Chen Jingwen, Wu Yanrui, Wang Hongyan, Tian Yitao, Shaanxi Xianyang, Shaanxi University of Science and Technology 712081 Zusammenfassung: Dieser Artikel analysiert die Eigenschaften von Frequenzumrichtermotoren (FU) und liefert Auswahlkriterien für deren Einsatz in Papiermaschinenantrieben. Schlüsselwörter: Papiermaschine, FU, Motoreigenschaften 1. Einleitung FU-Motoren wurden ursprünglich für die Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren entwickelt. Ihr Aufstieg ist jedoch direkt auf die einfache Struktur, die geringen Kosten und die komfortable Drehzahlregelung herkömmlicher Asynchronmotoren zurückzuführen. Wenn FU-Motoren mit FU-Motoren kombiniert werden müssen, entsteht ein Widerspruch: Gehen die inhärente Einfachheit, Robustheit und Langlebigkeit von FU-Motoren verloren? Daher werden in diesem Artikel FU-Motoren, ihr Anwendungsbereich und ihre Anwendung in Papiermaschinen erörtert. 2. Der Einfluss von FU-Motoren und deren Wirkungsgrad Unabhängig vom verwendeten Regelungsverfahren sind die an den Motorklemmen von FU-Motoren ausgegebenen Spannungsimpulse nicht sinusförmig. Die Analyse der Betriebseigenschaften von Asynchronmotoren unter nicht-sinusförmigen Bedingungen ist daher entscheidend für die Untersuchung des Einflusses von Frequenzumrichtern auf den Motor. Die wichtigsten Aspekte sind: 1) Motorverluste und Wirkungsgrad. Motoren, die mit nicht-sinusförmigen Stromquellen betrieben werden, weisen neben den durch die Grundwelle verursachten Verlusten zahlreiche zusätzliche Verluste auf. Diese äußern sich hauptsächlich in erhöhten Kupferverlusten im Stator und Rotor sowie in Eisenverlusten, was den Wirkungsgrad des Motors beeinträchtigt. 2) Kupferverluste im Stator. Die in den Statorwicklungen auftretenden Oberwellenströme erhöhen den Strom I²R. Wird der Skin-Effekt vernachlässigt, sind die Kupferverluste im Stator bei nicht-sinusförmigem Strom proportional zum Quadrat des Effektivwerts des Gesamtstroms. Bei m1 Statorphasen und R1 Statorwiderstand jeder Phase ergibt sich der gesamte Stator-Kupferverlust P1 wie folgt: Durch Einsetzen des Effektivwerts des gesamten Statorstroms Irms, einschließlich des Grundstroms, in die obige Formel erhält man den zweiten Term, der die Oberwellenverluste darstellt. Experimente haben gezeigt, dass aufgrund von Oberwellenströmen und dem zugehörigen Streufluss die Sättigung des Streuflusses im magnetischen Kreis zunimmt, wodurch der Erregerstrom und folglich die Grundwellenkomponente des Stroms ansteigt. ② Rotor-Kupferverluste: Bei Oberwellenfrequenzen kann der Statorwicklungswiderstand im Allgemeinen als konstant betrachtet werden. Beim Rotor eines Asynchronmotors steigt der Wechselstromwiderstand jedoch aufgrund des Skin-Effekts deutlich an. Dies ist besonders ausgeprägt bei Kurzschlussläufern mit tiefen Nuten. Bei Synchronmotoren oder Reluktanzmotoren, die mit sinusförmiger Leistung betrieben werden, ist die magnetomotorische Kraft im Statorraum aufgrund von Oberwellen sehr gering, und die Verluste in den Rotorwicklungen sind vernachlässigbar. Wird ein Synchronmotor mit einer nicht-sinusförmigen Stromversorgung betrieben, induziert die zeitliche Harmonische der magnetomotorischen Kraft (MMO) – ähnlich wie bei einem Asynchronmotor nahe seiner synchronen Grunddrehzahl – Oberwellenströme im Rotor. Die gegenläufige MMO der 5. und die vorwärtslaufende MMO der 7. Harmonischen induzieren jeweils Rotorströme mit der sechsfachen Grundfrequenz; bei einer Grundfrequenz von 50 Hz beträgt die Rotorstromfrequenz 300 Hz. Analog dazu induzieren die 11. und 13. Harmonische Rotorströme mit der zwölffachen Grundfrequenz, also 600 Hz. Bei diesen Frequenzen ist der tatsächliche Wechselstromwiderstand des Rotors deutlich höher als sein Gleichstromwiderstand. Die tatsächliche Erhöhung des Rotorwiderstands hängt vom Leiterquerschnitt und der Geometrie der Rotornuten ab, in denen die Leiter angeordnet sind. Bei einem typischen Kupferleiter mit einem Aspektverhältnis von etwa 4 beträgt das Verhältnis von Wechselstromwiderstand zu Gleichstromwiderstand 1,56 bei 50 Hz, etwa 2,6 bei 300 Hz und etwa 3,7 bei 600 Hz. Bei höheren Frequenzen steigt dieses Verhältnis proportional zur Quadratwurzel der Frequenz. ③ Harmonische Eisenverluste: Die Kernverluste eines Motors steigen auch aufgrund von Oberschwingungen in der Versorgungsspannung. Die verschiedenen Oberschwingungen des Statorstroms erzeugen zeitlich harmonische magnetomotorische Kräfte im Luftspalt. Die gesamte magnetomotorische Kraft an einem beliebigen Punkt im Luftspalt ergibt sich aus der Summe der Grund- und der zeitlich harmonischen magnetomotorischen Kräfte. Bei einer dreiphasigen 6-stufigen Spannungswellenform ist die maximale magnetische Flussdichte im Luftspalt etwa 10 % höher als der Grundwert, der Anstieg der Eisenverluste durch den zeitlich harmonischen Fluss ist jedoch sehr gering. Streuverluste durch Endstreufluss und schrägen Nutstreufluss nehmen unter dem Einfluss von Oberschwingungsfrequenzen zu. Dies muss bei nicht-sinusförmiger Stromversorgung berücksichtigt werden. In den Stator- und Rotorwicklungen treten Endstreuflusseffekte auf, hauptsächlich aufgrund von Wirbelstromverlusten durch Streufluss in den Endplatten. Durch die Phasenverschiebung zwischen der magnetomotorischen Kraft des Stators und der des Rotors entsteht in der Struktur mit schrägen Nuten ein Streufluss. Dessen magnetomotorische Kraft ist an den Enden maximal, was zu Verlusten in den Stator- und Rotorkernen sowie den Zähnen führt. ④ Die Größe der Oberwellenverluste im Motorwirkungsgrad wird maßgeblich durch den Oberwellengehalt der angelegten Spannung bestimmt. Größere Oberwellenanteile erhöhen die Motorverluste und verringern den Wirkungsgrad. Die meisten statischen Wechselrichter erzeugen jedoch keine Oberwellen unterhalb der 5. Ordnung, und die Amplitude höherer Oberwellen ist relativ gering. Eine Spannung mit dieser Wellenform reduziert den Motorwirkungsgrad nicht wesentlich. Berechnungen und Vergleichstests an Asynchronmotoren mittlerer Leistung zeigen, dass ihr effektiver Nennstrom im Vergleich zum Grundwert um etwa 4 % ansteigt. Wird der Skin-Effekt vernachlässigt, ist der Kupferverlust des Motors proportional zum Quadrat des effektiven Gesamtstroms, wobei der Kupferverlust durch Oberschwingungen 8 % des Grundverlusts beträgt. Da sich der Rotorwiderstand aufgrund des Skin-Effekts im Durchschnitt verdreifachen kann, sollte der Kupferverlust durch Oberschwingungen 24 % des Grundverlusts betragen. Beträgt der Kupferverlust 50 % des Gesamtverlusts des Motors, so erhöht der Kupferverlust durch Oberschwingungen diesen um 12 %. Die Erhöhung der Eisenverluste ist schwer zu berechnen, da sie von der Motorkonstruktion und den verwendeten magnetischen Materialien abhängt. Sind die höheren Oberschwingungsanteile in der Statorspannungswellenform relativ gering, wie beispielsweise bei einer Wellenform mit sechs Stufen, überschreitet die Erhöhung der Eisenverluste durch Oberschwingungen 10 % nicht. Beträgt der Anteil von Eisenverlusten und Streuverlusten 40 % des Gesamtverlusts des Motors, so machen die Oberschwingungsverluste nur 4 % aus. Reibungs- und Windverluste bleiben unbeeinflusst, sodass die Gesamterhöhung der Motorverluste unter 20 % liegt. Bei einem Wirkungsgrad des Motors von 90 % und einer sinusförmigen 50-Hz-Spannungsversorgung sinkt dieser aufgrund von Oberschwingungen lediglich um 1–2 %. Sind die Oberschwingungsanteile der angelegten Spannung deutlich höher als bei einer 6-stufigen Spannungsversorgung, steigen die Oberschwingungsverluste des Motors erheblich an und können die Grundschwingungsverluste übersteigen. Selbst bei einer 6-stufigen Spannungsversorgung kann ein Reluktanzmotor mit geringem Streuwiderstand einen hohen Oberschwingungsstrom aufnehmen, wodurch der Wirkungsgrad um 5 % oder mehr sinkt. In diesem Fall ist für einen zufriedenstellenden Betrieb ein Wechselrichter mit 12-stufiger Spannungsversorgung oder eine sechsphasige Statorwicklung erforderlich. Oberschwingungsstrom und Oberschwingungsverluste eines Motors sind unabhängig von der Last. Daher lässt sich die Größe der zeitlichen Oberschwingungsverluste durch Vergleich von sinusförmigen und nicht-sinusförmigen Spannungsversorgungen im Leerlauf bestimmen. Dies ermöglicht die Abschätzung des ungefähren Wirkungsgradverlusts für einen bestimmten Motortyp oder eine bestimmte Motorkonstruktion. 2) Erhöhung der Wellenspannung: Die Wellenspannung bezeichnet die Spannung zwischen den beiden Wellenenden bzw. zwischen Welle und Lager. Bei Motoren, die mit sinusförmiger Spannung betrieben werden, wird diese hauptsächlich durch Unsymmetrie im Magnetkreis verursacht. Bei Motoren mit Frequenzumrichtern sind die Spannungen an den einzelnen Phasen üblicherweise ausgeglichen. Aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften der Gleichrichter- und Steuerkomponenten der einzelnen Phasen kann es jedoch kurzzeitig zu einer Spannungsunsymmetrie und damit zu einer erhöhten Wellenspannung kommen. Zusätzlich bildet die Oberwellenspannung am Rotor über den Lagerschmierfilm eine Kapazität gegen Masse und erzeugt so einen kapazitiven Strom. Bei kleinen und mittelgroßen Motoren ist der Einfluss der Wellenspannung unter nicht-sinusförmigen Stromversorgungsbedingungen in der Regel vernachlässigbar. Bei großen Motoren, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsmotoren und solchen mit Gleitlagern, ist der Schaden durch Wellen- und Lagerstrom jedoch nicht zu vernachlässigen. Die erhöhte Wellenspannung führt zu einem Stromfluss durch den Schmierfilm zwischen Welle und Lagerbuchse. Wird der kritische Schmierzustand erreicht, reißt der Ölfilm, was zu einem hohen Stromfluss führt. Dieser kann die Lagerlebensdauer verkürzen oder die Lagerlegierung beschädigen und einen schweren Unfall verursachen. 3) Stoßspannung und Isolationsfestigkeit: Normalerweise ist die Stoßspannung, der Wechselstrommotoren ausgesetzt sind, hauptsächlich eine Betriebsüberspannung. Bei Motoren, die von statischen Frequenzumrichtern gespeist werden, muss jedoch auch die Stoßspannung berücksichtigt werden, die während der Kommutierung des Umrichters entsteht. Diese Stoßspannung überlagert sich der Betriebsspannung des Motors. Sie weist nicht nur hohe Spitzenwerte auf, sondern tritt auch häufig auf und gefährdet die Isolation des Motors gegen Erde. Die Stärke und Anstiegsgeschwindigkeit der Stoßspannung hängen offensichtlich von der Art und der Regelungsmethode des Frequenzumrichters ab. Bei hohen Stoßspannungen sind die Alterung der Isolation durch wiederholte Stöße und die durch Koronaentladungen verursachte Elektrokorrosion zu berücksichtigen. Bei einem schnellen Anstieg der Stoßspannung ist zudem die Windungsisolation zu prüfen. 4) Seitliche Vibrationen und Geräusche: Bei Wechselstrommotoren, die mit sinusförmigen Wellen betrieben werden, stellen Vibrationen und Geräusche aufgrund elektromagnetischer, mechanischer und lüftungsbedingter Faktoren seit Langem ein Problem dar. Der Einsatz von Frequenzumrichtern verschärft diese Problematik. Die zeitlichen Harmonischen der Wechselrichter-Stromversorgung interagieren mit den räumlichen Harmonischen der elektromagnetischen Motorkomponenten und verursachen so verschiedene elektromagnetische Anregungskräfte. Gleichzeitig ist es aufgrund des breiten Betriebsfrequenzbereichs und des großen Drehzahlbereichs des Motors schwierig, die Eigenfrequenzen verschiedener Strukturbauteile zu vermeiden. Bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen verstärkt sich zudem der Einfluss der dynamischen Auswuchtmasse und des Lüfters. Um dieses Problem zu lösen, müssen neben den Aspekten, die bei der Verwendung einer sinusförmigen Stromversorgung zu berücksichtigen sind (wie Nutpassung, dynamische Auswuchtung, ungleichmäßiger Luftspalt, Rotorasymmetrie, Abweichung des magnetischen Zentrums und Steifigkeit der mechanischen Strukturbauteile), die höheren zeitlichen Harmonischen der Stromversorgung besonders beachtet werden, um sicherzustellen, dass sie die Eigenfrequenzen verschiedener Motorteile nicht beeinträchtigen. 5) Häufiges Anlaufproblem: Da Wechselrichter-Netzteile Motoren mit sehr niedrigen Frequenzen anlaufen lassen können, insbesondere bei einigen Drehzahlregelungssystemen mit hoher Kapazität, ermöglichen sie den Betrieb von Wechselstrommotoren in allen vier Quadranten und somit häufiges Anlaufen und Umschalten. Um Energie zu sparen, können Lüfter dutzende Male am Tag, Pumpen hunderte Male angelaufen werden, und die Anzahl der Anläufe und Umschaltungen der Haupt- und Hilfsantriebsmotoren von reversiblen Walzwerken ist noch höher. Dies führt zu einer ständigen zyklischen Wechsellast des Motors, was Materialermüdung und beschleunigte Alterung der mechanischen Teile und der Isolierung zur Folge hat. 6) Lagerprobleme: Bei kleinen und mittelgroßen Motoren, insbesondere Wälzlagermotoren, kann die Lagerauswahl unabhängig vom Netzteil nach üblichen Konstruktionsmethoden erfolgen. Zu beachten ist jedoch, dass bei großen Radialgleitlagermotoren die geringe Schmierwirkung des Ölabstreifrings das Aufrechterhalten eines normalen Ölfilms bei niedrigen Drehzahlen erschwert. Dies muss daher bei der Lagerkonstruktion unbedingt berücksichtigt werden. Im Allgemeinen sollte Druckschmierung eingesetzt werden, ähnlich wie bei Gleichstrommotoren in der Stahlwalzindustrie. Bei extrem hohen Drehzahlen, die die Leistungsgrenzen von Gleichstrommotoren überschreiten, sind Lager ebenfalls eine Schlüsseltechnologie im Motordesign. Zufriedenstellende Ergebnisse lassen sich üblicherweise durch Ölnebel-Druckschmierung oder Hochdruckölschmierung zur Anhebung der Zapfen erzielen. 7) Kühlungsprobleme bei niedrigen Drehzahlen: Die übliche Kühlung mit eingebauten Lüftern ist in vielen Fällen für drehzahlvariable Motoren mit Frequenzumrichtern ungeeignet. Das konstante Drehmoment unterhalb der Nenndrehzahl bedeutet, dass Strom und magnetischer Fluss des Motors bei niedrigen Drehzahlen im Wesentlichen unverändert bleiben. Der Kühlluftstrom nimmt jedoch proportional zur dritten Potenz der Drehzahl ab, was die Wärmeabfuhr erschwert. Daher ist es in Situationen, in denen eine Zwangslüftung nicht möglich ist, neben der Minimierung verschiedener Verluste notwendig, die Luftströmung und die Temperaturfelder sorgfältig zu analysieren, den Ungleichmäßigkeitskoeffizienten der Temperaturverteilung zu reduzieren, die Wärmeübertragung an den Spulenenden zu verbessern und die Wärmeabfuhrkapazität des Gehäuses selbst zu erhöhen. Bei Motoren mit einem breiten Drehzahlbereich, insbesondere solchen mit konstanter Drehmoment- und Leistungsregelung, sollte niemals eine integrierte Lüfterkühlung eingesetzt werden. Diese Methode ist sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Drehzahlen nachteilig; die Kühlwirkung ist bei niedrigen Drehzahlen gering, und der Wirkungsgrad des Motors sinkt bei hohen Drehzahlen deutlich. Im Allgemeinen gilt bei der Verwendung integrierter Lüfterkühlung oder Kanallüftung das Prinzip, dass für jede 20 kW Motorverlustleistung 1 m³/s Luftvolumenstrom erforderlich ist. 8) Motorstabilität und Torsionsschwingungen: Wenn ein Wechselstrommotor an einem Frequenzumrichter betrieben wird, kann das System unter bestimmten Frequenz- und Lastbedingungen instabil werden. Da die dynamische Stabilität vom Systemzustand abhängt, kann ein Motor, der in einem System mit unendlich hoher Netzfrequenz stabil läuft, durch den Betrieb mit einem Wechselrichter instabil werden. Wenn ein Motor an einen einzelnen Frequenzumrichter angeschlossen ist, ist der Betrieb stabil; wenn jedoch mehrere Motoren einen Frequenzumrichter zur gemeinsamen Übertragung nutzen, wird der Betrieb instabil. Die Analyse dieser Phänomene ergab zwei Hauptursachen: die dem Motor inhärente Niederfrequenzinstabilität und die durch die Wechselwirkung zwischen Motor und Wechselrichter hervorgerufene Instabilität. Bei niedrigen Frequenzen äußert sich diese Instabilität in kontinuierlichen Schwingungen, d. h. die Rotordrehzahl schwankt nahe der Synchronisation. Änderungen des Drehmomentwinkels erzeugen entsprechende Pulsationen im Ausgangsdrehmoment und der Ausgangsleistung. Ist die Rotorschwingung zu groß und überschreitet das Schrittdrehmoment, verliert der Motor die Synchronisation. Andererseits kann sie auch die Kommutierungskapazität des Wechselrichters überschreiten und dessen Schutzschaltung auslösen. Stabilitätsuntersuchungen von wechselrichtergespeisten Wechselstrommotorantrieben zeigen, dass die Motorschwingungen durch Reduzierung des Stator- und Rotorwiderstands, Verringerung des Verhältnisses von Längs- und Querachsenreaktanz sowie Erhöhung der Stator- und Rotorstreureaktanz verringert werden können; diese Schlussfolgerung wurde aus Experimenten mit Reluktanzmotoren gezogen. Bei Asynchronmotoren lässt sich die Stabilität durch Reduzierung der Erregerreaktanz und Erhöhung des Stator- und Rotorwiderstands verbessern. Instabilitäten, die durch die Wechselwirkung zwischen Motor und Umrichter entstehen, können sowohl bei Synchron- als auch bei Asynchronmotoren auftreten. Bei niedrigen Frequenzen ist die Systeminstabilität auf die Trägheit des mechanischen Motorsystems und den Energieaustausch zwischen Transformator bzw. Zwischenkreisfilter (Induktivität und Kapazität) zurückzuführen. Bei drehzahlvariablen Antrieben ist der instabile Betriebsbereich üblicherweise auf einen bestimmten Frequenz- und Drehmomentbereich begrenzt (siehe Abbildung 1). Die Größe des instabilen Bereichs wird offensichtlich auch von der Systemträgheit, der Lastdämpfung sowie den Parametern von Motor und Frequenzumrichter beeinflusst. Die Änderung der Systemträgheit sowie der Induktivität und Kapazität des Zwischenkreises sind praktikable Methoden zur Beseitigung von Instabilitäten. Bei besonders großen Motoren kann die Änderung der Motorparameter die Stabilität über den gesamten Betriebsbereich gewährleisten; dies ist jedoch für kleine und mittelgroße Motoren unwirtschaftlich. Im Vergleich dazu ist die Dämpfung von Rotorschwingungen mittels geschlossener Regelung für Standard-Wechselstrommotoren praktikabler. Unabhängig davon, ob das Ausgangsdrehmomentverhältnis durch Instabilität beeinflusst wird oder die Drehmomentoszillation durch pulsierende harmonische Drehmomente verursacht wird, treten im System Torsionsschwingungen auf. Stimmt die Frequenz der Torsionsschwingung mit der Eigenresonanzfrequenz des mechanischen Systems überein und ist die Systemdämpfung gering, entsteht ein hoher Drehmomentverstärkungsfaktor, der zu einem Drehmoment führt, das ein Vielfaches des Nenndrehmoments beträgt. Dies stellt eine erhebliche Gefahr für das System dar, und schwere Unfälle sind keine Seltenheit. Um Schäden durch Torsionsschwingungen in modernen Großantriebssystemen zu vermeiden, werden bereits in der Entwurfsphase mathematische Modelle für die mechanischen und elektrischen Komponenten erstellt. Durch die inhärenten Zusammenhänge zwischen verschiedenen Übertragungsfunktionen wird das gesamte elektromechanische Antriebssystem in ein einheitliches, umfassendes mathematisches Modell integriert. Mithilfe von Computersimulationen an diesen mathematischen Modellen können verschiedene Parameter im Zusammenhang mit Torsionsschwingungen vorselektiert und angepasst werden. Dadurch lässt sich das Ziel erreichen, Torsionsschwingungen in realen elektromechanischen Antriebssystemen zu verhindern. Für die Berechnung von Torsionsschwingungen in mechanischen Systemen verfügt das Harbiner Forschungsinstitut für große elektrische Maschinen bereits über entsprechende Berechnungsprogramme, sobald die Abmessungen der Getriebeanlage festgelegt sind. In der Praxis ist es jedoch weiterhin erforderlich, typische Lastspektren der angetriebenen Maschinen einzugeben, um festzustellen, ob in einem bekannten System während des Betriebs Torsionsschwingungen auftreten. Die Ermittlung und Typisierung realer Lastspektren ist eine sehr komplexe Aufgabe mit hoher Datenstreuung. Derzeit basieren sowohl nationale als auch internationale Bemühungen auf der Systemüberwachung, um typische Lastspektren für verschiedene Getriebeanlagen zu ermitteln. Ziel ist es, das Problem der vom System unter verschiedenen Betriebsbedingungen erzeugten Anregungsfrequenzen besser zu lösen und sicherzustellen, dass diese Frequenzen die Eigenfrequenzen der Anlage vermeiden oder dass die Eigenfrequenzen der Systemauslegung basierend auf den in den Lastspektren auftretenden Frequenzen verändert werden. 3. Eigenschaften und Anwendungsauswahl von Frequenzumrichtern Wie bereits erwähnt, löst die Drehzahlregelung mit variabler Frequenz das Drehzahlregelungsproblem herkömmlicher Konstantdrehzahlmotoren, bringt aber auch viele neue Probleme mit sich. Wie bedeutend sind diese Probleme? Ist der Einsatz spezieller Frequenzumrichtermotoren notwendig? Auf Grundlage der Getriebekonfiguration von Papiermaschinen und deren Anwendungserfahrung wird die folgende Analyse durchgeführt. Die im vorherigen Abschnitt erwähnten Probleme mit der Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichtern sind weit verbreitet. Sogenannte Frequenzumrichtermotoren (FU-Motoren) wurden speziell entwickelt, um diese Probleme zu beheben und ihre negativen Auswirkungen zu minimieren. Generell beeinträchtigen diese Probleme jedoch – abgesehen von großen Hochspannungsmotoren – den normalen Betrieb von kleinen und mittelgroßen Motoren, die mit Industriefrequenz und Normalspannung betrieben werden, nicht. Daher besteht kein wesentlicher Unterschied zwischen der Verwendung eines FU-Motors und dem Verzicht darauf. Bisher liegen keine eindeutigen Berichte über Motorschäden durch die Verwendung von FU-Netzteilen vor. Daher ist der Autor der Ansicht, dass FU-Motoren eher für folgende Anwendungsfälle geeignet sind: 1) Anwendungen mit extrem hoher Leistung und speziellen Spannungen, wie z. B. Stahlwalzwerke und große Mahlanlagen mit Leistungen von mehreren tausend Kilowatt oder mehr. In diesen Anwendungen müssen die Motoren individuell angepasst werden, und Kraftwerke verwenden häufig Hochspannungsnetzteile. Daher ist der Einfluss einer nicht-sinusförmigen Stromversorgung erheblich. Wenn die Konstruktion nicht speziell auf die Eigenschaften der Frequenzumrichter-Stromversorgung abgestimmt ist, hat dies erhebliche Auswirkungen auf Effizienz und Leistung. Daher ist in solchen Fällen die Wahl eines frequenzumrichterspezifischen Motors erforderlich. 2) Spezialausrüstung. Diese Art von Anwendung bezieht sich hauptsächlich auf Situationen, die eine hohe Positionier- und Nachführgenauigkeit erfordern, wie z. B. Servomotoren oder Werkzeugmaschinenspindeln. Denn diese Anwendungen zeichnen sich durch schnelles Ansprechverhalten und häufige Drehzahländerungen über einen weiten Bereich aus. Der Einsatz herkömmlicher Motoren kann in bestimmten Arbeitsbereichen zu Leistungseinbußen führen und somit die Konstruktionswirkung beeinträchtigen. 3) Andere Anwendungen, die hohe Betriebs- und elektromagnetische Leistung erfordern. 4) Großer Drehzahlbereich und Langzeitbetrieb bei niedriger Drehzahl. 4. Auswahl von Spezialfrequenzumrichtermotoren für Papiermaschinen. Weltweit haben verschiedene Länder ihre eigenen Konstruktions- und Produktionsspezifikationen für Spezialfrequenzumrichtermotoren. Viele Motorenhersteller in China, wie z. B. Shanghai Nanyang und Xi'an Motor Factory, haben ebenfalls eigene technische Spezifikationen und Anforderungen für die Produktion von Frequenzumrichtermotoren und bieten entsprechende Produktserien an. Im Folgenden werden einige Referenzkriterien und Merkmale für die Auswahl von Frequenzumrichtermotoren für die Papierherstellung aufgeführt. 4.1 Technische Merkmale inländischer Frequenzumrichtermotoren Derzeit existiert für die Produktion von Spezialfrequenzumrichtermotoren durch inländische Hersteller noch kein einheitlicher Standard. Die Motoren basieren im Wesentlichen auf eigener Forschung und Entwicklung. Ihre Hauptmerkmale sind: (1) Verwendung der ursprünglichen Baugröße und verschiedener Standardabmessungen. Dies erleichtert die Auswahl und Anwendung. Bei der Auswahl eines Spezialfrequenzumrichtermotors können die Standardabmessungen herkömmlicher Asynchronmotoren verwendet werden. (2) Zwangsluftkühlung: Am Motorende ist ein spezieller Luftkanal mit Lüfter angebracht, um den Motor zwangsweise zu kühlen. Dies ist wichtig, da die Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter bei niedrigen Drehzahlen Probleme mit der Wärmeabfuhr aufweisen kann. (3) Durch geeignete Verbesserungen des Magnetkreises oder der Materialien können Oberschwingungen besser unterdrückt und ein ausreichendes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen sichergestellt werden. (4) Erhöhung der Isolationsklasse von E auf F. Da die Standards noch nicht einheitlich sind, werden detaillierte technische Spezifikationen in der Regel nicht an die Hersteller weitergegeben. Daher sind nur qualitative und formale Beschreibungen möglich. Ein einfacher Frequenzumrichter kann mit einem Lüfter an einem Standardmotor installiert werden. 4.2 Vergleich von Frequenzumrichtern und Standardmotoren im Einsatz in Papiermaschinen und zu beachtende Punkte (1) Nach bisherigen Erfahrungen besteht kein signifikanter Unterschied zwischen der Verwendung eines Frequenzumrichters und eines Standardmotors in Papiermaschinen. Tatsächlich verwenden die meisten Papiermaschinen derzeit Standard-Asynchronmotoren. Daher ist die Auswahl eines Frequenzumrichters in der Regel nicht erforderlich. (2) Durch die Stromversorgung des Frequenzumrichters kann eine hohe induzierte Spannung am Motorgehäuse auftreten. Daher ist eine gute Erdung erforderlich, da sonst Gefahren für Personal und Anlagen entstehen können. (3) Bei den meisten Papiermaschinen erfüllt die Regelungsgenauigkeit im offenen Regelkreis die Produktionsanforderungen bei Verwendung einer Frequenzumrichter-Drehzahlregelung. Daher kann in der Regel ein Standard-Asynchronmotor gewählt werden, sofern keine besonderen Umstände vorliegen. Bei stark schwankender Produktionsgeschwindigkeit (z. B. bei Betrieb mit weniger als der Hälfte der Nenndrehzahl) ist ein Wechselstrommotor mit Zwangsluftkühlung erforderlich, um Überhitzungsschäden zu vermeiden. (4) Bei der Integration des Encoder-Rückmeldeelements in einen geschlossenen Regelkreis muss der Anschlussbereich speziell bearbeitet und ein externer Lüfter hinzugefügt werden. Alternativ kann ein Lüfter an einem Standardmotor nachgerüstet werden. (5) Bei der Verwendung von Getriebe und Motor empfiehlt sich die Wahl eines vierpoligen Motors und Getriebes, die auf die Betriebsdrehzahl abgestimmt sind. Der Autor fand einmal eine Produktionslinie mit einem sechspoligen Motor in Linqing, Shandong. Die Ausfallrate des Motors war im Anfangsbetrieb deutlich höher. Hauptursachen waren Lagerschäden und Reibung zwischen Stator und Rotor. Obwohl die genaue Ursache nicht ermittelt werden konnte, hielt der Autor mehrere Punkte für relevant: ① Die Drehzahl des Magnetfelds des 6-poligen Motors ist relativ niedrig, wodurch ein erhöhtes pulsierendes Drehmoment entsteht. Dies kann zu einem hohen pulsierenden Drehmoment an Lagern und Rotor führen, was wiederum Verformungen, eine Abweichung vom Auswuchtpunkt und schließlich einen Ausfall zur Folge haben kann. ② Bei einigen Motoren traten während des Betriebs offensichtliche Ausfälle auf, beispielsweise ähnliche Motorausfälle drei oder sechs Monate nach Inbetriebnahme. Daher wird vermutet, dass das niederfrequente Drehmoment aufgrund der variablen Netzfrequenz und der geringen Polpaarzahl den Motor beeinflusst. ③ Bei dem 4-poligen Motor im Papiermaschinenantrieb traten keine vergleichbaren Fehler auf. Möglicherweise wird das pulsierende Drehmoment durch die hohe Drehzahl des Magnetfelds des 4-poligen Motors unterdrückt. (6) Zur Steuerung und Störungsunterdrückung muss das Encoderkabel während der Verdrahtung in einem Abstand von mehr als 30 cm vom Motorkabel isoliert und ordnungsgemäß geerdet werden. 4.3 Maximales Ausgangsdrehmoment und Blockierdrehmoment Das Drehmoment bei niedriger Drehzahl und das Blockierdrehmoment hängen eng mit der Ausgangswellenform und dem Regelungsmodus des Frequenzumrichters zusammen. Der Autor hat Blockiertests an Frequenzumrichtern verschiedener Hersteller zum Vergleich durchgeführt. Die Linearität und die Drehmomentamplitude variieren stark. Je näher die Wellenform einer Sinuswelle kommt, desto besser sind die Leistung und die Linearität. Unter Netzfrequenz erreichen sie jedoch im Wesentlichen den Drehmomentkennwert. Daher sollten die Drehmomenteigenschaften des Frequenzumrichtermotors bei niedriger Frequenz oder im Blockierbetrieb besser sein als die von herkömmlichen Motoren. 5. Zusammenfassung Mit der Vertiefung von Reform, Öffnung und Modernisierung verbreitet sich die Anwendung der Frequenzumrichtertechnologie in der Papierindustrie meines Landes immer mehr, und auch der Einsatz entsprechender Spezialmotoren mit Frequenzumrichterfunktion nimmt zu. Dieser Artikel bietet eine detaillierte Analyse der Eigenschaften von Frequenzumrichtermotoren und der Auswahl von Frequenzumrichtermotoren für die Papierherstellung und soll als Ausgangspunkt für weitere Diskussionen dienen. Referenzen [1] Prinzip und Konstruktion von Frequenzumrichtern für Papiermaschinen, Meng Yanjing, Shaanxi People's Publishing House [2] Grundlagen der Motorantriebe, Gu Shenggu, Maschinenbauverlag [3] Leistungselektronische Umrichtertechnik, Wang Zhaoan, Maschinenbauverlag Über den Autor Chen Jingwen, männlich (1979-), Innere Mongolei, wissenschaftlicher Mitarbeiter, Forschungsschwerpunkt: Leistungselektronik und Energieübertragung, Theorie und Anwendung der Drehzahlregelung von Wechsel- und Gleichstrom.