucher, welcher ein magnetisches Feld aufbaut. Die Blindleistung
pendelt nur noch zwischen den beiden Komponenten hin und her. Die Übertragungsstrecke zum
Netzbetreiber wird entlastet. Siehe dazu das Bild auf der nachfolgenden Seite.
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Scheinleistung
(Wirkleistungsanteil + geringer
induktiver Blindleistungsanteil)
Netzteilnehmer
M
3
Netzbetreiber
Blindleistung
XC
Wirkleistung P

Kondensator
Blindleistung QL
Blindleistung QL
Blindleistung QC
QNetz
Kompensations -
Scheinleistung S
Je nachdem, wo der resp. die Kompensations – Kondensatoren platziert werden, sind mehr oder weniger Übertragungseinrichtungen vom induktiven Blindleistungsanteil befreit. Man teilt die verschiedenen Kompensationsarten ein in:
 Einzelkompensation (durch Reihenkompensation oder Parallelkompensation)
 Gruppenkompensation und
 Zentralkompensation.
Die Bezeichnung Kompensieren bedeutet, die induktive Blindleistung durch kapazitive Blindleistung ausgleichen. Dafür gibt es 2 Möglichkeiten (Kondensatoren und umlaufende Phasenschieber).

Wirkleistung P
neue Scheinleistung S
Blindleistung QL
Scheinleistung S
Blindleistung QL
Eine weitere Variante zur Verbesserung des Leistungsfaktors ist der Anschluss zusätzlicher Wirkleistung. Dabei gilt zu beachten, dass Wirkleistung nicht absichtlich hinzu geschaltet wird. Benötigt beispielsweise ein Industriebetrieb für seine Verfahrensanlagen viele elektrisch betriebene Heizungen,
verbessert sich der Gesamtleistungsfaktor automatisch.
Viele Lehrmittel / Bücher
zeichnen die induktive Blindleistung stets senkrecht nach
oben. Die kapazitive senkrecht nach unten.
zusätzliche Wirkleistung P
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3
Wird der Motor in Sternschaltung an das 230V/400V Netz angeschlossen, beträgt seine
1
Leistung noch /3 der Leistung in Dreieckschaltung.
PStern ab =
=
PN 5'500W
=
= 1'833.3W
3
3
PN
PDreieck
=
PN
U• I• 3 • cos
PStern = U • I• 3 • cos =
I=
=
5'500W
400V •11A • 3 • 0.86
= 0.839
PStern ab
PStern ab

I =

 • U • 3 • cos
1'833.3W
0.839 • 400V • 3 • 0.86
= 3.66A 
 Kontrolle IStern =
IDreieck 11A
=
= 3.66A
3
3
Spannungsfall:
U=
U% • UN 5% • 400V
=
= 20V
100%
100%
Spannungsfall  Pumpenbetrieb in Dreieckschaltung:
A=
 • • 3 • I• cosφ
=
U
0.0175
mm2
• 128m • 3 • 11A • 0.86
m
= 1.835mm2
20V
Querschnitt aufgrund des Spannungsfalls zu klein 
 2.5mm2
Spannungsfall  Pumpenbetrieb in Sternschaltung:
A=
 • • 3 • I• cosφ
=
U
0.0175
mm2
• 128m • 3 • 3.66A • 0.86
m
= 0.61mm2
20V
Querschnitt aufgrund des Spannungsfalls ausreichend 
1.5mm2
4
Siehe bei den werbenden Unternehmungen nach!  Sie sind die Profis!
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Zusatz für Profis
L1
L2
L3
N
PE
F...
Überstromunterbrecher
U Netz
(Leitungsschutz)
Q...
Schütz
t
(„Hauptschalter“)
anstelle Netzdrossel
 Netzfilter
R...
Netzdrossel
(Kombination aus Funkentstörfilter und Netzdrossel)
FU mit Spannungszwischenkreis
T...
L1 L2 L3 PE
Start /
Stopp
Freigabe
rechts /
links
t
Drehzahl
(Frequenz)
Steuerung / Regelung
Störung
weitere Steuersignale wie Maximalstrom, maximales Drehmoment, Spannungsrampe, ...
U Zwischenkreis
T1
T2
U
V
W PE
U Last
evt. Ferrit – Ringe
oder Motorfilter
t
(ausgangsseitig FU)
X...
PWM
M
3
 Pulsweitenmodulation
M...
Drehstromasynchronmotor mit Wicklungsschutz
(Thermistoren)
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Überstromunterbrecher:
Die erforderliche Grösse der Überstromunterbrecher lässt sich aus den
Herstellerunterlagen des Frequenzumrichterlieferanten entnehmen. Für
unser Beispiel (5.5kW Motor) muss mit einem Überstromunterbrecher von
2
20A gerechnet werden. Die Verdrahtung hat mit > 4mm Kupferlitze zu
erfolgen.
Schütz:
Ist so zu sagen der Hauptschalter. Damit lässt sich der Stromkreis vom
Netz galvanisch trennen.
Netzdrossel (DS – Drossel):
Die Netzdrossel reduziert den Oberschwingungsanteil und begrenzt allfällige Netzrückwirkungen. Zugleich entkoppelt sie andere Netzteilnehmer mit dem FU – Stromkreis. Da ein Netzfilter solche Störungen noch
besser zu vermindern vermag, wird z.T. auch anstelle einer Netzdrossel
ein Netzfilter eingesetzt. Netzfilter beinhalten unter anderem bereits die
Netzdrossel.
Die Montage sollte in unmittelbarere Nähe des FU‘s erfolgen, damit die Anschlussleitungen zwischen Netzdrossel / Netzfilter und FU möglichst kurz sind!
Frequenzumrichter (FU):
Der Leistungsteil eines Frequenzumrichters besteht aus einem Netzgleichrichter, Zwischenkreis und einem Wechselrichter.
Diodengleichrichter:
Der Diodengleichrichter (Sechspuls – Brückengleichrichter B6U) erzeugt aus der
Netzspannung eine Gleichspannung. Je nach Stromrichterausführung erfolgt die Gleichrichtung ungesteuert, d.h. netzgeführt (siehe Bild) oder die
Eingangsspannung lässt sich steuern.
Zwischenkreis:
Die gleichgerichtete Spannung wird im Zwischenkreis durch Elektrolyt –
Kondensatoren geglättet und gepuffert. Solche Zwischenkreise nennt
man Gleichspannungszwischenkreis. Sie bewirken eine Entkopplung
vom speisenden Netz, sodass die Ausgangsfrequenz bis auf ein mehrfaches der Eingangsfrequenz gesteigert werden kann. Zudem stellen die
Kondensatoren mit dem Motorenstromrichter (WR) die vom Motor benötigte Blindleistung (Magnetisierungsblindleistung) zur Verfügung. Das Netz wird
dadurch vom induktiven Blindleistungsanteil entlastet.
IGBT – Wechselrichter:
Der IGBT – Wechselrichter (insulated gate bipolar transistor = bipolarer Transistor
mit isolierter Gate – Elektrode  nahezu leistungslose Ansteuerung, gutes Durchlassver-
erzeugt aus
der Zwischenkreisgleichspannung eine in Frequenz und Amplitude einstellbare Dreiphasen – Ausgangsspannung (selbstgeführter WR). Dabei
schaltet der Steuerkreis die IGBT’s nach einem bestimmten Modulationsverfahren ein und aus (Taktfrequenz ca. 20kHz bis 40kHz).
halten, robust gegenüber Kurzschlüssen, hohe Sperrspannung möglich, ...)
Ferrit – Ringe:
Ferrit – Ringe werden eingesetzt, um die hochfrequenten EMV – Störaussendungen über das Motorenkabel zu verringern.
Montage möglichst nahe am FU – Ausgang und vor einem allfälligen Motorfilter. Jeder
Aussenleiter wird einmal durch einen Ferrit – Ring gesteckt und der Schirm des Motorkabels mit Schirmschellen auf die Montageplatte aufgelegt.
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Motorfilter:
Motorfilter werden i.d.R. nur für empfindliche Motoren eingesetzt. Der
Filter dient zum Schutz des angeschlossenen Motors vor zu grossen
Spitzenspannungen und zu hoher Spannungsanstiegsgeschwindigkeit.
Für neue Motoren ist der Einsatz von Motorfilter meist nicht mehr erforderlich. Sie werden häufig für ein Nachrüsten bei alten Motoren noch
verwendet.
Motorkabellänge:
Die Länge des Motorenkabels ist begrenzt. Die Kabelkapazität wirkt sich
negativ auf die Belastung und Regelung des Frequenzumrichters aus.
Auch dafür liefert der FU – Hersteller hilfreiche Informationen. So kann
z.B. stehen, dass ohne Einsatz eines Motorenfilters die Kabellänge 50m
betragen darf, mit Motorenfilter dürfen es 150m sein.
Steuerung / Regelung:
Frequenzumrichter sind mikroprozessorgesteuert. Damit ist gewährleistet, dass eine Abstimmung zwischen den Betriebsanforderungen des angeschlossenen Motors und der WR – Leistungsstufe optimale erfolgt.
Allgemeines:
Je nach Motorengrösse und FU – Ausführungsform lässt sich die beim Bremsen vom Motor freiwerdende elektrische Energie in den Zwischenkreis rückspeisen. Eine Weiterleitung dieser Energie in das
Netz ist ebenfalls möglich. Dafür ist aber ein vollgesteuerter Gleichrichter erforderlich.
Aus Kostengründen werden für kleinere Antriebe Bremswiderstände verwendet. Sie setzen die beim
Abbremsen vom Motor erhaltene Elektrizität in Wärme um. Dieser Bremswiderstand ist normalerweise extern anzuschliessen, damit die Wärme nicht im FU erzeugt wird.
Ein am Gleichspannungszwischenkreis angeschlossener Brems – Chopper (häufig im FU schon integriert)
überwacht die Spannungshöhe. Überschreitet die Zwischenkreisspannung einen eingestellten
Schwellwert, schaltet der Brems – Chopper den Bremswiderstand an den Zwischenkreis. Der Widerstand entnimmt aus dem Zwischenkreis (Kondensatoren werden entladen) so viel Energie, bis ein eingestellter unterer Schwellwert erreicht wurde. Nun unterbricht der Brems – Chopper den Stromkreis zum
Bremswiderstand wieder.
FU mit Gleichspannungszwischenkreis sind leerlauffest. Sie können von der Last getrennt werden,
ohne dass sie einen Schaden erleiden. Auch sind sie für beide Drehrichtungen geeignet. Der Frequenzstellbereich liegt in der Grössenordnung von 0Hz bis 500Hz. Der Leistungsbereich zwischen
0.5kVA und ca. 3‘000kVA.
ACHTUNG: Bei Standardmotoren wird der Lüftungsventilator durch die Motorenwelle angetrieben. Bei niedriger Drehzahl ist die Kühlung nicht mehr gewährleistet. Evt.
müssen Fremdlüfter eingesetzt werden.
Der Autor hat jegliche Sorgfalt walten lassen, um korrekte Informationen / Daten / Bilder etc. zu publizieren. Für allfällige
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