Abgestimmte Auswahl an Generatoren und Elektromotoren

Kürzlich kam ein Kunde auf uns zu. Sie realisieren ein Projekt für eine Verarbeitungsfabrik im Ausland. Die lokale Netzleistung ist unzureichend und die Stromversorgung instabil. Daher müssen sie ihren eigenen Stromgenerator als Hauptstromquelle mitbringen. Das größte Problem des Kunden ist, dass in der Fabrik mehrere Elektromotoren installiert sind, darunter Brecher, Ventilatoren und Förderbänder. Sie befürchten, dass ein zu kleiner Generator nicht ausreichend Leistung liefern kann, während ein zu großer Generator unnötige Kosten verursachen würde. Sie fragten mich, wie Generator und Elektromotor optimal aufeinander abgestimmt werden können.

Dieses Problem tritt bei industriellen Projekten sehr häufig auf: die Abstimmung von Generatoren und Elektromotoren. Wird der Generator allein anhand der Nennleistung des Elektromotors ausgelegt, entstehen Probleme. Der entscheidende Grund hierfür ist, dass der Stromstoß beim Anlauf des Motors deutlich höher ist als der Strom während des normalen Betriebs.

Wenn der Motor gestartet wird, muss die Rotations-Trägheit des Rotors sowie der Widerstand der Last überwunden werden, um von der Stillstandsdrehzahl auf die Nenndrehzahl zu beschleunigen. In diesem Prozess steigt der Statorstrom des Motors stark an. Bei einem dreiphasigen Asynchronmotor beträgt der Anlaufstrom beim direkten Start üblicherweise das 5- bis 7-Fache des Nennstroms. Das heißt, der Strombedarf der Stromversorgung für einen 30-kW-Motor kann im Moment des direkten Hochfahrens 150 bis 210 Ampere erreichen, und die entsprechende Leistungsanforderung liegt deutlich über der Nennleistung des Motors.

Wenn das generator Wenn der Satz diesem Stoß ausgesetzt ist, sind die entscheidenden Kenngrößen die transiente Spannungsregelgeschwindigkeit und die Wiederherstellungszeit. Unter dem Einfluss eines hohen Stroms fällt die Spannung am Generatorausgang sofort ab. Fällt sie zu stark oder erholt sie sich zu langsam, führt dies zu einer instabilen Funktion des Schützes, einer Fehlfunktion der Schutzeinrichtung und einem direkten Abschalten des Generators. Daher besteht die Abstimmung von Generator und Elektromotor im Wesentlichen in einem Ausgleich zwischen der transienten Leistungsabgabekapazität des Generators und dem Stoßbedarf des Motors.

Die Anlaufart des Elektromotors hat den größten Einfluss auf die Auswahl des Generators.

Der direkte Anlauf verursacht den stärksten Stoß und weist ein hohes Anlaufstromverhältnis auf; er eignet sich daher für Motoren mit geringer Leistung oder für Geräte mit hohen Anforderungen an das Anzugsmoment. Bei Verwendung des direkten Anlaufs wird der generator Die Leistung beträgt in der Regel das 2,5- bis 3,5-Fache der Motornennleistung. Das genaue Vielfache hängt von der Leistungsfähigkeit des Erregungssystems des Generators ab. Aggregate mit Permanentmagnet-Erregung oder digitaler Erregungsregelung weisen eine bessere transiente Reaktion auf, wodurch das Vielfache entsprechend reduziert werden kann.

Der Spannungsabsenkungsstart ist ein gängiges Verfahren zur Reduzierung von Einschaltstößen; dazu zählen beispielsweise der Stern-Dreieck-Start und der Spannungsabsenkungsstart mit einem Selbstkupplungstransformator. Beim Stern-Dreieck-Start lässt sich der Anlaufstrom auf etwa ein Drittel des direkten Startstroms senken; allerdings verringert sich dabei auch das Anzugsmoment entsprechend – dies eignet sich daher für Geräte, die im Leerlauf oder bei geringer Last gestartet werden. In diesem Fall wird die Generatorleistung üblicherweise mit dem 1,5- bis 2-Fachen der Motornennleistung ausgelegt.

Derzeit werden Weichanlasser weit verbreitet eingesetzt. Durch eine steuerbare Silizium-Spannungsregelung kann die Spannung sanft ansteigen. Der Anlaufstrom lässt sich auf das 2- bis 3-Fache des Nennstroms begrenzen. Der Anlaufvorgang verläuft stabil und belastet den Generator nur geringfügig. Bei Verwendung eines Weichanlassers sollte die Leistung des Generators das 1,2- bis 1,5-Fache der Motorleistung betragen.

Der Frequenzumrichterbetrieb stellt die Methode mit der geringsten Belastung beim Anfahren dar. Der Anlaufstrom überschreitet im Wesentlichen nicht den Nennstrom des Motors, und die Belastung des Generators ist nahezu vernachlässigbar. Als nichtlineare Last erzeugt der Frequenzumrichter jedoch Oberschwingungen. Bei der Auswahl ist daher auf die Leistungsfähigkeit der automatischen Spannungsregelung (AVR) des Generators zu achten; gegebenenfalls ist ein Oberschwingungsfilter zu installieren.

Neben der Art des Anlaufs ist auch die Art der Last entscheidend. Geräte mit schwerem Anlauf, wie Luftkompressoren, Brecher und Wasserpumpen, führen während des Anlaufvorgangs bereits eine Last, was stärkere Auswirkungen hat als ein Leerlaufanlauf. Bei gleichzeitigem Betrieb mehrerer Motoren darf die Leistung der einzelnen Motoren nicht einfach addiert werden. Es ist notwendig, den Gleichzeitigkeitbeiwert zu berücksichtigen und die ungünstigsten Betriebsbedingungen zu prüfen – beispielsweise den Fall, dass mehrere Motoren gleichzeitig gestartet werden.

Auch Umweltfaktoren müssen berücksichtigt werden. Pro 1.000 Meter Höhe nimmt die Ausgangsleistung des Generators um etwa 10 % ab, da die geringere Luftdichte die Wärmeableitung und die Verbrennung beeinträchtigt. Wenn die Umgebungstemperatur 40 °C überschreitet, muss die Leistung ebenfalls reduziert werden. In besonderen Umgebungen wie Küstengebieten oder Wüsten ist zudem die Schutzart sowie die Korrosionsschutzklasse entsprechend zu erhöhen.

Zurück zur Verarbeitungsfabrik des Kunden halfen wir ihm dabei, folgende Komponenten zu sortieren: eine 45 kW starke Brechmaschine mit schwerem Anlauf, ausgestattet mit einem Frequenzumrichter; ein 22 kW starker Lüfter mit leerlaufendem Anlauf, der einen Weichanlasser verwendet; sowie mehrere kleinleistige Förderbandmotoren mit direktem Anlauf. Gleichzeitig beträgt der Betriebsfaktor 0,8; unter Berücksichtigung der Startreihenfolge bei den ungünstigsten Betriebsbedingungen wurde schließlich ein 120 kW starkes Generatorset mit Permanentmagnet-Erregung und digitaler Spannungsregelung installiert. Das Feedback des Kunden nach der Inbetriebnahme lautete, dass die Anlagen reibungslos starten, die Spannungsschwankungen innerhalb des zulässigen Bereichs liegen und der Betrieb stabil ist.

Im Allgemeinen ist die richtige Abstimmung des generator und der Motor ist die genaue Bewertung des Anlaufstoßes des Motors sowie die angemessene Abstimmung der transienten Reaktionsfähigkeit des Generators. Startmodus, Lastart, Umgebungsbedingungen und die Koordination mehrerer Maschinen sind unverzichtbar. Bei einer sorgfältigen Auswahl treten vor Ort weniger Probleme auf.