Die SMC™-50-Technologie und Steuerungsfortschritte...Autotransformator-Starter und ähnliche...

White Paper

Die SMC™-50-Technologie und Steuerungsfortschritte

Sensorlose lineare Beschleunigung und Energiemanagement

Weitere Informationen In den unten aufgeführten Dokumenten finden Sie weitere Informationen zu verwandten Produkten von Rockwell Automation.

Unter http://www.rockwellautomation.com/literature können Sie Publikationen anzeigen und herunterladen. Wenn Sie gedruckte Exemplare der technischen Dokumentation bestellen möchten, wenden Sie sich an Ihren Allen-Bradley-Distributor oder eine Vertriebsniederlassung von Rockwell Automation.

Thema Seite

Einführung 2

Energieeffizienz dank abgestimmter Anlaufmethode 3

SMC-50-Startmodi 5

Grafischer Vergleich der Werte 8

Die Unterschiede der Stoppmethoden 9

Wann sollte lineare Beschleunigung und wann eine Drehmomentregelungsrampe verwendet werden? 11

Wie optimiert der SMC-50 Ihren Energieverbrauch? 12

Frequenzumrichter und SMC im Vergleich 17

Fazit 17

Publikation Beschreibung

Richtlinien zur störungsfreien Verdrahtung und Erdung von industriellen Automatisierungssystemen, Publikation 1770-4.1

Enthält allgemeine Richtlinien für die Installation eines Industriesystems von Rockwell Automation.

Website zu Produktzertifizierungen, http://www.ab.com Stellt Konformitätserklärungen, Zertifikate und weitere Zertifizierungsinformationen bereit.

http://www.literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/in/1770-in041_-en-p.pdf

http://www.ab.com


Einführung Mit steigenden Kosten und Umweltauflagen werden auch Energieeinsparungen immer wichtiger, und die Energieeffizienz einer Anlage oder Fertigungshalle bekommt eine höhere Priorität. Laut US Department of Energy verbrauchen Motoren 64 % des gesamten Strombedarfs US-amerikanischer Hersteller. Motoren für Pumpen und Lüfter machen mehr als die Hälfte der Last aus. Weltweit verursachen Pumpen 20 % des gesamten Stromverbrauchs. Zunehmend wird die Anlaufmethode des Motors als Möglichkeit für Kosteneinsparungen begriffen. Wenn nur die absolut erforderliche Energie zum Starten und Betreiben der Motoren aufgewendet und die Energieverschwendung minimiert wird, können die Stromkosten deutlich gesenkt werden.

Technologieoptionen zum Starten von Motoren sind Schütze, Frequenzumrichter oder Geräte wie die der Softstarter-Reihe SMC™ („Smart Motor Controller“) von Allen-Bradley: SMC Flex, SMC-3 und der neue SMC-50. Jede dieser Technologien verursacht abhängig von den jeweiligen Anwendungen andere Kosten und bietet unterschiedliche Leistungsattribute. Wenn Schütze für den Startvorgang verwendet werden, sind herkömmliche Optionen einfaches Ein- und Ausschalten. Zu den komplexeren Konfigurationen zählen Stern-Dreieck-Starter, Starter mit variablen Drehzahlen, Autotransformator-Starter und ähnliche Starter. Für herkömmliches DOL-Starten („Direct On Line“) ist ein Schütz sowie ein einfaches oder erweitertes Motorschutzrelais erforderlich. Die Technologie der Frequenzumrichter hat sich in den vergangenen 20 Jahren rasant weiterentwickelt und sich als Standard-Startlösung im Bereich der Drehmomentregelung sowie für Anwendungen mit linearer Beschleunigung etabliert. Frequenzumrichter nutzen fortschrittliche Technologien zur Regelung von Spannung und Frequenz beim Starten, Betreiben und Stoppen von Motoren.

Die SMC-Reihe der Softstarter von Allen-Bradley regelt Spannung und Strom während des Startens und Stoppens. Für die Startregelung stehen Funktionen wie Softstart sowie Starten mit Strombegrenzung, Pumpenregelung, Kriechdrehzahl und Direktstart zur Verfügung. Die SMC-Reihe bietet außerdem Funktionen zum Stoppen der Pumpe, zum intelligenten Bremsen des Motors und für den Softstopp. Der spezielle Betrieb mit Kriechdrehzahl ist in einem von zwei Modi möglich. All diese Funktionen können dank eines standardmäßig integrierten Bypass-Schützes im SMC-3 oder SMC Flex genutzt werden. Der Vorteil des integrierten Bypass liegt in den geringeren Produktabmessungen und der reduzierten Wärmeabstrahlung der Steuerung, wenn der Motor seine Drehzahl erreicht hat. Dann trägt der elektromechanische Bypass die Last.

Zwar eignen sich SMC Flex und SMC-3 für die meisten Anwendungen, doch der Bedarf an Startfunktionen für Zentrifugalpumpen und Lasten mit hoher Trägheit mit tatsächlicher Drehmoment- und Drehzahlregelung veranlasste Rockwell Automation, neue Softstart-Technologien zu entwickeln. Die neue elektronische Motorsteuerung SMC-50 bietet neuartige Funktionen für lineare Beschleunigung/Verzögerung und Drehmomentregelung. Alle wichtigen Merkmale des SMC Flex und des SMC-3 sowie der älteren Produkte SMC Dialog und SMC Plus wurden in das neue Steuerungsmodul SMC-50 integriert. Das neue Steuerungsmodul bietet dem Kunden dank einer vollständig elektronischen Leistungsstruktur (ohne integrierten Bypass) Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit. Ein SMC kann nun also die meisten Startfunktionen für Motoren ausführen, ob lineare Beschleunigung oder lediglich Softstart. So kann der Kunde mithilfe einer einzigen Steuerung Start- und Steuerungsfunktionen für eine große Bandbreite von Lasttypen ausführen.

2 Rockwell Automation-Publikation 150-WP005B-DE-P – März 2013


Energieeffizienz dank abgestimmter Anlaufmethode

Der Energieverbrauch beim Starten eines typischen NEMA Design B-Motors mithilfe von DOL, Softstart, Pumpenregelung und Drehmomentregelung kann mit diesen allgemeinen Drehmoment-/Drehzahlkurven eines Pumpensystems dargestellt werden. Das Beschleunigungsdrehmoment ist die Differenz zwischen aufgebrachtem Drehmoment und der Last. Es gilt, mit dem geringstmöglichen Beschleunigungsdrehmoment den effizientesten Start zu ermöglichen.

Abbildung 1 - DOL-Start

Abbildung 2 - Softstart

Drehmoment

180 %

100 %

Volllastdrehmoment

Drehzahl 100 %

Pumpensystem(erforderliches

Drehmoment/Energie)

Anzugsmoment DOL

Ausfalldrehmoment

Übermäßiges Beschleunigungsdrehmoment verursacht Wasserschlag

Standard-Motordrehmoment/Energiekurve

Übermäßiges Beschleunigungsdrehmoment(Energieverlust)

In allen Grafiken stellt die Linie des Pumpensystems das erforderliche Lastdrehmoment dar.

Beachten Sie, wie viel überschüssige Energie zum Starten der Pumpe bei Verwendung des standardmäßigen DOL-Starters genutzt wird.

Drehmoment

100 %

DOL

Pumpensystem

Drehzahl 100 %

(erforderliches Drehmoment/Energie)

Übermäßige Beschleunigungs-kraft (Energieverlust)


FLT

Spannung reduziert

Beschleunigungs-drehmoment

Mit Softstart wird der allgemeine Energieverbrauch, der zum Starten der Last erforderlich ist, reduziert.

Da jedoch diese Anlassmethode einer Spannungsrampe entspricht, verbleiben aufgrund der Motoreigenschaften übermäßige Drehmomente im System.

Rockwell Automation-Publikation 150-WP005B-DE-P – März 2013 3


Abbildung 3 - Pumpenregelung

Abbildung 4 - Drehmomentregelung

Der SMC-50 bietet in sämtlichen Betriebsmodi die gleichen Funktionen wie der SMC Flex, einschließlich der Startmodi Softstart und Pumpenregelung. Der SMC-50 bietet jedoch darüber hinaus auch erweiterte Optionen wie Drehmomentregelung und lineare Beschleunigung, die für Pumpensysteme und andere Anwendungen umfassendere Regelfunktionen ermöglichen. Dank dieser flexiblen Modusauswahl können Anwender die Leistung manuell optimieren oder die Steuerung so effizient wie möglich nutzen. Bei Auswahl der entsprechenden Anlaufmethode werden der Energieverbrauch reduziert und das Profil der Start-/Stoppvorgänge an die Last angepasst, sodass maximale Einsparungen erzielt werden können.

Weitere Informationen zum SMC Flex oder SMC-50 mit Pumpenregelung finden Sie im White Paper, „SMC Controllers with Pump Control“, Publikation 150-WP003.

Drehmoment

TLF %001

DOL

Spannung reduziert

Ideales Pumpensystem

Drehzahl 100 %


Energieverlust


Pumpenregelung

Mit der Pumpenregelungsoption des SMC-50 wird die Regelung sogar noch verbessert, wodurch eine weitere Reduzierung des Energieverbrauchs beim Start ermöglicht wird.

Der erweiterte Algorithmus für die Drehmomentregelung ermöglicht eine noch präzisere Regelung für einen gleichmäßigen Start.

Drehmoment

FLT100 %

DOL

Drehzahl 100 %


Energieverlust

Drehmoment-regelung

Spannung reduziert

Pumpen-regelung

Ideales Pumpensystem




SMC-50-Startmodi Lineare Beschleunigung

Lineare Beschleunigung ermöglicht die einfachste und konsistenteste Start- und Stoppsteuerung mithilfe einer linearen Drehzahlrampe. Unabhängig von Lasttyp oder -bedingung wird bei dieser Anlaufmethode versucht, den Motor innerhalb der angegebenen Zeit zu starten. Ein externer Tachometer ist nicht erforderlich. Typische anzupassende Parameter sind u. a.: Wechsel des Startmodus von der Standardeinstellung Softstart zu linearer Beschleunigung und ggf. Ändern der Rampenzeit-Standardeinstellung von 10 Sekunden.

Abbildung 5 - Lineare Beschleunigung gegenüber Pumpenstart – Zentrifugalpumpenlast

Wenn der Motor seine Drehzahl und seinen Vollspannungswert erreicht hat, ist die lineare Beschleunigungssteuerung solange deaktiviert, bis der Befehl zum Stoppen des Motors gegeben wird. Dieser Stoppbefehl kann entweder ein einfaches Auslaufen auslösen oder einen komplexeren Vorgang, wie z. B. Pumpenregelung oder lineare Verzögerung. Der proprietäre Algorithmus ermöglicht der Steuerung, unabhängig von den Lastbedingungen nur die erforderliche Energie zum Starten und Stoppen zu verbrauchen. Diese Funktion eignet sich hervorragend für Anwendungen mit unterschiedlichen Lastbedingungen zu unterschiedlichen Zeiten (z. B. beladene/unbeladene Förderbänder). Durch diese Art der Steuerung kann der Modus mit umschaltbaren Rampen überflüssig werden. Der Benutzer muss nicht die Einstellungen des SMC-50 an die unterschiedlichen Lasten oder Bedingungen anpassen. Für Anwendungen, in denen außerdem die Regelung des Maximalstroms erforderlich sein kann, lässt sich die Funktion zur Strombegrenzung während des Startens/Stoppens mit der linearen Beschleunigung kombinieren. Der Algorithmus übernimmt sämtliche Aufgaben, sodass die lineare Beschleunigung die einfachste Anlaufmethode des SMC-50 ist.

Messung

Zeit

Referenzdrehmomen

Motordrehmoment

Motordrehzahl

Motorstrom

Messung

Zeit

Linearer Beschleunigungsmodus Pumpenmodus

Hinweis:• Tatsächliche Differenz der Anlaufzeit des linearen im Vergleich zum Pumpenmodus• Gleichmäßigere Drehmomentkurve bei linearer Beschleunigung• Höherer Spitzenstrom im Pumpenmodus

Parametereinstellungen = Anlaufzeit: 10 Sekunden



Drehmomentrampe

Drehmomentrampe ermöglicht die Steuerung des tatsächlichen Drehmoments über einen proprietären Algorithmus. Die Rampe steigt vom anfänglichen Startdrehmoment auf ein maximales Drehmomentniveau. In der Standardeinstellung ist das Startdrehmoment auf 70 % und das maximale Drehmoment auf 250 % festgelegt. Wie bei der linearen Beschleunigung kann die Standardeinstellung der Rampenzeit (10 Sekunden) angepasst werden. Allerdings kann im Gegensatz zur linearen Beschleunigung die Rampenzeit in Abhängigkeit zur Last variieren. Zum Unterstützen der Drehmomentrampe misst die Steuerung mithilfe eines automatischen Abstimmungsprozesses Parameter wie Widerstand und Induktivität. Dieser Abstimmungsprozess ermittelt außerdem die Motoranschaltung (3-Phasen- oder Dreieckschaltung). Dank der Anpassbarkeit des anfänglichen und maximalen Drehmoments einer festgelegten Rampenzeit kann der Anwender den Motorstart präzise steuern. Im Vergleich zum Softstart-Modus, der eine Spannungsrampe verwendet, erfolgt die Drehmomentregelung wesentlich linearer. Daher werden die mechanischen Komponenten des Systems weniger belastet und für den Motorstart wird das entsprechende Drehmoment zur Verfügung gestellt. Sowohl für konstante als auch für variable Drehmomentlasten wird ein konstantes Beschleunigungsdrehmoment bereitgestellt.

Vollspannung

Dieses Anlaufverfahren verwendet im Prinzip den SMC-50 als elektronisches Schütz, möglicherweise für anspruchsvolle Arbeitszyklen. Beim Start werden Vollstrom und Vollspannung eingesetzt. Ein Kunde kann dieses Vorgehen zur Problembehandlung anwenden oder die Diagnose des SMC-50 statt eines herkömmlichen elektromechanischen Starters verwenden.

Strombegrenzung

Durch die Strombegrenzung kann der SMC-50 die Einhaltung von Stromnachfrageanforderungen, die Reduzierung von Netzstörungen und die Einhaltung werksinterner Verteilungsvorgaben unterstützen. Beachten Sie: Eine Strombegrenzung führt auch zu einer Begrenzung des Motordrehmoments beim Start. Ein Start mit Strombegrenzung kann in Verbindung mit Softstart, Drehmomentregelung und linearer Beschleunigung verwendet werden.



Softstart

Bei einem Softstart wird der Motor mit einer linearen Spannungsrampe gestartet und weder Drehzahl noch Drehmoment des Motors werden direkt geregelt. Das Startdrehmoment ist ungefähr proportional zum Quadrat der angelegten Spannung. % Drehmoment Spannung2

Gemäß der oben genannten Gleichung ergibt sich: Eine Reduzierung der angelegten Spannung um 60 % resultiert in einer Reduzierung des erzeugten Drehmoments um etwa 84 %. Für dieses Beispiel werden 40 % der Spannung verwendet. (0,4)2 = 0,16 oder 16 % des Anzugsmoments stehen zur Verfügung. Der Strom während des Starts steht in direkter Beziehung zur am Motor angelegten Spannung.

Pumpenregelung

Im Gegensatz zur Regelung des tatsächlichen Drehmoments der Drehmomentrampenoption stellt die Pumpenregelung eine Variante der Drehmomentregelung mit einem proprietären Algorithmus dar, der für das Starten und Stoppen einer Pumpe optimiert wurde. So werden Stoßwerte in einem Leitungssystem mit Flüssigkeiten vermieden und Wasserschlag sowie Pumpenkavitation verringert.

Kriechdrehzahl-Steuerung

Der SMC-50 bietet eine erweiterte Option zur Regelung von Drehzahlen von ±15 % der Nulldrehzahl. Verschiedene Softstarter, z. B. der SMC Flex, können nur festgelegte Kriechdrehzahlen zur Verfügung stellen, i. d. R. eine oder zwei Einstellungen. Die erweiterte Steuerung bietet verbesserte Drehmomentfunktionen sowie die Möglichkeit, die exakte Betriebsdrehzahl auszuwählen. Die Leistung kann als mögliche Alternative für einfache Positionierungs- und spezielle Frequenzumrichteranwendungen betrachtet werden. Der SMC-50 bietet Ihnen bedarfsgerecht erweiterte Steuerungsfunktionen für Ihr System.

Hinweis: Bei Eingabe eines negativen Wertes ändert sich die Laufrichtung des Motors.

Strom (gezogen)

Strom (maximal)

Spannung (angelegt)

Leitungsspannung=



Grafischer Vergleich der Werte

Im Folgenden finden Sie einen Vergleich der tatsächlichen Werte beim Starten und Stoppen für die lineare Beschleunigung, Drehmomentregelung, Pumpenregelung und den Softstart bei einer Zentrifugalpumpe. Die Pumpenlast wurde als eher dynamisches Startmerkmal definiert und spiegelt einen wichtigen Teil des Softstartermarkts wider. Die spezifischen Startmerkmale eines bestimmten Pumpenmotors werden durch Typ und Positionierung der Ventile, Länge der Leitungsstränge, Strangrichtung usw. festgelegt. Zu den Vorteilen des SMC-50 zählt, dass Sie mit derselben Einheit beliebige Anlaufmethoden anwenden können, ohne verschiedene Steuermodule erwerben zu müssen.

Abbildung 6 - Start-/Stoppmodus lineare Beschleunigung; Lasttyp = Pumpe

Wird die Pumpe mit linearer Beschleunigung und Verzögerung gestartet und gestoppt, wird unabhängig von der Lastbedingung exakt die erforderliche Energie für ein gleichmäßiges Starten und Stoppen bereitgestellt. Beachten Sie, dass die gleichmäßige Kurve des Motordrehmoments keine Extremausschläge für Drehmomente oder Spitzenströme aufweist. Die gleichmäßige Beschleunigung kann während eines Starts auch bei geringer Motorlast problemlos nachvollzogen werden. Während des Stoppens zeigen sich deutlich die Steuerungsfunktionen für Drehzahl und Drehmoment des Motors, mit denen Druckstöße und mechanische Störungen reduziert werden. Siehe Abbildung 6 auf Seite 8.

Abbildung 7 - Startmodus Drehmoment; Lasttyp = Pumpe

Messung

Zeit

Last:Zentrifugalpumpe% Last: 65 %Anlaufmoment: 0Rampenzeit: 10 s

Motorstrom

Motordrehzahl

Motor-Drehmoment

Messung

Zeit



Drehmomentregelung beschleunigt den Pumpenmotor mit einer linearen Drehmomentrampe, über die gesamte Dauer der Rampe. Die daraus resultierende Motordrehzahlkurve ist linear, wenn die Last dem zeitlichen Verlauf des Drehmomentprofils entspricht. Beachten Sie den höheren Spitzenstrom und den Drehmomentimpuls, während der Motor auf seine Drehzahl beschleunigt wird.

Abbildung 8 - Start-/Stoppmodus Pumpenregelung; Lasttyp = Pumpe

Im Start-/Stoppmodus Pumpenregelung wird der Motor mittels einer Drehmomentregelung mit dem Algorithmus und dem Mikroprozessor des SMC-50 effizient auf seine Drehzahl beschleunigt. So können Zentrifugalpumpen gleichmäßig gestartet und gestoppt werden, wodurch Wasserschlag reduziert wird. Beachten Sie die Leistungsverbesserung beim Stoppen im Vergleich zum Softstopp-Modus in Abbildung 9.

Abbildung 9 - Start-/Stoppmodus Softstart; Lasttyp = Pumpe

In dieser Grafik ist dargestellt, wie die Stromrampe proportional zur Spannungsrampe erhöht wird. Beachten Sie die kürzere Startzeit und den höheren Spitzenstrom während des Starts. Je nach Systemdynamik kann ein Softstart geeignet sein, Wasserschlag während des Startvorgangs zu reduzieren. Zum Stoppen wird die Spannung linear gesenkt. Dies ergibt nicht immer eine gleichmäßige Drehzahl- oder Drehmomentrampe.

Die Unterschiede der Stoppmethoden

Die Steuerung ist beim Stoppen ebenso wichtig wie beim Starten. Dies gilt vor allem für Pumpenanwendungen. Mangelhafte Steuerung von Stoppvorgängen führt in Pumpenanwendungen zu erheblichem Wasserschlag, der möglicherweise kostenintensive Reparaturen an Ventilen und tragenden Konstruktionen erforderlich macht. Die Unterschiede zwischen Softstopp, Pumpenregelung und linearer Verzögerung werden in den folgenden beiden Grafiken verdeutlicht. Es gelten die gleichen Einstellungen wie zuvor:

Messung

Zeit

Messung

Zeit



Abbildung 10 - Drehmoment – Vergleich

Abbildung 11 - Drehzahl – Vergleich

Beachten Sie die charakteristischen Motordrehmomente und -drehzahlen beim Stoppen. In diesem speziellen Beispiel im Softstopp-Modus fällt im Gegensatz zur Motordrehzahl das Drehmoment im ersten Viertel des Verzögerungsvorgangs auf den Mindestwert. Während des Stoppens der Pumpe fällt das Drehmoment etwa in der Mitte des Verzögerungsvorgangs ab. Lineare Verzögerung stellt während des Stoppens die umfangreichste Drehmomentregelung nach etwa 2/3 des Verzögerungsvorgangs bereit. Da die Motor- und Laststeuerung viel länger bis in die späteren Phasen des Stoppzyklus beibehalten werden kann, können Wasserschlag, Druckstöße und mechanische Stöße reduziert werden.

Beachten Sie, dass die zeitlich unterschiedlichen Verläufe der Drehmoment- und Drehzahlkurven bei unterschiedlichen Stoppmodi von den jeweiligen Systemdynamiken und der Last abhängen. In fast jedem Szenario wird der lineare Stoppmodus eine Drehmomentkurve aufweisen, die dem Profilverlauf der Last besser angepasst ist.

Drehmomentvergleich

Messung

Zeit

Softstopp Pumpen-stopp

Lineare Beschleunigung

Last: Zentrifugalpumpe% Last: 65 %

Messung

Zeit

Drehzahlvergleich

Softstopp

Lineare Beschleunigung

Pumpen-stopp



Wann sollte lineare Beschleunigung und wann eine Drehmoment-regelungsrampe verwendet werden?

Lineare Beschleunigung: • Anwendungsfreundlich, konsistente Leistung• Niedrigster Startspitzenstrom pro Start• Lastunabhängig• Externer Tachometer nicht erforderlich

Drehmomentregelungsrampe:• Vollständig konfigurierbare Drehmomentrampen• Konstante Beschleunigungsrate• Nur das Drehmoment muss aufgewendet werden, das für die

Beschleunigung der Last erforderlich ist

Zahlreiche ältere Startmodi wie Softstart und Pumpenregelung sind lastabhängig. Das bedeutet, dass die Start- und Stoppvorgänge kürzer als die tatsächlich programmierte Zeit sein können. Dies ist häufig dann der Fall, wenn ein Anwender eine 10-sekündige Softstartrampe programmiert und der Motor innerhalb von 4 Sekunden seine Drehzahl erreicht. Dieses Phänomen ist von der Art der Motorlast und den Geräteeinstellungen abhängig. In vielen Fällen können diese Einstellungen zwar optimiert werden. Dies erfordert jedoch umfassende Kenntnisse der Anwendung und zeitaufwändige Trial-and-Error-Verfahren. Wenn ein Kunde einen konsistenteren Start unabhängig von der Lastbedingung wünscht, ist der lastunabhängige lineare Beschleunigungsmodus optimal.

In Abbildung 6 bis Abbildung 9 sind die verschiedenen Anlaufmethoden für eine Zentrifugalpumpenlast dargestellt. Diese Kurven ähneln stark den Verläufen in Radiallüftern oder Gebläseanwendungen mit den gleichen Lastwerten, da hier ebenfalls variable Drehmomentlasten auftreten. Variable Drehmomentlasten erfordern mit zunehmender Drehzahl eine Erhöhung des Beschleunigungs-drehmoments. Eine sich exponentiell erhöhende Last eignet sich ideal für Softstarts und vor allem für Starts mit linearer Beschleunigung oder Drehmomentregelung. Der Vergleich der Kurven des Starts mit Drehmoment-regelung und der linearen Beschleunigung zeigt die Linearität der Motordrehzahl bei der Motorbeschleunigung von 0 auf die volle Drehzahl. Bei einem Softstart oder einem Start mit Pumpenregelung sind die niedrigeren Beschleunigungsraten zu Beginn und die höheren gegen Ende des Startvorgangs zu erkennen. Diese Unterschiede der Beschleunigungsraten und der festgestellte Spitzenstrom schlagen sich in Systemineffizienzen wie Druckstößen und mechanischer Vibration nieder. In Anwendungen mit variablem Drehmoment wie dieser kann die Motordrehzahl entscheidend für die Ausrüstungsleistung sein.

Eine lineare Rampe mit variablen Drehmomentlasten – ob durch lineare Beschleunigung oder Drehmomentregelung – bietet im Vergleich zu älteren Startmodi die beste Startleistung bei einer Beschleunigung von 0 auf die volle Drehzahl. Ein Unterschied der beiden Modi besteht darin, dass die Drehmomentregelung nur dann eine lineare Rampe bietet, wenn das Drehmomentprofil zeitlich dem Lastdrehmomentprofil entspricht. Bei der Drehmomentregelung ist die Beschleunigungsrate zu Beginn und am Ende der Rampe gleich, wodurch es zu Fehlausrichtungen kommen kann. Bei der linearen Beschleunigung wird die Motordrehzahl in den Vorgang einbezogen, was eine präzisere Steuerung bei geringerer Anwenderinteraktion ermöglicht. In jedem Fall ist der Vorteil dieser beiden Verfahren wie bei herkömmlichen Softstart-Verfahren eine Reduzierung mechanischer Systembelastungen. Außerdem muss nur die Energie/das Drehmoment aufgewendet werden, das für die Beschleunigung der Last erforderlich ist.



Die Leistungsverbesserungen beschränken sich nicht auf variable Drehmomentlasten. Auch bei hohen Trägheitslasten wie bei Bandsägen, Zentrifugen, Mischmaschinen, Schwungrädern, Steinbrechern und Stampfwerken sind mithilfe von linearer Beschleunigung und Drehmomentregelung Verbesserungen möglich. In jedem Modus verringert eine konsistente, lineare Beschleunigung von 0 auf die volle Drehzahl die Beanspruchung der Systemkomponenten. Die lineare Beschleunigung bietet einige zusätzliche Vorteile, da unabhängig von der Lastbedingung automatisch für jeden Start das Startstromprofil mit den niedrigsten Stromspitzen optimiert wird. Das Ergebnis ist eine für jeden Start konsistente Startdauer.

Anwendungen wie Förderbänder können zudem durch Drehmomentsteuerung oder lineare Beschleunigung erweitert werden. Dank der Lastunabhängigkeit ist meist kein Modus mit umschaltbaren Rampen mehr erforderlich und das Starten und Stoppen verläuft bei jeder Lastbedingung gleichmäßiger. In Lüfter- und Förderanlagen minimiert ein lineareres Starten den Bandschlupf und anderen mechanischen Verschleiß.

Die proprietären Algorithmen zur Drehzahlerkennung und Motorsteuerung des SMC-50 ermöglichen eine Anpassung der linearen Beschleunigung und Verzögerung eines Motors durch den Bediener. Warum ist dies wichtig? Präzisere Steuerung und höhere Flexibilität verhindern Energieverschwendung, verringern die Stromspitzen, reduzieren mechanischen Verschleiß und maximieren so Ihren Profit.

Wie optimiert der SMC-50 Ihren Energieverbrauch?

Niedrigere Energieverbrauchsspitzen:

Beim Starten von Motoren unter geringer Last verbrauchen DOL-Starter normalerweise mehr Energie, als für den Startvorgang erforderlich ist. Im linearen Beschleunigungsmodus des SMC-50 wird der gesamte Startvorgang verwaltet, sodass nur genau soviel Energie wie nötig aufgewendet wird, um den Motor in der geforderten Zeit zu starten.

Weniger mechanischer Verschleiß:

Ein reduzierter mechanischer Verschleiß kann sich auf vielfache Weise bezahlt machen, beispielsweise durch geringere Wartungsanforderungen, weniger Ausfallzeiten und Produktionsausfälle sowie einen effizienteren Systembetrieb.

Messsystem:

Der Energieverbrauch kann besser verwaltet werden, wenn er gemessen und überwacht wird. Der SMC-50 bietet diverse Funktionen zum Messen und Verwalten des Energieverbrauchs, die es dem Kunden ermöglichen, die Anwendungsleistung zu überwachen und zu optimieren.



Stromstärke: Die effektiven Stromstärkewerte werden für jede Phase bereitgestellt, zusätzlich die durchschnittliche Stromstärke aller drei Phasen.

Spannung: Die effektiven Leiter-Leiter- und Leiter-Nullleiter-Spannungswerte werden während des Betriebs und während des Stoppens des Motors bereitgestellt. Außerdem werden die Durchschnittswerte bereitgestellt.

Netzfrequenz: Messung und Anwenderzugriff auf die Netzfrequenz (Hz).

Leistung: Wirk-, Blind- und Scheinleistungswerte werden für jede Phase berechnet. Zusätzlich werden Gesamtwerte für alle drei Phasen berechnet. Darüber hinaus wird der Strombedarf sowie der maximale Strombedarf angegeben.

Leistungsfaktor: Der Wert des Leistungsfaktors wird für jede Phase sowie als Gesamtwert angegeben.

Wert und Zeitangabe der Startstromspitze: Der SMC-50 speichert den effektiven durchschnittlichen Spitzenstromverbrauch zusammen mit der protokollierten Zeitangabe für die letzten fünf Startzyklen.

Total Harmonic Distortion (THD): Der SMC-50 berechnet die gesamte harmonische Verzerrung (THD) für die drei Netzspannungs- und Motorstromwerte sowie die Durchschnittswerte.

Spannungsasymmetrie: Das Spannungsasymmetriesignal wird berechnet und bereitgestellt.

Stromasymmetrie: Das Stromasymmetriesignal wird berechnet und bereitgestellt.

Energieeinsparungen: Der SMC-50 stellt die Energieeinsparung als Prozentwert bereit, wenn der Motor im Energiesparmodus betrieben wird.

Motordrehmoment: Das elektromechanische Motordrehmoment wird auf der Grundlage des Strom- und Spannungsfeedbacks vom Motor berechnet.

Motordrehzahl: Der SMC-50 berechnet bei Betrieb im linearen Beschleunigungsstartmodus und im Verzögerungsstoppemodus die geschätzte Motordrehzahl als Prozentwert der vollen Drehzahl.

Betriebszeit: Die Betriebszeitmessung erfasst die Dauer in Stunden von der Auslösung des Motorstartbefehls bis zur Ausgabe des Befehls zum Stoppen des Motors. Bei einem neuen Startbefehl wird die Messung auf Null zurückgesetzt und beginnt von neuem.

SnapShot-Aufzeichnung: Bei einem Fehler zeichnet der SMC-50 mehrere Betriebseigenschaften (z. B. Stromstärke und Spannung) vor dem Auftreten des Fehlers auf.



Energiesparfunktion:

Zusätzlich zur Auswahl der geeigneten Anlaufmethode mit dem SMC-50 wurde von Rockwell Automation ein Energiesparmodus implementiert, der dem SMC-50 die Optimierung des Energieverbrauchs während des Betriebs von Motoren mit geringer Last ermöglicht. Dieser ist für Anwendungen wie Förderband- und Fördertechniksysteme, Aufzüge, VAV-Systeme (Variable Air Volume), Pumpen, Kompressoren und andere Anwendungen vorgesehen, die häufig für längere Zeit mit geringer Last oder vollständig unbelastet betrieben werden.

Beim Betrieb im elektronischen Modus steuern die SCRs die Ausgangsspannung, sodass Motorleistungsverluste durch Verringern der Motorklemmenspannung reduziert werden können. Wird der Energiesparmodus über einen Parameter aktiviert, wird die interne Feedbackschaltung überwacht. Über einen Messparameter kann die Energieeinsparung als Prozentwert angezeigt und überwacht werden.

Verluste in einem Motor werden in verschiedene Komponenten eingeteilt. Es gibt Reibungs- und Lüftungsverluste, I2R-Verluste, Kernverluste und magnetische Verluste. Reibungs- und Lüftungsverluste bleiben bei voller Last und bei Nulllast konstant. Bei Nulllast können jedoch I2R-Verluste, Kernverluste und magnetische Verluste durch Verringern der angelegten Spannung reduziert werden.

Angenommen, ein Motor mit 30 kW (40 HP) bezieht für seinen Betrieb 30 kW aus dem Netz. Aufgrund der internen Verluste des Motors wird zusätzliche Energie aus dem Netz bezogen. Ist der Motor zu 95 % effizient, werden zusätzlich 1,5 kW, also insgesamt 31,5 kW aus dem Stromnetz bezogen, wenn der Motor bei voller Last betrieben wird. In der Praxis können nicht alle Verluste wie z. B. durch Reibung vermieden werden, etwa 50 % können jedoch eingespart werden. Bei einem 30 kW (40 HP)-Motor können also etwa die Hälfte der 1,5 kW-Verluste vermieden werden. Theoretisch können also maximal 0,75 kW eingespart werden. In den tatsächlichen Anwendungen liegt dieser Wert wahrscheinlich unter den theoretischen 0,75 kW.

Überlegungen zu Energiesparanwendungen

Abbildung 12 wurde für Motoren mit 10, 50 und 125 HP entwickelt. Testergebnisse und unterstützende Daten zeigen, dass Einsparungen über 50 % unwahrscheinlich sind. Dies veranschaulicht die obere Kurve in Abbildung 13. Die Testdaten für untere Grenzwerte zeigen, dass bei Nulllast 20 % Verluste vermieden werden und bei 20 % Last keine Verluste entstehen. Dies veranschaulicht die untere Kurve in Abbildung 13.



Abbildung 12 - % kW Einsparung bei % Nennlast

Abbildung 13 - Geschätzte Energieeinsparung

Eine einfache vorläufige „Volllast-Nulllast“-Schätzung für eine Energiesparanwendung kann wie folgt durchgeführt werden:

1. Rechnen Sie Horsepower in Kilowatt um.

2. Bestimmen Sie die gesamten vom Motor verbrauchten Kilowatt, indem Sie die Horsepower/Kilowatt durch die Motoreffizienz teilen.

3. Bestimmen Sie die Motorverluste, indem Sie die umgerechneten Horsepower/Kilowatt von den gesamten Kilowatt abziehen.

4. Berechnen Sie die maximalen theoretischen Einsparungen in Kilowatt, indem Sie die Motorverluste mit 0,50 multiplizieren.

5. Bestimmen Sie die eingesparten Kilowattstunden, indem Sie die maximalen theoretischen Einsparungen in Kilowatt mit der Anzahl der Stunden, für die der Motor pro Jahr bei Nulllast betrieben wird, multiplizieren.

6. Die maximalen theoretischen Einsparungen können dann in Euro berechnet werden, indem Sie die eingesparten Kilowattstunden mit dem Strompreis pro Kilowattstunde multiplizieren.

% Last10

10

20

30

40

50

60

20 30 40 50 60

50 Hp

125 Hp

10 Hp

% kW gespart

% Vermiedene Verluste

% Motorlast10

10

20

30

40

50

60

20 30 40 50 60



Beispielrechnung

Zusätzliche detailliertere Berechnungen werden dringend empfohlen, um die möglichen Einsparungen genauer bestimmen zu können. Die Variablen der Arbeits- und Lastzyklen müssen genau eingeschätzt werden. Beachten Sie, dass ein unbelastet betriebener Motor nicht mit einem Motor verglichen werden kann, der nicht an die Ausrüstung angeschlossen ist, und es zu Verlusten in Verbindung mit dem System kommen kann. Wenden Sie sich bezüglich der tatsächlichen Nulllasteigenschaften an die Motorenhersteller.

Diese Berechnungen basieren auf der Annahme, dass die elektronische Steuerung nicht nur aufgrund der Energieeinsparungen erforderlich ist. Wenn ein solches Gerät nur aufgrund der Energieeinsparungen erworben wurde, fallen die Einsparungen tatsächlich geringer aus. Der Grund hierfür ist, dass die Spannung an jedem elektronischen Leistungspol um etwa einen Volt abfällt. Beispielsweise verliert eine elektronische Steuerung für einen dreiphasigen Motor mit 50 Ampere zwischen 150 und 225 Watt mehr als ein gleichwertiges elektromechanisches Gerät. Diese Verluste müssen von den Gesamtenergieeinsparungen abgezogen werden, wenn die Energiesparanwendung ein elektromechanisches Gerät ersetzt.

Voraus-gesetzt:

Motorwirkungsgrad: 95 %Motorlast-Arbeitszyklus: 50 % (EIN 15 Min., AUS 15 Min.)Motorleistung und Laufzeit: 50 HP, 8 Stunden/Tag, 2080 Stunden/Jahr

Für die Berechnungen wird von folgenden Bedingungen ausgegangen: Normallast = volle Nennlast des Motors; für den Lastbereich gilt eine Nulllast.

Aus den oben genannten Daten und der folgenden Methode ergeben sich die theoretischen maximalen Energieeinsparungen:

Schritt Formel Ergebnis

1 kW = 0,746 (50) kW = 37,3

2 kW gesamt = (37,3)/0,95 kW gesamt = 39,26 kW

3 Verluste = 39,26 bis 37,3 Verluste = 1,96 kW

4 Max. theoretische Einsparungen = (1,96 kW) (0,50) Max. theoretische Einsparungen = 0,98 kW

5 (0,98) (0,5) (2080) = 1019 kWh/Jahr

6 Bei Kosten von $0,2/kWh, gilt für die geschätzten Einsparungen:(0,2) (1019)

Geschätzte Einsparungen = $203,84/Jahr



Frequenzumrichter und SMC im Vergleich

In zahlreichen Anwendungen können sowohl Softstarter als auch Frequenzumrichter eingesetzt werden. Wichtigste Faktoren bei der Entscheidungsfindung sind die erforderliche Anwendungsleistung, der verfügbare Platz und die Installationskomplexität.

Ein SMC steuert den Motor nur beim Starten und Stoppen, von wenigen Ausnahmen (Kriechdrehzahl und Energiesparmodus) abgesehen. Frequenzumrichter hingegen steuern den Motor nicht nur beim Starten und Stoppen, sondern auch während des Betriebs, indem sie das Bemessungsdrehmoment bereitstellen. Ein Frequenzumrichter kann daher fast alle Funktionen eines Softstarters übernehmen. Ist eine Steuerung für die Anwendung nur beim Starten und Stoppen von Bedeutung, ist das SMC eine gute Alternative. Wenn eine Steuerung nicht nur beim Starten und Stoppen erforderlich ist und Kriechdrehzahlen mit einer höheren Genauigkeit als ±15 % eingehalten werden müssen, ist ein Frequenzumrichter besser geeignet.

In fast allen Fällen ist die benötigte Stellfläche im Schaltschrank bei einem Softstarter wesentlich kleiner. Zudem verfügen der SMC-3 und der SMC Flex aufgrund des integrierten Bypass-Schützes über eine geringere Wärmeabstrahlung. Ein Softstarter im Bypassbetrieb läuft mit fast 99 % Effizienz. Ein Frequenzumrichter erzeugt in der Regel mehr Wärme und die Umgebung spielt eine wichtigere Rolle als bei einem SMC.

Schlussendlich sollte noch die Komplexität der Installation bedacht werden. Dazu gehören die Kosten für zusätzliche Ausrüstung, die zur Steuerung der Umgebungseinflüsse (Klimatisierung) und zur Einhaltung der CE-Konformität notwendig ist. Wenn einem System Frequenzumrichter hinzugefügt werden, kann sich dies negativ auf die Qualität der Systemleistung auswirken, sofern diese nicht richtig installiert und betrieben werden. EMV-Filter, Isolierung und Spezialkabel können die Gesamtkosten der Installation im Vergleich zu Softstartern erhöhen. Und je höher die Leistung eines Systems, desto größer ist auch die Kostendifferenz zwischen SMC und Frequenzumrichter.

Fazit Der SMC-50 ergänzt die funktionsreiche Softstarter-Produktfamilie von Rockwell Automation um weitere Optionen. Die neueste Entwicklung bietet dem Endkunden ein Gerät mit allen Funktionen vergangener Modelle. Zusätzlich kommen lineare Beschleunigung, Drehmomentregelung, verbesserter Betrieb mit Kriechdrehzahl und ein verbesserter Energiesparmodus hinzu. Der Austausch von Steuerungsmodulen zum Testen unterschiedlicher Startverfahren ist nicht mehr erforderlich. Ändern Sie einfach einen Parameter, um den Prozess zu beginnen, oder nutzen Sie mit der linearen Beschleunigung den bedienerfreundlichsten Startmodus, der auf dem Markt verfügbar ist. Kombinieren Sie die erweiterte Steuerung mit einer leistungsstarken Auswahl an Leistungsüberwachungsparametern und Sie erhalten eine hoch integrierte Softstart-Lösung. Diese kann einem Werksleiter dabei helfen, Betriebskosten zu überwachen oder die Investitionen in eine dezentrale Pumpenstation zu maximieren.


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