G120-Frequenzumrichter und Asynchronantrieb in Stern- und Dreieckschaltung

[SCLer]

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Guten Tag geehrte Mitglieder,
ich habe diese Woche einen Test durchführen wollen. Dabei bremse ich einen Asynchronantrieb mit einem Servoantrieb ab. (Teil meiner Bachelorarbeit).
Über den Servoantrieb lese ich das dazu benötigte Drehmoment, das der Servoantrieb dabei aufbringen muss, aus. Stellt man nun das Drehmoment über der Drehzahl dar, ergibt sich eine M/n-Kennlinie. Diese sollte dann fast identisch mit der des Asynchronantrieb sein.

Diesen Vorgang habe ich einmal mit:
Stern-Schaltung am Asynchronantrieb und entsprechender Parametrierung bzw. Inbetriebnahme des G120-Frequenzumrichters und
Dreieckschaltung am Asynchronantrieb und entsprechender Parametrierung bzw. Inbetriebnahme des G120-Frequenzumrichters
getestet.

Grundsätzlich habe ich erwartet, dass das Drehmomen im Dreieck um das Dreifache höher als im Stern ist. Dazu muss ich allerdings erwähnen, dass der Asynchronantrieb im Stern mti 400 V und im Dreieck nur mit 230 V betrieben werden darf. Die Spulen dürfen also nur mit U_LL=230 V belastet werden.

Bei mir stellt sich die Verdreifachung des Drehmoments nicht ein. Liegt das am Frequenzumrichter, der entsprechend runtersteuert, oder liegt das am Asynchronantrieb, da dieser Antrieb eigentlich hauptsächlich im Stern betrieben wird (im starren Netz).

Mein Hardware:
S120-Frequenzumrichter, CU 310-2 PN, PM240-2
G120-Frequenzumrichter, CU 250S-2 PN, PM240-2
1FK7 Servoantrieb, 300W
Asynchronantrieb, 400V/230V, Y/Dreieck, 250W

Ich hoffe, dass man versteht was ich mein.

Danke schonmal.

 

[Dekuika]

Da Du bei beiden Konfigurationen eine Strangspannung von 230 Volt hast, kann das Drehmoment nicht kleiner sein.
Edit: Das kleinere Drehmoment beruht darauf, dass 400 Volt Spulen nur mit 230 Volt betrieben werden. Y/D Anlasser.

 

[Plan_B]

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Der Drehmomentunterschied ergibt sich in Deinem Versuchsaufbau über 50 Hz.
In Sternschaltung mit Un=400V gerät der Motor ab 50Hz in den Feldschwächebereich und kann das Moment nich aufrechterhalten.
Im Dreieckbetrieb mit Un=230V kann der Umrichter bis 87Hz die Spannung auf 400V erhöhen. Dadurch fällt das Moment erst ab da ab. Rate mal, welchen Namen das Kind hat.

 

[SPS-Totalizer]

Bei mir stellt sich die Verdreifachung des Drehmoments nicht ein. Liegt das am Frequenzumrichter, der entsprechend runtersteuert, oder liegt das am Asynchronantrieb, da dieser Antrieb eigentlich hauptsächlich im Stern betrieben wird (im starren Netz).

Hier mal ein kleines bischen Mathematik:
Pw = U * I * Wurzel3 ( * CosPhi {a}) also Speisespannung * Leiterstrom * 1,73 was zunächst einmal unabhängig
von der Schaltungsart ist (Im Prinzip könnte man auch Rechnen: Strangspannung * Strangstrom * 3 ( * CosPhi {a}).

Das die Leistung bei Stern und Dreieck gleich ist liegt an folgendern Tatsachen (Annahme Strangstrom 10A):
1. Sternbetrieb
Hier ist der Strangstrom gleich dem Leiterstrom, jedoch die Strangspannung ist Leiterspannung / 1,73
Also: 10 A * (400 V / 1,73) * 3 ( * CosPhi {a}) wobei 3 / 1,73 = 1,73 ergiebt d.h. 10 * 400 * 1,73 = 6,920 kW
2. Dreieckbetrieb
Hier ist der Strangstrom Leiterstrom /1,73 , jedoch die Strangspannung gleich Leiterspannung
Also: (10 A / 1,73) * 400 V * 3 ( * CosPhi {a}) wobei 3 / 1,73 = 1,73 ergiebt d.h. 10 * 400 * 1,73 = 6,920 kW

{a} Im Umrichterbetrieb fällt der CosPhi nur sehr gering bis gar nicht ins Gewicht.
Darüber hinaus wurden hier auch der Wirkungsgrad eta sowie die Umrichter und Filterverluste vernachlässigt)

Im Dreieckbetrieb mit Un=230V kann der Umrichter bis 87Hz die Spannung auf 400V erhöhen. Dadurch fällt das Moment erst ab da ab. Rate mal, welchen Namen das Kind hat.

Diese Schaltung ist ein Sonderfall, da sie nur im Umrichterbetrieb möglich ist. Dabei kann der Motor tatsächlich bei
87 Hz etwa die 1,73- fache Leistung erbringen. Dies ist aber nur möglich wenn der Umricher für mindestens das
1,73 - fache der Motorleistung augelegt ist (höherer Strom)! Also im Falle eines z.B. 5,5 kW Motors ist
mindestens ein 9,5 kW Umrichter (vermutlich 11 kW, da es 9,5 normal nicht giebt) erforderlich!

Gruß


A.

 

[Plan_B]

der Motor tatsächlich bei
87 Hz etwa die 1,73- fache Leistung

Was sich aber nicht in einer Änderung des Spitzenmoments, sondern nur in der "Verlängerung" der Nennmomentlieferfähigkeit bei höheren Drehzahlen auswirkt.

Der Faktor 1,73 ist zudem das theoretische Maximum, denn das wird nur bei kleinen Antrieben erreicht. Bei grossen Antrieben funktioniert das nicht ganz so gut aufgrund der höheren Wicklungsinduktivität.

PS: Steht im Prinzip alles in diesem berühmten Einzeiler:

P = M * n / 9550​

 

[PePe44]

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Hallo SCLer,

wie Plan_B im vorherigen Beitrag schreibt wird das Moment von Drehzahl und Leistung bestimmt.

Überprüfe die Typenschilder. Wie ist die Nenndrehzahl des Asynchronmotor? Irgendas zwischen 1300 und 1500? dann ist das Dauermoment ca.
0,25kW*9550/1500 = 1,59Nm. Bei 2800 - 3000rpm ist es die Hälfte, bei 700 - 750rpm das Doppelte

Der Servomotor hat üblicherweise ein Spitzenmoment von 3 x Nennmoment. Servoverstärker und Motor sind hierfür ausgelegt.
Ein Asynchronmotor hat, von wenigen Sonderausführungen abgesehen, auch ein Spitzenmoment, das gibt der Hersteller an, (liegt kurz vor dem Kippmoment aber bitte nicht noch ein weiterer Wert ). Dafür muss der Umrichter dann einen Spitzenstrom bringen.

Im Dauerbetrieb ist nur das Nennmoment abrufbar, beim Asynchron und beim Servo. Spitzen sind zeitlich begrenzt.

Schönen ersten Advent

 

[SPS-Totalizer]

Was sich aber nicht in einer Änderung des Spitzenmoments, sondern nur in der "Verlängerung" der Nennmomentlieferfähigkeit bei höheren Drehzahlen auswirkt.

Sorry,
hatte ich eigentlich vorausgesetzt, dass man weiß ,das die höhere Leistung durch die höhere Drehzahl entsteht.

Der Servomotor hat üblicherweise ein Spitzenmoment von 3 x Nennmoment. Servoverstärker und Motor sind hierfür ausgelegt.
Ein Asynchronmotor hat, von wenigen Sonderausführungen abgesehen, auch ein Spitzenmoment, das gibt der Hersteller an, (liegt kurz vor dem Kippmoment aber bitte nicht noch ein weiterer Wert ). Dafür muss der Umrichter dann einen Spitzenstrom bringen.

Ich hoffe euch ist schon Klar, dass im Umrichterbetrieb andere Regeln gelten als im Netzbetrieb.

1. Schlupf (Synchronabweichung):
Wenn zum Beispiel eine Nenndrehzahl von 1350 min-1 angegeben ist, so bedeutet dies das im Netzbetrieb bei
einer 2-Polpaarigen Maschine ein Schlupf von 1500 - 1350 = 150 min-1 (also ca 10%) besteht.
Im Umrichterbetrieb (G120) ohne Geberrückkopplung (Vektorbetrieb) wir dieser Schlupf meist nur noch ca. 1% betragen
mit Geberrückkopplung sogar nahezu 0%. D.H. er läuft nahezu mit Synchrondrehzahl.
Die vorher genannte Ständerinduktivität spielt dabei nicht die gleiche Rolle wie beim Netzbetrieb.
Zum Teil ist dies auch über die Chopper- (Puls-) Frequenz, die ja meistens bei ca 4 - 8 kHz liegt
(kann auch 2 - 16 kHz sein) begründet.

2. Motorleistung
Die Nennleistung im Netzbetrieb und im Umrichterbetrieb sind nicht ganz gleich.
Da der Cos-Phi im Umrichterbetrieb nahezu in Richtung 1 verbessert wird ist auch die
Leistungskurve eine andere.
Dies ist auch der Grund, das bei Motoren die von vorne herein für Umrichterbetrieb vorgesehen
sind (Speziell bei Asynchronmotoren) in der Regel die Leistung enweder gar nicht oder nur als
Auswahl-Hilfsreferenzwert angegeben wird (zumindest bei Serösen Herstellern).

3. Umrichterleistung (Norm&Peek)
Zwar ist es Richtig, dass praktisch alle Umrichter eine PEEK-Leistung zwischen 150 - 300 % der Nominalleistung
zur verfügung stellen, jedoch ist diese zeitlich beschränkt.
Hier ein Auszug für einen 2,2 kW G120 Umrichter:

Überlastfähigkeit

Low Overload (LO)
1,1 × Bemessungsausgangsstrom (d. h. 110 % Überlast) während 57 s bei einer
Zykluszeit von 300 s 1,5 × Bemessungsausgangsstrom (d. h. 150 % Überlast)
während 3 s bei einer Zykluszeit von 300 s

High Overload (HO)
1,5 × Bemessungsausgangsstrom (d. h. 150 % Überlast) während 57 s bei einer
Zykluszeit von 300 s 2 × Bemessungsausgangsstrom (d. h. 200 % Überlast)
während 3 s bei einer Zykluszeit von 300 s

Im Prinzip gilt der Wert für LO-Overload, da der Umrichter bei High Overload mit einer kleineren
kW-Zahl angegeben ist.

Gruß


A.

 

[SPS-Totalizer]

Guten Tag geehrte Mitglieder,
ich habe diese Woche einen Test durchführen wollen. Dabei bremse ich einen Asynchronantrieb mit einem Servoantrieb ab. (Teil meiner Bachelorarbeit).
Über den Servoantrieb lese ich das dazu benötigte Drehmoment, das der Servoantrieb dabei aufbringen muss, aus. Stellt man nun das Drehmoment über der Drehzahl dar, ergibt sich eine M/n-Kennlinie. Diese sollte dann fast identisch mit der des Asynchronantrieb sein.

Mal was Grundsätzliches:
Ich hoffe euch ist schon klar, dass man im Umrichterbetrieb nur schwer bis gar nicht die Motoreigenschaften im
Netzbetrieb nachstellen kann.
Sollte also das Ziel sein die Motoreigenschaften im Netzbetrieb zu ermitteln so würde dieser Aufbau
schwer hinken.


Gruß

A.

 

[Plan_B]

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Wenn zum Beispiel eine Nenndrehzahl von 1350 min-1 angegeben ist, so bedeutet dies das im Netzbetrieb bei
einer 2-Polpaarigen Maschine ein Schlupf von 1500 - 1350 = 150 min-1 (also ca 10%) besteht.
Im Umrichterbetrieb (G120) ohne Geberrückkopplung (Vektorbetrieb) wir dieser Schlupf meist nur noch ca. 1% betragen
mit Geberrückkopplung sogar nahezu 0%. D.H. er läuft nahezu mit Synchrondrehzahl.

Noch einer, der die Physik austricksen will.
Bei einer Asynchronmaschine wird nur bei Schlupf der entsprechende Strom für die Magnetisierung des Rotors induziert.
Bei Nennmoment hat er auch den Nennschlupf.
Eine aktivierte Schlupfkompensation am Umrichter bewirkt eine Anhebung der Ausgangsfrequenz, um die Solldrehzahl entsprechend zu erreichen.
Schaust Du die Ausgangsfrequenz des FU bei Nennlast an, wirst Du an der 4poligen Maschine bei 1500 UpM Istdrehzahl eine Ausgangsfrequenz am FU von ~51,2..8 Hz feststellen.
Der Schlupf ist essentiell für die Funktion des Asynchronmotors. Ohne Schlupf kein Drehmoment.
Ohne Geberführung wird der Wert aus dem Vektormodell und der Belastung mehr oder minder geschätzt. Mit Geberführung ists ja einfach.

Die Nennleistung im Netzbetrieb und im Umrichterbetrieb sind nicht ganz gleich.
Da der Cos-Phi im Umrichterbetrieb nahezu in Richtung 1 verbessert wird

Die Phasenverschiebung liegt in der Induktivität begründet und ist ebenfalls eine grundlegende Eigenschaft des Motors. Seriose Umrichter können Dir den aktuellen Verschiebefaktor ausgangsseitig anzeigen.
Eingangsseitig am Umrichter ist der cos nahe 1 - völlig korrekt. Dafür haste Lambda - den Verzerrungsfaktor.

Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie lässt sich so tatsächlich nicht darstellen, da diese ja von einer konstanten Drehfelddrehzahl ausgeht. Genau deswegen sieht die im Umrichterbetrieb mit variabler Frequenz auch anders aus. Die grundlegenden Prinzipien bleiben aber die gleichen.

 

[SPS-Totalizer]

Noch einer, der die Physik austricksen will.
Bei einer Asynchronmaschine wird nur bei Schlupf der entsprechende Strom für die Magnetisierung des Rotors induziert.
Bei Nennmoment hat er auch den Nennschlupf.

Ich mach seit über 30 Jahren Antribstechnik,
und stelle immer wieder fest, das scheinbare Theorie und Praxis wohl von einander abweichen.
Sprich doch einmal mit einem Spezialisten eines seriösen Umrichtrerherstellerers uber dieses Thema
(z.B. SEW, Siemens oder ABB u.v.a.). Es könnte durchaus sein, das du eine Uberraschung erlebst.

Vektorregelung ist übrigens schon ein bischen mehr als nur Schätzung.
Diese Technik ähnelt im Grundprinzip einer I*R Regelung bei Gleichstrommotoren.
Zugegeben in ihren Anfängen war Sie meist sehr grob (90er) und damit unpräzise.
Heute befinden wir uns hier in der qusi 3. Generation dieser Technik, so das diese mitlerweile
schon sehr nah an geberbehaftete Drehzahlregelungen herankommt.

Natürlich ist die Ständeriduktivität der wesentliche Schlüssel zu dieser Regelungsart!

Übrigens so weit mir bekannt steht die qusi 4. Generation schon in den Startlöchern,
dann soll auch eine Geberlose Profilpositionierung möglich sein
(Hab ich zumindest von SEW gehört). Da ich jedoch noch keine Anwendung mit dieser
Technik umgesetzt habe kann ich dazu noch nicht viel sagen, ich könnte mir aber
vorstellen, dass hier ein wenig das Schrittmotorprinzip angewendet wird.

Die Phasenverschiebung liegt in der Induktivität begründet und ist ebenfalls eine grundlegende Eigenschaft des Motors.

Dies ist zwar Grunsätzlich Richtig, aber bitte nicht vergessen: Es handelt sich hier nicht um einen reinen Sinusbetrieb
sondern um eine PWM-Modulation (wie vorher schon erwähnt). Eine Ausnahne stellt hier ein Wenig die
Verwendung eines Sinus-Filters (in der Motorleitung) dar.

Gruß

A.

 

[Plan_B]

Ich mach seit über 30 Jahren Antribstechnik,
und stelle immer wieder fest, das scheinbare Theorie und Praxis wohl von einander abweichen.

Lass mich an Deinem Wissen bzgl. der Schlupfkompensation teilhaben.
Ich hab noch keinen Umrichter in den Fingern gehabt, der nicht die Ausgangsfrequenz anhebt um die Schlupfdrehzahl zu kompensieren.
Ich bin mir sicher, dass Dir der Nobelpreis Physik zusteht, wenn Du einen ASM ohne Schlupf betreiben kannst.
Was PWM angeht: Ja die Spannung. Die Induktivität des Motors bügelt aber den Strom in Richtung Sinus. Ein Sinusfilter bügelt auch die Spannung rund. Ob mit oder ohne Filter macht ansteuerseitig keinen Unterschied. Ja, über das Vektormodell kann da was aufmoduliert werden, was den Antrieb etwas folgsamer macht. Ob mit oder ohne Filter hat ledoglich Auswirkungen auf die Taktfrequenz um die Elkos nicht zu sprengen.
Ausserdem reduziert der Spannungsfall am Filter geringfügig das max. Moment.

Geberloser Positionierbetrieb geht schon. Is aber noch was für Spezis. Mit Geber ist im Kopf schlicht einfacher und nachvollziehbarer. Vor allem wenn was quer läuft.

 

[Plan_B]

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Aus dem Manual eines G120

Parameterbereich:

Warnungen:

Fehler:

Nummer im Funktionsdiagramm:

Bei der Betriebsart mit U/f-Kennlinie ist die Motorfrequenz immer um die Schlupffrequenz f

kleiner als die Umrichterausgangsfrequenz. Wird die Last bei konstanter Ausgangsfrequenz

erhöht (Lasterhöhung von M1 auf M2), dann erhöht sich der Schlupf und die Motorfrequenz

nimmt (von f1 auf f2) ab. Dieses für einen Induktionsmotor typische Verhalten kann mit Hilfe

der Schlupfkompensation P1335 ausgeglichen werden. Diese verhindert einen durch die

Last verursachten Drehzahlabfall durch Erhöhen der Umrichterausgangsfrequenz

 

[PePe44]

Achtung, 100% OT:
Ihr steigert euch ganz schön rein.
Vermutlich wird diese merkwürdige Diskussion das Problem des TO "Drehmoment - Prüfstand" lösen.

 

[Plan_B]

So ganz ot ists ja nicht.

 

[winnman]

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ASM bleibt Asynchronmaschine (rein elektrisch gesehen) da änder auch ein Umrichter nichts dran (PUNKT)

Das man über die Feinheiten der Ansteuerung und der aus den Messwerten gewonnenen Tatsachen der ASM elektrisch was anderes liefert als 50Hz mit Spannung x, erhöht natürlich die Möglichkeiten für Drehzalkonstanz, erreichbare Drehzahlen, Drehmomente, . . .

Nur wenn man dann schaut was der Umrichter rausgibt kommt rein elektrisch betrachtet (mit Berücksichtigung des Nicht-Sinus, . . .) aber eben wieder alles das was die ASM ausmacht

 

[SPS-Totalizer]

Ihr steigert euch ganz schön rein.
Vermutlich wird diese merkwürdige Diskussion das Problem des TO "Drehmoment - Prüfstand" lösen.

Ich denke du hast recht.
Bei Aussagen wie der Nachfolgenden in Verbindung mit Vetorbetrieb fällt mir nichts mehr ein.

Bei der Betriebsart mit U/f-Kennlinie ist die Motorfrequenz immer um die Schlupffrequenz f
kleiner als die Umrichterausgangsfrequenz.

Deshalb: der klügere gibt nach und verabschiedet sich aus der Diskussion.

Gruß

A.

 

[Plan_B]

Deshalb: der klügere gibt nach und verabschiedet sich aus der Diskussion

Schade, dass Du nicht gewillt bist, meine Lücken aufzufüllen. Sicher könnte ausser mir noch wer profitieren.
Hier ein Auszug aus nem Grundlagenlehrgang.

Leider ranken sich um FU viele Mythen. Das führt dazu, dass ich und andere öfter zu Standardinbetriebnahmen fahren (tlw. >200km, wo der Kunde alles fix und fertig gemacht hat und sich nicht an die Parameter traut. In 90% der Fälle sinds Ventilatoren, wo nix an den Defaults geändert werden muss. Motorident durchführen und anschalten. Danach Rechnung schreiben und über Inflation nachdenken.

 

[Holzmichl]

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Jetzt möchte ich mich in die Diskussion auch noch einklinken.

Ist es nicht so, dass ein ASM nur bei Nennlast/Nennmoment bei Netzbetrieb die Nenndrehzahl hat und bei geringerer Last sich ein Gleichgewicht mit weniger Schlupf einstellt?
Im "Überlastbetrieb" dementsprechend mit höherem Schlupf als angegeben, da hieraus das höhere Drehmoment entsteht.
Wenn das Kippmoment erreicht ist, bleibt der Motor stehen weil der Schlupf zu viel wäre und das Drehmoment nicht geliefert werden kann.

Bei Rückspeise / Bremsbetrieb, wie man das Ganze auch nennen mag, geht der Schlupf dann in die andere Richtung und die ASM läuft dann bei z.B. 1530 U/min.

Das Ganze bezieht sich hier auf Netzbetrieb oder U/f-Betrieb.

Bei der Vector-Regelung wird dieser sich ändernde Schlupf aktiv beeinflusst.

Oder hab ich da irgendwas grundlegend falsch verstanden?

 

[Plan_B]

Aus dem Schlupf zieht der Motor die Energie für sein Dtehmoment. Völlig korrekt.
Der Schlupf ist nicht konstant. Daher kann bei wenig Schlupf/niedriegem cosphi die Ständerspannung und damit der Fluss reduziert werden. Das senkt auch die Verluste.

Aktiv ändert die Belastung den Schlupf. Die Regelung reagiert nur. Vectorcontrol kriegts schneller mit.