Was man über die Antriebstechnik in der Chemischen - Namur

Wissenswert
Was man über die Antriebstechnik in der
Chemischen Verfahrenstechnik wissen sollte
Dr.-Ing. Hans Linnenbrink, Bayer MaterialScience Technical Services
Elektromotorische Antriebe sind in der Chemischen Verfahrenstechnik die am häufigsten vorkommenden
elektrischen Aktoren und daher für die Automatisierung besonders wichtig. Da viele Bereiche in der Chemie
explosionsgefährdet sind, ergeben sich entsprechende Anforderungen an die technische Ausrüstung. In
modernen Anlagen sind die speisenden Module mit Intelligenz versehen und es werden etwa ein Viertel
dieser Antriebe durch Frequenzumrichter gespeist. An die Verfügbarkeit der Anlagen werden hohe Anforderungen
gestellt. Um diese zu erfüllen, ist die betriebssichere Planung von Motoren und ihrer Umgebung von
der Versorgung bis zur Integration in die Systemtechnik der Produktion eine Voraussetzung. Hierzu sind von
den anwenderorientierten Verbänden wie VIK (Verband der industriellen Energie- und Kraftwirtschaft) und
NAMUR (Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie) durch praxiserfahrene
Fachleute hilfreiche Empfehlungen erarbeitet worden. Sie werden hier noch einmal zusammengefasst und
vorgestellt. Es kann im Rahmen eines solchen Berichtes nur auf einen Überblick der Probleme der Antriebstechnik
eingegangen werden.
Elektrische Antriebstechnik / Versorgung / Motoren / Systemintegration / Planungshilfen
What you should know about Electrical Drive Technology in the Chemical Process
Industry
Electro motor driven appliances are the mostly found electrical actors in the Chemical Process Industry and
therefore extra important for the automation. Because of many hazardous areas in those processes adequate
requirements result for the electrical design. In modern installations the feeding motor modules dispose
of intelligence and a quarter of those are speed variable drives. High requirements are pointed to the
reliability of the drives. A precondition to cover those requirements is a dependable engineering of the
motors and their environment from the supply system to the integration into the control system of the production.
For this are helpful recommendations worked out by experienced experts of the user-orientated
associations VIK (Verband der industriellen Energie- und Kraftwirtschaft) and NAMUR (Interessengemeinschaft
Automatisierungstechnik der Prozessindustrie). Those recommendations are summarized and proposed
here. Within this report it is only possible to give an overview of the problems which exist in the drive
technology.
Electrical drive technology / supply system / motors / integration into automation /
design recommendations
Netzversorgung
Antriebe müssen in das Energieversorgungssystem eingebunden
werden (Bild 1). Je nach Leistung ist die Spannungsebene
und eine sinnvolle Verteilsituation auszuwählen.
Dabei ist der Versorgungstransformator in geeigneter Weise
zu bestimmen. Die Ausführung, ob Trockentransformator
oder Öltransformator, ist nach Werksstandards festzulegen
und hat Einfluss auf die bauliche Aufstellung. Die Kurzschlussleistung
und gegebenenfalls die Ausführung als
Stromrichtertransformator müssen bedacht werden. Rückwirkungen
der Antriebe wie Spannungseinbrüche durch
den Anlauf am Netz oder Harmonische durch Stromrichtergeräte
müssen ohne Auswirkungen auf andere Verbraucher
bleiben. Dabei ist zu beachten, dass moderne Frequenzum-
Transformator
Bild 1. Netzversorgung.
Netzversorgung
Verteilsituation
Rückwirkungen
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110 kV
30 kV
60 kV
500 kV

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nach DIN EN 61000-2-4 (IEC 61000-2-4)
Klasse 1
richter bis zu Leistungen von mehr als einem Megawatt im
Normalfall mit dem Netzstromrichter ungesteuert fahren
und sich die Harmonischen jeder Ordnungszahl jeweils alle
addieren. Einen Anhalt für die Grenzwerte der Harmonischen
gibt die IEC 61000 2 4 [1]. Sie unterscheidet in 3 Klassen
von Verbrauchern (Bild 2) und zwar besonders empfindliche
wie Labors, öffentliche Netze und Industrienetze. In
Sonderfällen können bei bestimmten Anlagen diese Werte
noch überschritten werden, wenn Hersteller und Betreiber
sich über die Auswirkungen und Vermeidung störender Einflüsse
im Klaren sind. Für die Verfahrenstechnik sind intern
die Werte der Industrienetze gültig. Das bedeutet, dass Hersteller
von elektrischen Geräten eine entsprechend robuste
Ausführung liefern müssen. In der Praxis hat sich das bislang
bewährt und keinen Aufwand verursacht, der nicht ohnehin
notwendig war. In Bild 3 sind die Grenzwerte der umrichtertypischen
Harmonischen dargestellt, die als Grundlage für
die Anforderungen anzusehen sind.
Frequenzumrichter
Empfindliche Netze
wie Laboratorien,
Automatisierungsoder
Schutzeinrichtungen
Klasse 2 Öffentliche Netze
Klasse 3 Industrielle Netze
in Sonderfällen mit Absprache
Klasse Offen
Vereinbarung zwischen
Hersteller und Betreiber
Bild 2. Netzrückwirkungen nach DIN EN 61000-2-4 (IEC 61000-2-4).
[%]
Elektromagnetische Umgebungsklassen nach IEC 61000-2-4
9,0
8,0
THD (Gesamtverzerrungsfaktor):
7,0
Klasse 1: 5%
Klasse 2: 8%
6,0
Klasse 3: 10% (12%)
5,0
Klasse 1
4,0
Klasse 2
3,0
2,0
1,0
0,0
Klasse 3
0 10 20 30 40 50 60
Ordnungszahl der Oberschwingung [h]
Bild 3. Grenzwerte der Oberschwingungen.
Besonders das Thema der Frequenzumrichter (Bild 4) mit
allen seinen Auswirkungen ist sehr vielfältig. Je nach Leistung
kommen unterschiedliche Systeme in Frage. Im Bereich
der Niederspan nungsumrichter sind zur Zeit der Standard
Umrichterversionen
Aufstellung
Wissenswert
Stromrichtermotor
Direktumrichter
MS Pulsumrichter
Multizellenumrichter
NS Pulsumrichter
Leistungsbereich Frequenzumrichter
Umrichter mit ungesteuertem Gleichrichter, Gleichspannungszwischenkreis
und Pulswechselrichter mit schnell
schaltenden IGBT-Halbleitern. Der Leistungsbereich reicht
von einigen 100 W bis zu etwa 1000 kW. Durch Parallelschaltung
kann die Leistung weiter erhöht werden. Es setzen sich
jedoch in dem Bereich über 1000 kW vermehrt Mittelspannungsumrichter
mit verschiedenen Umrichterkonzepten
und unterschiedlichen Leistungshalbleitern durch. Dabei
kommen höherpulsige Stromrichtereingangsschaltungen
mit Mehrwicklungstransformatoren und Ausgangsschaltungen
zum Einsatz. Zur Verbesserung der Spannungsform werden
bei Mittelspannungsumrichtern statt der 2 Spannungslevel
3 Level und mehr realisiert. Da sich bei den herkömmlichen
IGBT Halbleiterbauformen mit Leistungen über 100
kW bei Schäden z.T. erhebliche Auswirkungen auf die Umgebung
ergeben haben, wie sie von konventionellen Bauelementen
nicht bekannt sind, wurden Entwicklungen zur Verbesserung
der mechanischen Festigkeit der Bauelemente
unternommen. Üblicherweise werden bei Umrichtern in der
Chemie, insbesondere im Ex-Bereich, Ausgangsfilter zur
Reduzierung der Spannungsspitzen und Spannungsanstiegsgeschwindigkeit
eingesetzt. Während bei kleinen Leistungen
häufig Sinusfilter zu finden sind, werden ab Leistungen
von etwa 50 kW aus wirtschaftlichen Gründen meist du/
dt Filter eingesetzt. Sie vermindern auch weitere parasitäre
Effekte der nichtsinusförmigen Ausgangsspannung wie Wir-
www.atp-online.de atp 3.2008 63
Kühlung
Bild 4. Frequenzumrichter.
Spannungsspitze in [kV]
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0
1900 V
1900 V
1900 V
100 000
10 000
1000
100
10
1
0,1
kW
Frequenzumrichter
Schnittstellen
Leistungsbereich
Bauelemente
Filtermaßnahmen
du/dt-Filter Sinus-Filter
Zulässige Impulsspannung an den Motorklemmen
2150 V
1560 V
1350 V
1000 V
IEC 60034-25 B: 04.2004
IEC 60034-25 A: 04.2004
IEC 60034-17: 01.2004
VIK/NAMUR Anforderung Motoren
VIK/NAMUR Anforderung FU- Filter
IEC 34: 1992
0 1 2 3
Anstiegszeit in [μs]
Bild 5. Reduzierung der Spannungsbeanspruchung.

Wissenswert
belströme, EMV-Rückwirkungen, zusätzliche Geräusche und
Lagerströme der Motoren. Eine Beschreibung findet man in
der NAMUR Empfehlung NE 38 [2]. Insbesondere die Spannungsfestigkeit
der Motorwicklungen wird durch den
Umrichterbetrieb stark belastet. Zulässige Werte werden in
64
Im Feld:
Standardsignalpegel 4–20 mA, DC 24 V
Aufbaurichtlinien Feldbus beachten
Bild 6. Empfehlung ungeschirmter Kabel.
Bild 8. Motor.
Motorversionen
Motor
M
3~
Bild 9. Bereich von Asynchronmotoren.
Motorschutz TSA
Umsetzung
X1
U1
V1
W1
PE
U2
V2
W2
PE
U3
V3
W3
PE
X2
1
2
3
10
11
12
13
14
15
16
17
18
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
50
51
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
X3
90
91
erfüllt PELV
+
L1
L2
L3
Motor
Bezugsleiter DC 24V
Spannungsversorgung
+ DC 24V
Ein(dyn), Ein/Aus(stat)
Aus(dyn)
Schneller
Langsamer
Reset
Verriegelung (Kontakt offen ⇒ Abschalten)
Linkslauf (Option)
Zwangsläufige Netztrennung
Betriebsbereitschaft
Motor dreht
Störung
„Freie Belegung“
„Freie Belegung“
Drehzahlsollwert
+
(Option)
-
+ Motorfrequenz
– 0–20 mA/4–20 mA
+ Motorstrom (Option)
–
+ Drehmoment (Option)
–
+ Wirkleistung (Option)
– „Freie Belegung“
+
–
+
–
M
3~
M
3~
Motor
für Fremdlüfter
(Option)
PTC-Temperaturfühler
Bild 7. Konventionelle NAMUR-Klemmleiste.
Leistungsanschluss
Signalversorgung
Steuereingänge
Sicherheitsschaltung
Statusausgänge
Sollwerteingang
Analogausgänge
Temperaturüberwachung
verschiedenen Normen angegeben (Bild 5). Da jedoch für
vorhandene Motoren mit 400 V und 500 V Versorgungsspannung
– und das ist der Großteil der Motoren in der Chemie
– keine Garantie für die Spannungsfestigkeit mehr von den
Herstellern übernommen wird, wird empfohlen, mit Filtern
die konventionellen Werte von 1000 V Spitzenspannung und
500 V/μs Spannungsanstiegsgeschwindigkeit einzuhalten.
Auch wenn neue Motoren mit verbesserten Isolierstoffsystemen
höhere Werte von üblicherweise 1350 V und 1500 V/μs
zulassen, wird bei 690 V Motoren mit Rücksicht auf EMV-
Einflüsse bei dem Spannungsgradienten weiterhin ein Wert
von 500 V/μs empfohlen. Diese Werte lassen sich mit üblichen
Filtern ohne besonderen Aufwand erreichen. Eine häufig
und sehr konträr diskutierte Frage ist die der Abschirmung
von Leistungskabeln von Umrichtern. Anwender aus
VIK und NAMUR sind sich auf Grund der Erfahrung von über
20.000 Anwendungen allein in Deutschland darin einig, dass
bei Einhaltung von Randbedingungen, wie sie in der VE 27
[3] bzw. NE 108 [4] für eine robuste Umgebung beschrieben
werden, keine abgeschirmten Kabel erforderlich sind (Bild 6).
Voraussetzung sind Ausgangsfilter der Umrichter, eine niederimpedante
Erdverbindung aller metallischen Anlagenteile,
Trennung von PE und N Leitern, Abstand (ca. 30 cm)
zwischen Signal- und Energiekabeln sowie robuste Signalpegel
im Feld d.h. bei Binärsignalen DC 24 V und bei Analogsignalen
4 bis 20 mA. Feldbusse müssen entsprechend den
Herstellervorschriften installiert werden. Alle diese Bedingungen
sind unabhängig vom Einsatz von Umrichterantrieben
für Anlagen mit räumlicher Ausdehnung selbstverständlich
und daher nicht als Aufwand anzusehen. Der Nachteil abgeschirmter
Kabel ist neben der aufwendigen Kabellogistik und
der handwerklich anspruchsvollen Installation vor allem die
auf etwa die Hälfte reduzierte erreichbare Kabellänge.
Schnittstellen von Frequenzumrichtern stellen wegen
ihres umfangreichen Signalaustausches in beiden Richtungen
immer dann ein Problem dar, wenn es keine einheitlichen
Festlegungen für die Signale und ihre Verbindungsstruktur
gibt. Für konventionelle Schnittstellen hat die
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www.atp-online.de atp 3.2008 65
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NAMUR-Empfehlung NE 37 [5] einen
hohen Bekanntheitsgrad erreicht und
erleichtert sowohl die Planung als auch
die Wartung und Instandhaltung. Sie
legt die Klemmenpunkte für die Leis-
tungsanschlüsse, die Signalversorgung,
die Steuereingänge, die Sicherheitsab-
schaltung, Statussignale, analoge Soll-
und Istwerte sowie die Temperatur-
überwachung fest (Bild 7). Eine
Beschreibung der Funktionalität gehört
dazu. Ein Austausch von Umrichtern,
die über diese Schnittstelle angeschlos-
sen sind, wird von einem übergeordne-
ten Leitsystem nicht bemerkt. Eine ver-
gleichbar einfach zu handhabende
Schnittstelle für die PROFIBUS-Kommu-
nikation wird im Abschnitt Produkti-
onsanlage beschrieben.
Nicht unerwähnt soll bleiben, dass
die Kühlung und die Aufstellung der
Umrichter im Voraus bedacht und
geplant werden müssen. Hierzu existie-
ren Herstellerangaben und verschie-
dene firmenspezifische Standards, die
hier nicht diskutiert werden können.
Motor
Im Mittelpunkt der Antriebstechnik
steht der Motor (Bild 8). Üblicherweise
werden in der Chemie Normmotoren
d. h. Drehstromasynchronmotoren ein-
gesetzt. Sie ermöglichen den problem-
losen Wechsel von Motoren ohne
Anpassung der Befestigungspunkte. In
der Chemie müssen im explosionsge-
fährdeten Bereich je nach Zone und
Anwendung Motoren in einer geeigne-
ten Zündschutzart Ex d (Druckfeste Kapselung), Ex e (Erhöhte
Sicherheit) oder Ex nA (Non Sparking) ausgewählt werden.
Das vervielfacht dementsprechend den Bereich der Norm-
motoren (Bild 9). Hinzu kommen noch Kleinmotoren mit
Baugrößen unterhalb der Normenfestlegung und Trans-
normmotoren mit Baugrößen und Leistungen oberhalb der
Normreihen. Die Vielfalt wird noch weiter erhöht durch die
Ausführung der Motoren z. B. Bauform, Kühlung oder
Zusätze. In PROLIST/ecl@ss haben Fachleute der NAMUR die
Merkmale von Motoren erfasst, um sie strukturiert eindeutig
zu beschreiben. Die Anzahl erfasst über 200 Merkmale, die je
nach Aufgabenstellung zur Bearbeitung herangezogen wer-
den können (Bild 10).
Es ist verständlich, dass bei dieser Komplexität für einen
Planer selbst mit Erfahrung die Auswahl und richtige
Beschreibung der Anforderungen schwerfällt. Der VIK hat
dies schon früh erkannt und erstmalig 1975 eine Empfeh-
lung für die Ausführung von Drehstromasynchronmotoren
herausgegeben, die auf alle wichtigen Qualitätsmerkmale
von Motoren eingeht (Bild 11). Mittlerweile ist diese Empfeh-
lung mehrfach aktualisiert sowohl vom VIK [6] als auch von
der NAMUR [7] herausgegeben worden.
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Elektrische Ausführung Mechanische Ausführung
Spannung
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Motorschutz
Explosionsschutz
Anschlussklemmen
Isolationsfestigkeit
Gehäuse
Lager
Lüfter
Anschlusskasten
Bauform
Leistungsschild
Geräusche
Bild 11. VIK-Motor stellt Anforderungen an die Qualität der Ausführung.
EEx e
Bescheinigung
Benannte Stelle
EEx nA
Herstellerbescheinigung
EEx de
Bescheinigung
Benannte Stelle
Freie Wahl des Umrichters
Motor mit TMS
Festlegung der Kombination
von Umrichter und Motor
(wird durch neuere Untersuchungen
z.T. aufgehoben)
M
3~
M
3~
Bild 12. Zur Zeit übliche Situation.

Wissenswert
Durch den Einsatz von Umrichtern ist es möglich geworden,
vermehrt Transnormmotoren mit Niederspannung bis
in den MW Bereich zu betreiben, da die hohen Anlaufströme
mit ihren Auswirkungen auf die Motorerwärmung und den
Netzspannungseinbruch entfallen.
Nicht zuletzt der geeignete Schutz der Motoren muss
insbesondere im Ex-Bereich sorgfältig beachtet werden.
Geeignete Überlastrelais oder hinreichend zuverlässige Temperaturfühler
müssen eingeplant werden. Insbesondere bei
drehzahlgeregelten Motoren müssen die Überwachungsgeräte
auf den deutlich erweiterten Arbeitsbereich angepasst
werden. Im Ex Bereich werden für den Betrieb am Frequenzumrichter
im allgemeinen druckfeste Motoren mit einer
Zertifizierung ausgewählt, die die Kombination von Motor
und beliebigem Frequenzumrichter erlaubt. Das ist insbesondere
bei einem Wechsel des Frequenzumrichters wichtig.
Die Überwachung erfolgt dabei in einfacher Weise mit Kaltleitersensoren
in der Wicklung und einem zertifizierten Auslösegerät.
Die Zertifizierung von Motoren in anderen Zündschutzarten
ist enger gefasst und komplizierter, da sie sicher-
66
nein
nein
Planung Motorenauswahl
Ex-Bereich
?
Konstante Drehzahl
?
Umrichter
IS (Industriestandard) Motor in VIK-Ausführung
oder übliche Motoren entsprechend Lager
(Ex e, Ex nA)
Ex e und Ex nA Motoren ohne Herstellerbescheinigung
für Umrichterbetrieb dürfen danach nicht
mehr im Ex-Bereich eingesetzt werden
Bild 13. Auswahl Motorausführung.
Zunahme
Drehzahlregelung
Antriebe in der Verfahrenstechnik
25%
7%
93%
Neue Projekte
75%
Netzantriebe
Regelantriebe
Netzantriebe
Regelantriebe
Bild 14. Arbeitsmaschine.
ja
ja
Arbeitsmaschine
Motorenauswahl im Ex-Bereich
Motoren entsprechend den üblichen Lagermotoren
einsetzen
bei Lager mit Ex e: < 50 kW Ex e
bei Lager mit Ex nA: < 200 kW Ex nA
Kennlinien
Motorenauswahl im Ex-Bereich
ja
Konstante Drehzahl
?
Temperaturklasse ≥ T4
?
nein
Betriebsarten > S1
Bremse, Polumschaltung
?
nein
nein
Zone 1
?
Werk mit Ex nA Motoren
?
nein
Ex nA Motoren (VIK-Ausführung) einsetzen,
wenn üblich
stellen muss, dass die Eigenarten unterschiedlicher
Frequenzumrichter keine Auswirkungen auf das Temperaturverhalten
der Motoren hat. Im allgemeinen werden bei
Motoren für die Zündschutzarten Ex e und Ex nA Motor und
Umrichter nur als Einheit zertifiziert, was natürlich den Wechsel
erschwert oder sogar ausschließt (Bild 12). Es gibt allerdings
zur Zeit von der PTB und Herstellern Untersuchungen,
die auch für solche Motoren eine freizügigere Kombination
von Umrichter und Motor zum Gegenstand hat [8]. Einzelne
Motoren haben bereits eine entsprechende Bescheinigung.
Eine Hilfe bei der Auswahl von Motoren stellen die beiden
folgenden Diagramme dar (Bild 13).
Arbeitsmaschine
nein
ja
ja
ja
ja
Werk mit Ex e Motoren
?
ja
Ex e Motoren (VIK-Ausführung)
entsprechend den üblichen
Lagermotoren einsetzen
Ex de Motoren (VIK-Ausführung)
(Motor Ex d, Klemmkasten Ex e)
Motoren werden benötigt, um Aggregate anzutreiben
(Bild 14). In der Chemie sind etwa zwei Drittel dieser Arbeitsmaschinen
Pumpen und Ventilatoren zur Förderung von
Produkten in flüssiger oder gasförmiger Form. Aber es finden
sich auch nahezu alle anderen Arbeitsmaschinen im
Spektrum wieder wie z.B. Förderschnecken, Bandantriebe,
Elevatoren, Fahrantriebe, Extruder, Kneter, Mischer, Zentrifugen
oder Zerstäuberscheiben. Auch diese Vielfalt erfordert
Kenntnisse des Planers und des Betreibers. Während in älteren
Anlagen etwa 7 % regelbare Antriebe vorkommen, werden
bei neuen Produktionen bis zu 25 % der Antriebe mit
Frequenzumrichter ausgerüstet. Dabei spielt der Drehzahlbereich
der Arbeitsmaschine die entscheidende Rolle. Der
Planer muss alle dafür relevanten Größen erfassen (Bild 15)
und in ein Kennlinienfeld der zulässigen Belastungen verschiedener
Motorgrößen eintragen, um den geeigneten
Motor auszuwählen. Im allgemeinen ist es bei den Anforderungen
in der Chemie am wirtschaftlichsten, Normmotoren
ohne Fremdlüfter auszuwählen. Wegen der nichtsinusförmi-
nein
atp 3.2008 www.atp-online.de
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�
gen Ausgangsspannung muss durch Reduktion des Drehmomentes
die thermische Belastung des Motors innerhalb
der zulässigen Grenzen gehalten werden. Zu beachten ist
weiter, dass mit sinkender Drehzahl die Eigenlüfterleistung
nachlässt und somit das erreichbare Drehmoment weiter
absinkt. Oberhalb der Nenndrehzahl muss das Drehmoment
infolge der Feldschwächung und erhöhter Eisenverluste
ebenfalls reduziert werden. Die Belastungskennlinien der
Motoren müssen vom Hersteller zur Verfügung gestellt werden
und können dann vom Planer mit den Kenndaten der
Arbeitsmaschine zur Projektierung genutzt werden
(Bild 16).
Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass die Nennleistung
der Motoren oder nach Norm die Bemessungsleistung
die an der Welle abgegebene Leistung im Nennbetrieb ist:
PN = √ –– 3 x UN x IN cos φN x ηN Sie ist um den Wirkungsgrad kleiner als die von der
Maschine aufgenommene Leistung. Nicht zu verwechseln ist
sie mit der sogenannten „Wellenleistung“ der Arbeitsmaschine.
Damit ist die Leistung gemeint, die die Arbeitsmaschine
zur Erfüllung ihrer verfahrenstechnischen Aufgabenstellung
benötigt. Diese muss mindestens um den Wirkungsgrad
von Kupplung und evtl. Getriebe erhöht werden,
um die Nennleistung des Motors zu bestimmen. Es gilt also:
P auf = √ –– 3 x U N x I N cos φ N > P N > P Welle/η Koppelelemente
Zu beachten ist auch, dass insbesondere Drehmomente
nicht nur prozentual sondern immer auch absolut angegeben
werden, damit die erforderlichen Werte eindeutig
festliegen. Zur Erinnerung sei die zugeschnittene Größen-
M in [Nm]
Gegenmomentverlauf
der Arbeitsmaschine
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 20 40 60 80 100
f in [Hz] aus n in [min –1 ]
M in [Nm]
Bild 16. Projektierung Drezahlregelung.
120,0
100,0
80,0
60,0
40,0
20,0
Konstantmoment
Linear mit
Konstantanteil
Linear
Quadratisch
0,0
0 50
f in [Hz]
100
Wissenswert
Bild 15. Notwendige Angaben für die Projektierung bei Umricherbetrieb.
gleichung für das Moment ebenfalls noch einmal angegeben:
M = 9550 x P ab /n
mit
M Drehmoment an der Welle des Motors in [Nm]
P ab Leistung an der Welle des Motors in [kW]
n Drehzahl des Motors in [min –1 ]
Produktionsanlage
Arbeitsmaschine und Antrieb stehen in modernen Chemieanlagen
nicht mehr allein für sich, sondern sind notwendigerweise
immer in die Automatisierung der Produktionsanlage
eingebunden, auch wenn sie nur örtlich bedient wer-
Thermische Grenzbelastung
von 3 Motorleistungen
0 20 40 60 80 100
f in [Hz]
www.atp-online.de atp 3.2008 67
M in [Nm]
120,0
100,0
80,0
60,0
40,0
20,0
0,0
7,5 kW Motor
11 kW Motor
Linear
15 kW Motor
Quadratisch
Linear Torque
Linear with elevation
at minimal speed
15 kW Motor
11 kW Motor
7,5 kW Motor
Konstantmoment

Wissenswert
Bedienungsvarianten
PLS, Konventionell oder Bus-Interface
Produktionsanlage
den (Bild 17). Das erfordert geeignete Hilfsmittel, um sie in
die Systemtechnik der Produktionsanlage zu integrieren.
Leider werden gerade in der Systemtechnik häufig herstellerspezifische
Lösungen benutzt, die die geforderte Flexibilität
z. T. in nicht tragbarer Weise einschränken. Neben den
68
Priorisierung der Steuerung und Regelung
Version 4: DCS Operation
Field-
Local Operation
VFD
DCS
Start Stop Faster Slower Light Light
NAMUR Interface
Interlock Inevitable
Line Interruption
Bild 17. Produktionsanlage.
PLS
Device ID
optional
Liste
VFD C1 EIN
LOGO
PROFIBUS
Status Hand
PROFIBUS
Probleme Bedienoberfläche
Telegramm
Hand/Auto
VFD A1 VFD A2 VFD B1 VFD C1
PROFIdrive Standard Telegramm 20
DO IO DATA
number
Setpoint STW1
(control word 1)
Bild 18. PROFIdrive Profil.
1 2
NSOLL_A
/
FSOLL
Auto
Konfigurationssoftware
1 2 3 4 5
ZSW1
(status word1) NIST_A_GLAT
DO IO DATA
number
6
Actual Value
T/
FIST_GLATT
IAIST_GLATT ITIST_GLATT
or
MIST_GLATT
PIST_GLATT MELD_NAMUR
Normung Sicherheitsschalter ist in Arbeit
Bild 19. Sicherheitsschalter.
früher erwähnten Schnittstellen wird heutzutage die Kommunikation
von Antrieben über Feldbusse insbesondere den
PROFIBUS angestrebt und vor allen Dingen bei Direktstartern
auch schon genutzt. Die Signalvielfalt von Umrichtern
erfordert für eine einfache Planung die einheitliche Festlegung
der Telegramme mit Steuerwort, Zustandswort, Soll
und Istwerten sowie einem fixen Wertebereich dieser analogen
Signale. Weiterhin muss für alle Geräte, die austauschbar
sein sollen, die gerätespezifische beschreibende Device ID
herstellerunabhängig gleich sein. Zu diesem Zweck haben
der Arbeitskreis PROFIdrive und der VIK/NAMUR Arbeitskreis
Antriebstechnik eine Empfehlung erarbeitet, die diese flexible
Arbeitsweise wie bei einer konventionellen Schnittstelle
ermöglicht [9] (Bild 18). Speziell auf die Bedürfnisse der
Anwender sind Betrachtungen der Handlungen im Notfall
und bei Ausfall des Feldbusses mit in die Überlegungen einbezogen
worden [10] und [11]. Sie erfordern allerdings eine
sehr klar strukturierte Gliederung der Prioritäten. Neben der
Kopplung erfordert auch die anschauliche Bedienerführung
auf dem Monitor der Leitsysteme eine bedarfsgerechte Planung.
Hier sollten möglichst die Systemhersteller geeignete
Werkzeuge zur Verfügung stellen, die nach Werksstandards
bedarfsgerecht modifiziert werden können.
Man sollte nicht übersehen, dass gerade elektrische
Antriebe auch sicherheitstechnisch zu betrachten sind. Die
sichere Freischaltung für Handhabungen an den Arbeitsmaschinen
erfordert geeignete Schaltgeräte, die auch von nicht
elektrotechnisch unterwiesenen Personen ohne Gefahr
bedient werden können. Aus diesem Grund wurde von VIK/
NAMUR Arbeitskreisen ein Entwurf zur die Normung von
Sicherheitsschaltern (Bild 19) für Wartungs- und Reparaturarbeiten
erarbeitet, der zur Zeit bei der IEC in der Diskussion
ist [12]. Ein Abschluss dieser Arbeit wird auf der Basis der zur
Zeit vorliegenden Anforderungen und Erfahrungen eine
klare Regelung für die Ausführung solcher Einrichtungen
bringen.
Zusammenfassung
Die Planung von elektrischen Antrieben in der Chemischen
Verfahrenstechnik ist komplex, da nicht nur der Motor sondern
auch die ganze Kette vom Netz, über die Motorversorgung
mit Direktstarter oder Stromrichter, die Arbeitsmaschine
bis zur Produktionsanlage betrachtet werden müssen.
Anwenderorientierte Verbände wie VIK und NAMUR
haben dazu eine Menge Hilfen in Form von Empfehlungen,
Arbeitskreisen, Normungsaktivitäten oder Fachtagungen
erarbeitet. Diese stellen für den Planer eine wertvolle
Unterstützung dar, vor allen Dingen, wenn er im Ausland
arbeitet und auf sich allein gestellt ist. Die Aktualisierung
dieser Arbeiten ist ebenso wie die Anregung aus Anwenderkreisen
eine wichtige Stütze für die weitere Arbeit der
Verbände.
Literatur
[1] DIN EN 61000 2 4:2002: Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
Teil 2–4: Umgebungsbedingungen – Verträglichkeitspegel für niederfrequente
leitungsgeführte Störgrößen in Industrieanlagen,
Deutsche Normen, Mai 2003 entspricht IEC 61000-2-4:2002.
atp 3.2008 www.atp-online.de
�

�
[2] NE 38: Ausführung von Frequenzumrichtern; Grenzen der Spannungsbeanspruchung
von Motoren beim Betrieb an Pulsumrichtern,
Frequency Converter Design; Voltage Stress Limits of Motors on
Impulse Converters, NAMUR Empfehlung März 2007.
[3] VE 27: Energieleitungen für Frequenzumrichter, Power Lines for Frequency
Converters, VIK Empfehlung, Juni 2004.
[4] NE 108: Energieleitungen für Frequenzumrichter, Power Lines for
Frequency Converters, NAMUR Empfehlung, November 2004.
[5] NE 37: Ausführung von Frequenzumrichtern Standard Klemmenleiste
für drehzahlveränderbare Antriebe, Realisation of Frequency
Converters Standard Terminal Strip for Variablespeed Drives, NAMUR
Empfehlung, April 2006.
[6] VE 1: Drehstrom-Asynchronmotoren, Technische Anforderungen,
3-Phase Asynchronous Motors, Technical Requirements, VIK Empfehlung,
April 2005.
[7] NE 47: Drehstrom-Asynchronmotoren, Technische Anforderungen,
3-Phase Asynchronous Motors, Technical Requirements, NAMUR
Empfehlung, September 2006.
[8] Lehrmann, Ch.: Temperaturvorausberechnung an oberflächengekühlten
Asynchronmotoren, Bulletin SEV/AES 24/25 2006.
[9] PInternational: Profile Drive Technology, PROFIdrive Profile, Technical
Specification for PROFIBUS and PROFINET, Version 4.1, May 2006,
Order No: 3.172.
Wissenswert
[10] VE 28: PROFIBUS Schnittstelle für Antriebe mit Frequenzumrichtern
in der Verfahrenstechnik, Technische Anforderungen, Entwurf
November 2007.
[11] NE 122: PROFIBUS Schnittstelle für Antriebe mit Frequenzumrichtern
in der Verfahrenstechnik, PROFIBUS Interface for Drives with Frequency
Converters in Process Technology, Entwurf NAMUR Empfehlung,
November 2007.
[12] IEC 60947 3 Annex D: Besondere Anforderungen für gekapselte
Reparatur-/Wartungsschalter, Special requirements for enclosed
repair and maintenance switches, DE-Vorschlag für einen Anhang zu
IEC 60947 3, Mai 2006.
Dr. Ing. Hans Linnenbrink ist bei der Bayer MaterialScience
Technical Services für Elektrotechnik und
Antriebstechnik zuständig. Er ist Leiter des Arbeitskreises
Antriebstechnik von VIK/ NAMUR.
Adresse: Bayer MaterialScience AG, Dr. Hans Linnenbrink,
BMS TS PCT, NAMUR AK 3.15 Antriebstechnik,
Geb. 4815, D-51368 Leverkusen, Tel. +49 214
3043965, Fax +49 214 309643965, E-Mail: hans.linnenbrink@bayermaterialscience.com,
Internet:
www.bayermaterialscience.com
www.atp-online.de atp 3.2008 69