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Auslegung elektrischer Antriebe

 

Auswahl der Netzeinspeisung

Klassische Stellgeräte sind als Komplettgeräte ausgeführt. Sie beinhalten neben dem motorseitigen Leistungsteil wie Pulssteller oder Wechselrichter auch die Netzeinspeisung. Die Auslegung dieser Stellgeräte erfolgt auf Basis des vom Motor zu realisierenden Lastspiels. Eine getrennte Auslegung der Netzeinspeisung ist nicht erforderlich.

Bei modularen Stellgeräten ist die Situation anders. Diese Geräte werden für mehrachsige Anwendungen eingesetzt und bestehen aus Pulsstellern bzw. Wechselrichtern zur Ansteuerung der Motoren und einer separaten Einspeisung. Die Einspeisung wandelt die Wechselspannung des speisenden Netzes in eine Gleichspannung (Zwischenkreisspannung) um und stellt sie den Pulsstellern und Wechselrichtern zur Verfügung.

In diesen modularen Systemen muss die Einspeisung nach Auslegung der Pulsteller und Wechselrichter in einem eigenen Projektierungsschritt ausgewählt werden.
Die Einspeisung ist so auszuwählen, dass in allen Betriebsfällen des Antriebsverbandes ausreichend Energie aus dem Netz in den Zwischenkreis eingespeist werden kann. Ist die Einspeisung zu klein dimensioniert, bricht bei entsprechender Belastung die Zwischenkreisspannung zusammen und der gesamte Antriebsverband fällt aus.

Thermisches Modell

Die Einspeisung unterscheidet sich im Aufbau nicht grundsätzlich von anderen Stellgeräten. Auch sie besteht unter thermischen Gesichtspunkten aus

• Leistungshalbleitern, die in einem Leistungsmodul untergebracht sind,
• einer Kupferplatte, mit der die Leistungshalbleiter thermisch verbunden sind und die das Leistungsmodul abschließt und
• einem Kühlkörper, der mit der Kupferplatte des Leistungsmoduls thermisch verbunden ist.

Dementsprechend kann das gleiche thermische Modell wie bei den Stellgeräten verwendet werden. Die thermischen Zeitkonstanten liegen in den gleichen Größenordnungen.

Auslegung nach Leistungsaufnahme

Die Verlustleistung, die in der Einspeisung anfällt, ist vom Betrag des fließenden Netzstromes abhängig. Der Netzstrom wird wiederum von den Lastspielen der am Zwischenkreis angeschlossenen Wechselrichter und Pulssteller bzw. der Motoren bestimmt. Der Zusammenhang zwischen dem Netzstrom und den Motorströmen läßt sich am besten über eine Leistungsbetrachtung herstellen:

Die Einspeisung muss die Leistung aus dem Netz aufnehmen und in den Zwischenkreis einspeisen,

• die die Motoren als mechanische Leistung abgeben und
• die im System als Verlustleistung anfällt.

Bei dieser Betrachtung wird die Zwischenkreisspannung als konstant angenommen, so dass keine Leistung zum Laden und Entladen der Zwischenkreiskapazität erforderlich ist.
Geht man weiterhin von einer konstanten Netzspannung und einem konstanten Leistungsfaktor der Einspeisung aus, so ist die aufgenommene Leistung dem fließenden Eingangsstrom proportional.

INetz ~ P

Die von der Einspeisung aufgenommene Leistung kann damit als Eingangsgröße für die Projektierung verwendet werden. Sie ist ein Maß für die in der Einspeisung anfallenden Verluste. Dementsprechend geben die Hersteller die zulässigen Lastspiele der Einspeisung auch als eine Funktion der Leistung über der Zeit an:

• Die Bemessungsleistung PB gibt die Wirkleistung an, die die Einspeisung dauerhaft abgeben kann.
• Die Maximalleistung Pmax gibt die maximale Wirkleistung an, die die Einspeisung kurzzeitig abgeben kann. Oft wird auch ein Überlastfaktor angegeben, mit dem die Bemessungsleistung multipliziert werden muss. Der Überlastfaktor entspricht im allgemeinen dem der zugehörigen Wechselrichter oder Pulssteller.
• Die Grundlastleistung gibt die zulässige Wirkleistung an, aus der heraus das Stellgerät für eine gewisse Zeit die Maximalleistung abgeben kann. Die Grundlastleistung wird auch als Vorlast bezeichnet.

Hinweis:
Zu beachten ist, dass sich die Leistungsangaben der Hersteller auf eine bestimmte Höhe der Netzspannung beziehen. Wird die Einspeisung mit abweichenden Netzspannungen betrieben, ändern sich auch die Leistungsangaben proportional zur Höhe der Netzspannung.
Insbesondere temporäre Netzunterspannungen, die im praktischen Betrieb immer wieder auftreten, führen zu einer Leistungsreduktion der Einspeisung. Dieser Fakt ist durch einen Sicherheitsfaktor bei der Auslegung zu berücksichtigen. Die Einspeisung sollte deshalb mindestens 10% überdimensioniert werden.
Zusätzlich sind Deratingfaktoren, die sich aus einer abweichenden Aufstellhöhe und erhöhten Umgebungstemperatur ergeben zu berücksichtigen.