Converter-fed synchronous motors – the new centrifuge drive? Der

Converter-fed synchronous motors –
the new centrifuge drive?
Der umrichtergespeiste Synchronmotor –
Ein neuer Zentrifugenantrieb?
Siegfried Pusch
Recent discussions have often referred to converter-fed synchronous motors as the new centrifuge drive. The following analysis of
pros and cons confirms that permanent-magnet synchronous motors – compared to standard asynchronous motors – offer neither
technical nor commercial benefits for centrifuge drives.
In letzter Zeit wird des Öfteren der umrichtergespeiste Synchronmotor als neuer Zentrifugenantrieb diskutiert. Wie die nachstehenden Ausführungen zeigen, bringt der permanent erregte Synchronmotor gegenüber dem bis jetzt eingesetzten Asynchronmotor bei
Zentrifugenantrieben keine wesentlichen technischen und wirtschaftlichen Vorteile.
Key words: centrifuge drive, converter-fed synchronous motor
Stichwörter: Zentrifugenantrieb, Synchronmotor
1 Introduction
1 Einleitung
In the course of the last decade, converter-fed AC centrifuge drives
have reached a high technical standard. PWM (pulse width modulation) converters with IGBTs (insulated-gate bipolar transistors)
and a self-commutated active infeed module (AIM) in the infeed
section of the kind widely used today produce practically no line
harmonic distortion and are characterized by very high availability. A rugged asynchronous machine with the high IP55 degree of
protection is used as the motor. Synchronous motors have recently
reappeared on the scene as an alternative to asynchronous motors.
Among the numerous arguments cited in their favor are: reduced
active power consumption, higher cycle frequency, better efficiency, lower rotor moment of inertia, superior power factor etc.
The following analysis of pros and cons confirms that permanentmagnet synchronous motors – compared to standard asynchronous
motors – offer neither technical nor commercial benefits for centrifuge drives.
Der umrichtergespeiste Drehstromzentrifugenantrieb hat in den
ca. letzten 10 Jahren ein hohes technisches Niveau erreicht. Die
generell eingesetzten pulsbreitenmodulierten Umrichter (PWMUmrichter) mit Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode
(IGBT) und selbst geführtem Active Infeed Module (AIM) im Einspeiseteil haben nahezu keine Netzrückwirkungen und zeichnen
sich durch eine hohe Verfügbarkeit aus. Als Motor wird die robuste
Asynchronmaschine in hoher Schutzart IP55 eingesetzt.
In letzter Zeit wird wieder der Synchronmotor als Alternative
zum Asynchronmotor diskutiert mit den positiven Argumenten
im Vergleich zum Asynchronmotor wie geringerer Wirkenergieverbrauch, höhere Chargenzahl, besserer Wirkungsgrad, geringeres Läuferträgheitsmoment, besserer Leistungsfaktor u.a. Wie die
nachstehenden Ausführungen zeigen, bringt der permanent erregte
Synchronmotor gegenüber dem bis jetzt eingesetzten Asynchronmotor bei Zentrifugenantrieben keine wesentlichen technischen
und wirtschaftlichen Vorteile.
2 Active power consumption
2 Wirkenergieverbrauch
2.1 Charge cycle
2.1 Chargenablauf
The active power consumption W is generally determined as follows:
t
2
Der Wirkenergieverbrauch W ergibt sich allgemein aus:
t2
W = Ú P ◊ dt
W = Ú P ◊ dt
t1
so that if P = constant over a defined time interval, then
t1
daraus folgt bei P = konstant über das Zeitintervall
W
P t
=
◊
kWh kW h
W
P t
=
◊
kWh kW h
P
t
Active power consumed
Time for which active power is transferred
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P
t
Aufgenommene Wirkleistung
Zeitdauer der übertragenen Wirkleistung
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In the context of a centrifuge drive, P refers to the active power
during one charge cycle, i.e. the active power that is consumed
during the individual operating phases of a cycle minus the active
power that is fed back during regenerative braking. The time t is
the duration of a centrifugal cycle, made up of the times for filling, acceleration, spinning (centrifugation at maximum speed of
rotation), braking, and discharging, including screen flushing and
accelerating to filling speed.
It is evident from the above that the two principal factors influencing the active power consumption of a centrifuge drive are the
active power P and the cycle time t. Yet which factors determine
these two values?
Bezogen auf den Zentrifugenantrieb bedeutet P die Wirkleistung
während einer Charge, d.h. die während einer Charge aufgenommene Wirkleistung in den einzelnen Betriebsabschnitten abzüglich der während des generatorischen Bremsens zurückgespeisten
Wirkleistung. Die Zeit t ist die Dauer einer Zentrifugencharge, bestehend aus den Zeiten für Füllen, Beschleunigen, Zentrifugieren
bei maximaler Drehzahl, Bremsen und Ausräumen einschließlich
Siebwäsche und Beschleunigen bis zur Fülldrehzahl.
Wie aus dem Vorhergehenden ersichtlich ist, sind die beeinflussenden Faktoren für den Wirkenergieverbrauch eines Zentrifugenantriebes die Wirkleistung P und die Chargenzeit t. Was bestimmt
nun diese beiden Werte?
2.2 Active power P
2.2 Wirkleistung P
The active power P is generally determined as follows:
Die Wirkleistung P ergibt sich allgemein aus:
PIn = POut/η
Pzu = Pab/η
PIn Active power consumed by the drive at the converter input in
kW
POut Active power output by the drive at the motor shaft in kW
η Efficiency of the complete drive system
Pzu Aufgenommene Wirkleistung des Antriebes am Umrichtereingang in kW
Pab Abgegebene Wirkleistung des Antriebes an der Motorwelle in
kW
η Wirkungsgrad des gesamten Antriebssystems
The active power (shaft output) POut required by the drive in each
cycle is calculated from the active powers for acceleration and
braking as a function of the torque MReq and the active powers for
filling, spinning, and discharging (details below).
The efficiency η of the drive is essentially determined by the converter and the motor (the transmission losses in the cables and the
transformer are negligible). IGBTs are installed in the power section of almost all PWM converters in use today regardless of the
manufacturer, so that virtually any converter in the world market
is likely to have exactly the same efficiency, namely 0.97. There
is therefore no need to discuss this aspect further here. As far as
the AC asynchronous motors normally used are concerned, for instance for a 1750 kg centrifuge, the 8-pole Siemens motor has a rated power of 250 kW and an efficiency of η = 95.7%. The efficiency
of permanent-magnet synchronous motors is examined later.
Die erforderliche Wirkleistung (Wellenleistung) Pab des Antriebes
je Charge errechnet sich aus den Wirkleistungen für das Beschleunigen und Bremsen über das Moment Merf und den Wirkleistungen
für Füllen, Zentrifugieren und Ausräumen, Details siehe unten.
Der Wirkungsgrad η des Antriebes wird im Wesentlichen bestimmt
durch den Umrichter und den Motor (die Übertragungsverluste in
den Kabeln und im Transformator seien vernachlässigt). Bei den
heute verwendeten PWM-Umrichtern nahezu aller Hersteller sind
im Leistungsteil IGBT eingesetzt, so dass man bei allen Umrichtern auf dem Weltmarkt mit nahezu identischen Wirkungsgraden
von etwa 0,97 rechnen kann, deshalb wird hier nicht näher darauf
eingegangen. Bei den normalerweise eingesetzten Drehstromasynchronmotoren für z.B. eine 1750-kg-Zentrifuge hat der 8-polige
Siemens-Motor eine Bemessungsleistung von 250 kW, der einen
Wirkungsgrad von η = 95,7 % hat. Auf den Wirkungsgrad des permanent erregten Synchronmotors wird später eingegangen.
2.3 Cycle time t
The cycle time t is made up of the individual phases for filling,
acceleration, spinning, braking, and discharging, including screen
washing and accelerating to filling speed. The times for filling,
spinning, and discharging are determined by the technology and
by the mechanics of the centrifuge. In the case of the discharging
time, a significant improvement can be achieved by optimizing the
discharger design, for example by using a double discharger (the
solution adopted by one French centrifuge manufacturer) or a long
discharger (preferred by one German manufacturer). This does
not lead to any reduction in active power consumption, however,
because the shorter discharging time necessitates a much higher
discharging torque.
The cycle time can only be influenced by the electric drive during the acceleration and braking phases. The drive acceleration
and braking times are derived from the required centrifuge performance in cycles/h together with the cycle time calculated from this
performance rating, minus the technology-related times for filling,
spinning, and discharging.
462
2.3 Chargenzeit t
Die Chargenzeit t setzt sich zusammen wie in Abs. 2.1 beschrieben.
Die Zeiten für Füllen, Zentrifugieren und Ausräumen sind technologisch bestimmt bzw. durch die Mechanik der Zentrifuge, wobei
die Ausräumzeit durch eine besondere Konstruktion der Ausräumvorrichtung wie z.B. durch einen Doppelausräumer (wie bei einem
französischen Zentrifugenhersteller) oder durch einen langen Ausräumer (wie bei einem deutschen Zentrifugenhersteller) wesentlich
verkürzt werden kann. Eine Verringerung des Wirkenergieverbrauchs
wird dabei allerdings nicht erreicht, da durch die verkürzte Ausräumzeit ein wesentlich höheres Ausräummoment notwendig ist.
Die Beeinflussung der Chargenzeit seitens des elektrischen Antriebes ist nur bei der Beschleunigungs- und Bremszeit möglich.
Die Beschleunigungs- und Bremszeit für den Antrieb ergibt sich
aus der geforderten Zentrifugenleistung in Chargen/h mit der daraus errechneten Chargenzeit abzüglich der technologischen Zeiten
für Füllen, Zentrifugieren und Ausräumen.
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The torque MReq (in Nm) required by the drive can be generally
calculated as follows from the required acceleration and braking
times:
Aus der geforderten Beschleunigungs- und Bremszeit kann das
erforderliche Moment Merf (in Nm) für den Antrieb allgemein errechnen werden:
Motor operation (acceleration):
Motorischer Betrieb (Beschleunigen):
M Req =
( J C + J M ) ◊ Dn
+ ML
9.55 ◊ t Up
Generator operation (braking):
– M Req =
JC
M erf =
( J z + J M ) ◊ Dn
+ ML
9, 55 ◊ tH
Generatorischer Betrieb (Bremsen):
( J C + J M ) ◊ Dn
– ML
9.55 ◊ t B
– M erf =
( J z + J M ) ◊ Dn
– ML
9, 55 ◊ t B
Moments of inertia of the centrifuge drum when empty/
full/centrifuged in kg · m2
Moment of inertia of the motor rotor in kg · m2
Filling speed–spinning speed or spinning speed–discharging speed in min–1
Acceleration time in s
Braking time in s
Load torque (air and bearing friction) in Nm
Trägheitsmomente der Zentrifugentrommel leer/voll/zentrifugiert in kg · m2
JM Trägheitsmoment des Motorläufers in kg · m2
∆n Fülldrehzahl–Maximaldrehzahl bzw. Maximaldrehzahl–Ausräumzahl in min–1
tH Beschleunigungszeit in s
tB Bremszeit in s
ML Lastmoment (Luft- und Lagerreibung) in Nm
Since the drive in question is a simple inertia drive, the load torque
ML (air and bearing friction) has no significant influence on the
calculation and can normally be ignored because it is canceled out
in the calculation of the times, in other words the calculated acceleration time is slightly too short while the braking time is slightly
too long.
Prior to calculating MReq, it is necessary to specify the number of
motor poles (usually eight) owing to the required centrifuge spinning speed for asynchronous motors, because the torque decreases
in line with the relationship nF/nMax from the start of the field weakening speed nF up to maximum speed nMax.
The optimum rated speed must be selected for a synchronous motor because it influences the voltage limit curve, which in turn limits the permissible torque in the field weakening range as well as
the maximum speed. Both the acceleration time tUp and the braking
time tB must, in other words, be divided into two ranges – one with
a constant torque and one with a decreasing torque. Providing the
converter has sufficient current reserves, the decreasing torque in
the field weakening range can be compensated there by a correspondingly higher current.
Da es sich hier um einen reinen Schwungmassenantrieb handelt,
geht das Lastmoment ML (Luft- und Lagerreibung) nicht wesentlich in die Rechnung ein bzw. kann vernachlässigt werden, da es
sich bei der Berechnung der Zeiten in der Summe aufhebt, d.h. die
errechnete Beschleunigungszeit ist etwas zu kurz, die Bremszeit
etwas zu lang. Bevor man die Berechnung von Merf durchführt, muss
man aufgrund der geforderten Maximaldrehzahl der Zentrifuge bei
Asynchronmotoren die Polzahl des Motors festlegen, im allgemeinen 8-polig, da ab dem Beginn der Feldschwächdrehzahl nF bis zur
Maximaldrehzahl nMax das Moment abnimmt nach der Beziehung nF/
nMax.
Bei Synchronmotoren ist die entsprechende Bemessungsdrehzahl
auszuwählen, da diese die Spannungsgrenzkurve beeinflusst und
diese wiederum das zulässige Moment im Feldschwächbereich
und die Maximaldrehzahl begrenzt. Das heißt, man muss sowohl
die Beschleunigungszeit tH als auch die Bremszeit tB in zwei Bereiche aufteilen, einen mit konstantem Moment und einen mit abnehmenden Moment. Wenn der Umrichter genug Stromreserven
hat, kann man das abnehmende Moment im Feldschwächbereich
durch einen entsprechend höheren Strom in diesem Bereich kompensieren.
JM
∆n
tUp
tB
ML
JZ
2.4 Active power consumption
2.4 Wirkenergieverbrauch
The above-mentioned formulas are used to determine the motor
torque MReq required for acceleration and braking and thus also
the active power consumption WUp/WB as a function of the power
PReq. The active power consumption during the other phases, for
instance for filling (WCh) a 1750 kg centrifuge, is calculated as follows from the times for filling/spinning/discharging as well as the
respective required torques:
WCh =
e.g.
WCh =
MCh
nCh
tCh
ηCon
M Ch ◊ nCh ◊ tCh
9550 ◊ 3600 ◊ hCon ◊ hMot
1250 Nm ◊ 180 min –1 ◊ 10 s
= 0.07 kWh/Filling
9550 ◊ 3600 ◊ 0.97 ◊ 0.957
Torque during filling in Nm
Filling speed in min–1
Filling time in s
Converter efficiency
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Mit den vorhergehenden Formeln wird für das Beschleunigen und
Bremsen das Motordrehmoment Merf bestimmt und damit über die
Leistung Perf der Wirkenergieverbrauch WH/WB. Mit den Zeiten für
Füllen/Zentrifugieren/Ausräumen und den dabei erforderlichen
Momenten errechnet man den Wirkenergieverbrauch in diesen Abschnitten z.B. für das Füllen WFü bei einer 1750 kg-Zentrifuge mit:
MFü · nFü · tFü
WFü = ——————————–
9550 · 3600 – hUmr – hMot
z.B.
1250 Nm · 180 min–1 · 10 s
WFü = —————————–—— = 0,07 kWh/Füllen
9550 · 3600 · 0,97 · 0,957
MFü Moment beim Füllen in Nm
nFü Fülldrehzahl in min–1
tFü
Füllzeit in s
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ηMot
Motor efficiency
The torque during filling and the filling time can vary, depending
on the viscosity of the massecuite, the filling pressure and the net
orifice of the filling inlet. The exact actual torque value can be read
from the trace memory of the converter during operation. The total
active power consumption WCyc/cycle is thus as follows:
WCyc = WCh + WUp + WSp – WB + WDi
WCh Active power consumption during filling in kWh
WUp Active power consumption during acceleration in kWh
WSp Active power consumption during spinning in kWh
WB Active power regeneration during braking ( – ) in kWh
WDi Active power consumption during discharging in kWh
It can be seen from the above formulas that the active power consumption of a centrifuge drive depends on the following factors:
The active power consumption WUp/WB during acceleration / braking, which is in turn dependent on the moments of inertia of the
centrifuge drum when empty/full/centrifuged (including any rotating accessories), the acceleration and braking times, and the operating speeds during filling / spinning / discharging. Although the
converter and motor efficiencies are taken into account in the calculation, they are not significant owing to their high values and they
are also more or less identical irrespective of the manufacturer.
It follows from this that (assuming practically identical drive efficiencies) the drive and the drive principle – whether AC asynchronous motor or permanent-magnet synchronous motor – have
no real influence on the active power consumption of a centrifuge
drive, as the above-mentioned dependencies confirm (details below).
The active power consumptions during filling WCh, spinning WSp,
and discharging WDi are determined by the technology as well as by
the mechanics of the centrifuge and the quality of the massecuite,
in other words they are not influenced by the drive. For this reason,
it is not possible to specify an active power consumption for a drive
– as some manufacturers purport to do – without referring to the
centrifuge data and the cyclic sequence!
The active power consumption of a standard centrifuge type under
normal operating conditions is approximately 0.9 kWh/tMa, which
can be reduced to 0.7 kWh/tMa in ideal conditions, albeit uninfluenced by the drive (Ma = massecuite).
3 Comparison of drive systems
for a 1750 kg centrifuge
The synchronous speed of an asynchronous motor is fixed by the
number of its poles and the rated frequency:
nS = 120 · fR/p
Synchronous speed in min–1
Rated frequency in Hz
Number of poles
Eight-pole asynchronous motors are normally used for centrifuge
drives. In a synchronous motor, the synchronous speed (= rated
speed) is determined by the design of the winding rather than by
464
Das Moment während des Füllens und die Füllzeit können schwanken, abhängig von der Viskosität des Magmas, dem Fülldruck und
dem Öffnungsquerschnitt des Füllstutzens. Im Betrieb kann man
den genauen Drehmoment-Istwert über den Tracespeicher im Umrichter auslesen.
Damit ergibt sich der gesamte Wirkenergieverbrauch WSp/Charge
zu:
WSp = WFü + WH + WSl – WB + WAr
WFü
WH
WSl
WB
WAr
Wirkenergieverbrauch beim Füllen in kWh
Wirkenergieverbrauch beim Beschleunigen in kWh
Wirkenergieverbrauch beim Zentrifugieren in kWh
Wirkenergierückspeisung beim Bremsen ( – ) in kWh
Wirkenergieverbrauch beim Ausräumen in kWh
Wie aus den vorhergehenden Formeln ersichtlich ist, ist der Wirkenergieverbrauch eines Zentrifugenantriebes abhängig von dem
Wirkenergieverbrauch WH/WB während des Beschleunigens/Bremsens, der abhängig ist von den Trägheitsmomenten der Zentrifugentrommel leer/voll/abzentrifugiert einschließlich rotierendem
Zubehör, den Hochlauf- und Bremszeiten und den Betriebsdrehzahlen für Füllen/Zentrifugieren/Ausräumen. Die Wirkungsgrade
von Umrichter und Motor gehen zwar auch in die Berechnung ein,
aber aufgrund ihrer hohen Werte nicht wesentlich und sind annähernd herstellerunabhängig.
Daraus folgt, dass der Antrieb und die Art des Antriebes (bei annähernd gleichen Wirkungsgraden der Antriebe), sei es ein Drehstromasynchronmotor oder ein permanent erregter Synchronmotor, keinen nennenswerten Einfluss auf den Wirkenergieverbrauch
eines Zentrifugenantriebes hat, wie die vorhergehenden Abhängigkeiten zeigen (siehe auch nächsten Abschnitt).
Die Wirkenergieverbräuche für Füllen WFü, Zentrifugieren WSl und
Ausräumen WAr, sind technologisch bestimmt bzw. durch die Mechanik der Zentrifuge und durch die Magmabeschaffenheit und
werden durch den Antrieb nicht beeinflusst. Aus diesem Grunde ist
eine Wirkenergieverbrauchsangabe für den Antrieb – wie teilweise
publiziert – ohne Bezug auf die Zentrifugendaten und den Chargenverlauf nicht möglich!
Der Wirkenergieverbrauch einer Zentrifuge üblicher Bauart unter
normalen Betriebsbedingungen liegt bei etwa 0,9 kWh/tMa, der bei
optimalen Voraussetzungen auf 0,7 kWh/tMa reduziert werden kann,
jedoch ohne Beeinflussung durch den Antrieb (Ma = Magma).
3 Vergleich der Antriebssysteme
für eine 1750-kg-Zentrifuge
3.1 Drive systems
nS
fR
p
ηUmr Umrichterwirkungsgrad
ηMot Motorwirkungsgrad
3.1 Antriebssysteme
Die Synchrondrehzahl des Asynchronmotors liegt aufgrund seiner
Polzahl und der Bemessungsfrequenz fest nach:
nS = 120 · fB/p
nS Synchrone Drehzahl in min–1
fB Bemessungsfrequenz in Hz
p Polzahl
Bei den Zentrifugenantrieben werden normalerweise 8-polige
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Fig. 1: Asynchronous motor (left) and synchronous motor (right)
U Voltage, RS Stator resistance, XS Stator reactance, Xh Main reactance, XL
Rotor reactance, RL/S Rotor resistance/slip, Xd/q Reactance longitudinal-/lateral
axis, EMK Electromotive force
Abb. 1: Asynchronmotor (links) und Synchronmotor (rechts)
U Spannung, RS Ständerwiderstand, XS Ständerreaktanz, Xh Hauptreaktanz, XL
Läuferreaktanz, RL/S Läuferwiderstand/Schlupf, Xd/q Reaktanz Längs-/Querachse, EMK Elektromotorische Kraft
the number of poles and defined based on the customer’s requirements. A motor with a rated speed of, say, 800 or 900 min–1 and
perhaps 16 poles would be suited as a synchronous motor for a centrifuge. The rotor would not be magnetized via the stator because
the synchronous motor has a permanent magnet. The fundamental
differences between the two motor types are shown in the equivalent circuit diagrams (Fig. 1).
The technical design of synchronous motor windings can vary considerably and the same also applies to their values, which is why
only the most important differences are described in the following.
3.2 Efficiency η
The efficiency of the Siemens 250 kW / 8-pole AC asynchronous
motor is η = 95.7% at a rated speed of 740 min–1 and rated current.
The efficiency of a permanent-magnet synchronous motor under
the same conditions is assumed to be η = 96.4%. (The rated speed
of synchronous motors is not fixed at the rated speed of asynchronous motors but is usually adjustable in steps of 200 min–1, so that
the next rated speed of a synchronous motor would be 800 or 900
min–1, in other words the synchronous motor efficiency mentioned
above is based on conversions.) The efficiency η of the synchronous motor is thus 0.73% higher. Assuming the synchronous motor
has an active power consumption per cycle of 0.700 kWh/tMa, this
figure would be increased to 0.705 kWh/tMa for an asynchronous
motor – too small a difference to be measurable using standard
instruments!
For a 1750 kg centrifuge with a capacity of 30 cycles/h, operating
24 h/day during a 100-day campaign with an efficiency increase
of 0.73% for the permanent-magnet synchronous motor compared
to the asynchronous motor, this would mean the following saving
in active power consumption W per campaign for the synchronous
motor:
W = 0.7 kWh/tMa · 1.75 t/cycle · 30 cycles/h · 24 h/d · 100 d · 0.0073
= 644 kWh/campaign
If the price is taken to be EUR0.1/kWh, a cost reduction of 644
kWh · EUR0.1/kWh = EUR64.40 would be achieved in the course
of one campaign using the drive with a synchronous motor!
These values can be converted as necessary if the operating data
deviates from the above assumptions, for example a smaller number of cycles, a different active power consumption/tMa, a longer
campaign etc. In practice, the efficiency of a synchronous motor
deteriorates in the field weakening range (owing to the additional
current required to weaken the flow in the rotor), so that these values will actually be even lower!
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Asynchronmotoren eingesetzt. Bei dem Synchronmotor wird die
Synchrondrehzahl = Bemessungsdrehzahl durch die Wicklungsauslegung und nicht durch die Polzahl bestimmt und wird nach den
Kundenanforderungen festgelegt. Bei Synchronmotoren für Zentrifugen kämen Motoren mit einer Bemessungsdrehzahl von z.B.
800 oder 900 min–1 zum Einsatz, die 16-polig sein können. Aufgrund des permanent erregten Synchronmotors entfällt die Magnetisierung des Läufers über den Ständer. Die grundsätzlichen Unterschiede der beiden Motorenarten zeigen die Ersatzschaltbilder
in Abbildung 1.
Da die Wicklungsauslegung der Synchronmotoren technisch unterschiedlich sein kann, können deren Werte variieren und sollen daher nachstehend nur die grundsätzlichen Unterschiede aufzeigen.
3.2 Wirkungsgrad η
Der Wirkungsgrad des Siemens-Drehstromasynchronmotors 250
kW / 8 p beträgt η = 95,7 % bei einer Bemessungsdrehzahl von 740
min–1 und Bemessungsstrom. Der Wirkungsgrad des permanent erregten Synchronmotors bei gleichen Bedingungen wird mit η =
96,4 % angenommen. (Die Bemessungsdrehzahl von Synchronmotoren wird nicht auf die Bemessungsdrehzahl der Asynchronmotoren festgelegt, sondern im Allgemeinen in Drehzahlschritten
von 200 min–1, so dass die nächste Bemessungsdrehzahl des Synchronmotors bei 800 oder 900 min–1 läge, so dass der vorgenannte
Wirkungsgrad des Synchronmotors auf Umrechnungen beruht.)
Damit ergibt sich eine Erhöhung des Wirkungsgrades η von 0,73
% für den Synchronmotor.
Legt man einen Wirkenergieverbrauch/Charge von 0,700 kWh/
tMa für den Synchronmotor zugrunde, ergibt sich eine Erhöhung
auf 0,705 kWh/tMa für den Asynchronmotor, was mit normalen
Messungen schon nicht mehr nachweisbar ist! Bei einer 1750-kgZentrifuge ergibt sich bei einer Leistung von 30 Chargen/h, einem
Betrieb von 24 h/d, einer Kampagnedauer von 100 d und einer Wirkungsgraderhöhung des permanent erregten Synchronmotors von
0,73 % im Vergleich zum Asynchronmotor eine Wirkenergieverbrauchseinsparung W je Kampagne für den Synchronmotor von:
W = 0,7 kWh/tMa ∙ 1,75 t/Charge ∙ 30 Chargen/h ∙ 24 h/d ∙ 100 d ∙
0,0073 = 644 kWh/Kampagne
Bei einem angenommenen Preis von 0,1 EUR/kWh ergibt sich eine
Kostenreduzierung von 644 kWh · 0,1 EUR/kWh = 64,40 Euro für
den Antrieb mit Synchronmotor je Kampagne. Bei anderen Betriebsdaten wie geringere Chargenzahl, anderer Wirkenergieverbrauch/tMa,
längere Kampagnedauer usw. können die vorgenannten Werte entsprechend umgerechnet werden. Tatsächlich wird der Wirkungsgrad
des Synchronmotors im Feldschwächbereich ungünstiger (aufgrund
des zusätzlichen Stromes zur Schwächung des Flusses im Läufer),
so dass sich die vorgenannten Werte weiter reduzieren!
3.3 Beschleunigungs-/Bremszeit bzw. Chargenzahl/h
Wie bereits im Abschnitt Wirkenergieverbrauch erwähnt, ist die
Beschleunigungs- und Bremszeit bei gegebenem Antrieb nur abhängig von dem Trägheitsmomenten der Zentrifuge und der Drehzahldifferenz während des Hochfahrens und Bremsens. Somit
spielt es keine Rolle, ob ein Drehstromasynchronmotor oder Synchronmotor eingesetzt wird (bei annähernd gleichen Wirkungsgraden und Momenten). Entscheidend ist, was der Antrieb für ein
465
3.3 Acceleration/braking time or number of cycles/h
As mentioned earlier in connection with the active power consumption, the acceleration and braking times for a given drive are
determined solely by the moments of inertia of the centrifuge and
the speed difference during acceleration and braking. It is therefore irrelevant whether an asynchronous motor or a synchronous
motor is used (assuming approximately identical efficiencies and
torques). The crucial parameter here is the torque that is produced
by the drive during the acceleration and braking phases. The biggest bottleneck is not the motor but the converter, which only permits a defined overload factor!
Due to the high output short-time current of the Siemens converters, namely a maximum current of 1.5 · rated current for 60 s, a
motor current equivalent to approximately 1.5 · motor rated current
is possible during the acceleration and braking phases, for instance
(refer to the test record below). This results in a acceleration and
braking time of 35 s and 28 s respectively for the 250 kW / 8-pole
drive for a white sugar centrifuge with 1750 kg/charge and a fulldrum moment of inertia of 1400 kg · m2 (Fig. 2).
Assuming optimum technical conditions, a total cycle time of 118
s would be feasible for a filling time of 10 s, a spinning time of 20
s, and a discharge time of 25 s (using a long or double discharger)
and a centrifuge capacity 30 cycles/h altogether realistic.
In the case of white sugar centrifuges, however, more than 25 cycles/h tend to be theoretically possible but not meaningful due to
technological requirements!
Although the acceleration and braking times could conceivably be
shortened still further – and the number of cycles per hour thus increased – without difficulty by choosing a larger drive, this is true
regardless of whether an AC asynchronous motor or a permanentmagnet synchronous motor is used. There is moreover a limit to the
amount by which these times (particularly the acceleration time)
can be reduced for technical reasons.
3.4 Rated current
Since the rotor is excited by the permanent magnet, there is no
rotor magnetization with a synchronous motor and no rotor losses
via the stator, leading to a superior efficiency η and a better power
factor cos ϕ in the base speed range compared to asynchronous
motors and consequently also to a lower rated current (refer also
Drehmoment in der Beschleunigungs- und Bremsphase erzeugt.
Der Engpass ist hierbei der Umrichter, der nur einen bestimmten
Überlastfaktor zulässt und nicht der Motor.
Aufgrund des hohen Ausgangskurzzeitstromes der Siemens-Umrichter mit einem Maximalstrom von 1,5 ∙ Bemessungsstrom für
60 s, kann z.B. in der Beschleunigungs- und Bremsphase ein Motorstrom mit ca. 1,5 ∙ Motor-Bemessungsstrom erreicht werden
(siehe nachstehend). Damit ergibt sich mit dem Antrieb 250 kW / 8
p bei einer Weißzuckerzentrifuge mit 1750 kg/Füllung und einem
Trägheitsmoment der gefüllten Trommel von 1400 kg · m2 eine
Beschleunigungs- und Bremszeit von 35 bzw. 28 s (Abb. 2).
Geht man von optimalen technologischen Bedingungen aus, erreicht man bei einer Füllzeit von 10 s, einer Zentrifugierzeit von
20 s und einer Ausräumzeit von 25 s (bei langem Ausräumer bzw.
Doppelausräumer ) damit eine Gesamtchargenzeit von 118 s, so
dass eine Leistung der Zentrifuge von 30 Chargen/h durchaus
möglich ist. Bei Weißzuckerzentrifugen ist jedoch aufgrund der
technologischen Anforderungen eine Chargenzahl von >25 Chargen/h in der Regel nicht sinnvoll aber machbar.
Eine weitere Verkürzung der Hochlauf -und Bremszeit und damit
eine Erhöhung der Chargenzahl/h wäre jederzeit möglich durch
einen entsprechend größer bemessenen Antrieb, dies ist jedoch
unabhängig davon, ob ein Drehstromasynchronmotor oder ein
permanent erregter Synchronmotor eingesetzt wird. Der weiteren
Verkürzung dieser Zeiten – speziell der Beschleunigungszeit – sind
außerdem technologische Grenzen gesetzt.
3.4 Bemessungsstrom
Aufgrund des mit Permanentmagneten erregten Läufers entfallen
beim Synchronmotor die Läufermagnetisierung und die Läuferverluste über den Ständer, was sich im Grunddrehzahlbereich in
dem besseren Wirkungsgrad η und einem besseren Leistungsfaktor
cos ϕ gegenüber dem Asynchronmotor äußert und damit auch in
einem geringeren Bemessungsstrom des Synchronmotors (Abb. 1).
Dies gilt allerdings nur für den Grunddrehzahlbereich ohne Feldschwächung. Im Feldschwächbereich muss man bei dem Synchronmotor einen zusätzlichen Strom über den Ständer zur Schwächung
des Magnetfeldes der Permanentmagneten im Läufer einspeisen,
was zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades in diesem Bereich führt und zwar um so mehr, je höher die Enddrehzahl im
Feldschwächbereich liegt. Legt man den Bemessungsstrom eines
Fig. 2: Guarantee test of a 1750 kg centrifuge (motor
250 kW, 8-pole)
Rectifier: IRated = 370 A, Imax = 592 A
Inverter: IRated = 510 A, Imax = 694 A
Acceleration: t = 40 s / P462
Braking: t = 27 s / P464
Initial rdg.: t = 4 s / P469
Final rdg.: t = 2 s / P470
Abb. 2: Garantiefahrt einer 1750-kg-Zentrifuge (Motor
250 kW, 8-polig)
Aktive Einspeiseeinheit: INenn = 370 A, Imax = 593 A
Regeleinheit Vektorregelung: INenn = 510 A, Imax = 694 A
Beschleunigung: t = 40 s / P462
Bremsen: t = 27 s / P464
Anfangsverrundung: t = 4 s / P469
Endverrundung: t = 2 s / P470
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Sugar Industry / Zuckerindustrie 132 (2007) No. 6, 461–469
to the equivalent circuit diagram in section 3.1). This only applies
in the base speed range without field weakening, however. An additional current must be fed via the synchronous motor stator in
the field weakening range in order to weaken the magnetic field of
the permanent magnet inside the rotor, resulting in a deterioration
in efficiency in this range. The higher the final speed in the field
weakening range, the greater the deterioration. If the rated current
of a 250 kW asynchronous motor is fixed at 100% for a rated speed
of 740 min–1, the corresponding rated current of a synchronous motor at the same speed is approximately 85–95% (depending on the
winding construction and the design).
Since the spinning speed of a centrifuge is >1000 min–1, however,
and the rated speeds of a synchronous motor are generally adjustable in 200 min–1 steps, the next higher rated speed – that is to say,
higher than 740 min–1 (e.g. 800 or 900 min–1) – must be selected
in order to guarantee a higher rated current (as described above)
because the rated current increases roughly proportionally to the
rated speed.
To reach the same maximum speed with a synchronous motor as
with an asynchronous motor with a field weakening range of, say,
740–1200 min–1 (or 850–1200 min–1 with the active infeed module), a higher rated speed must be selected due to the voltage limit
curve, which is determined by the maximum permissible DC-link
voltage in the converter.
Another possibility would be to design the synchronous motor for
a lower rated voltage, e.g. 340 V, thereby increasing the distance
from the voltage limit curve and thus the magnitude of the field
weakening range. Both these methods simultaneously cause the
rated current of the synchronous motor to rise compared to that of
the asynchronous motor, however, and this effect is enhanced the
higher the field weakening range. To increase the converter supply
voltage could be a further alternative, leading to a higher DC-link
voltage and accentuating the voltage limit curve. On the other hand,
as the supply voltage is fixed by the line voltage, this alternative is
not normally feasible.
Since the infeed/regenerative feedback section of Siemens converters for centrifuge drives always takes the form of an active infeed
module (AIM), the DC-link voltage that is generated is around
15–20% higher than with an ordinary 6-pulse input circuit. The
voltage limit curve is likewise accentuated because of this, so that
the maximum achievable field weakening speed is roughly 1.4 ·
rated speed.
3.5 Power factor cos ϕ
Since the rotor of a synchronous motor is not magnetized via the
stator, this motor type has a better power factor cos ϕ than an asynchronous motor. In the case of the 250 kW / 8-pole asynchronous
motor, cos ϕ = 0.82 at rated speed and rated current. With a synchronous motor cos ϕ can vary between approximately 0.85 and
1.00, depending on the winding design. The motor cos ϕ is irrelevant
as far as the transmission elements to the converter cabinet are concerned (infeed cable, transformer, switchgear) because the converter
active infeed module (AIM) operates with a total cos ϕ = 1.
3.6 Rotor moment of inertia
The moment of inertia of the full drum of a 1750 kg centrifuge
(the type normally used) from an internationally leading centrifuge
manufacturer is 1400 kg · m2. The moment of inertia of an asynSugar Industry / Zuckerindustrie 132 (2007) No. 6, 461–469
250-kW-Asynchronmotors bei einer Bemessungsdrehzahl von 740
min–1 mit 100 % fest, so beträgt der entsprechende Bemessungsstrom eines Synchronmotors bei gleicher Drehzahl etwa 85–95 %
(abhängig von der Wicklungs- und Konstruktionsausführung).
Da die Schleuderdrehzahl einer Zentrifuge jedoch >1000 min–1 beträgt, und die Bemessungsdrehzahlen der Synchronmotoren in der
Regel in 200-min–1-Schritten erfolgt, muss die nächst höhere Bemessungsdrehzahl – höher als 740 min–1 – gewählt werden (z.B. 800 oder
900 min–1), so dass sich grundsätzlich ein höherer Bemessungsstrom
– wie vorher angegeben – ergibt, da der Bemessungsstrom etwa proportional mit der Erhöhung der Bemessungsdrehzahl steigt.
Will man beim Synchronmotor die gleiche Maximaldrehzahl erreichen wie bei dem Asynchronmotor mit einem Feldschwächbereich, z.B. von 740–1200 min–1 (mit Active Infeed Modul 850–
1200 min–1), muss man eine höhere Bemessungsdrehzahl wählen, bedingt durch die Spannungsgrenzkurve, die durch die max.
zulässige Zwischenkreisspannung im Umrichter bestimmt wird.
Eine andere Möglichkeit wäre die Auslegung des Synchronmotors
für eine niedrigere Bemessungsspannung, z.B. für 340 V, womit
man einen größeren Abstand zur Spannungsgrenzkurve erreicht
und damit einen größeren Feldschwächbereich. Aber beide Möglichkeiten führen zu einer Erhöhung des Bemessungsstromes des
Synchronmotors im Vergleich mit dem Asynchronmotor, und zwar
umso höher, je höher der Feldschwächbereich ist.
Eine weitere Möglichkeit wäre eine Erhöhung der Speisespannung
des Umrichters, was zu einer Erhöhung der Zwischenkreisspannung führt und somit eine Anhebung der Spannungsgrenzkurve.
Da jedoch die Speisespannung durch die Netzspannung festliegt,
scheidet diese Möglichkeit im Allgemeinen aus.
Da bei den Umrichtern der Fa. Siemens für Zentrifugenantriebe
generell der Einspeise-/Rückspeiseteil als Active Infeed Module
(AIM) ausgeführt wird, wird eine höhere Zwischenkreisspannung
erzeugt, die um 15–20 % höher liegt als bei einer normalen 6-pulsigen Eingangsschaltung. Damit wird die Spannungsgrenzkurve
ebenfalls angehoben, so dass als max. Feldschwächdrehzahl etwa
1,4 ∙ Bemessungsdrehzahl erreicht werden kann.
3.5 Leistungsfaktor cos ϕ
Da die Läufermagnetisierung über den Ständer bei dem Synchronmotor fehlt, äußert sich dies in einem besseren Leistungsfaktor
cos ϕ gegenüber dem Asynchronmotor. Bei dem 250-kW-Asynchronmotor (8 p) beträgt der cos ϕ = 0,82 bei Bemessungsdrehzahl
und Bemessungsstrom. Beim Synchronmotor kann sich der cos ϕ
je nach Wicklungsausführung zwischen den Werten von etwa 0,85
und 1,00 bewegen. Bei den Übertragungselementen zum Umrichterschrank (Einspeisekabel, Transformator, Schaltgeräte) spielt der
cos ϕ des Motors keine Rolle, da der Einspeiseteil (AIM) des Umrichters mit einem cos ϕGesamt = 1 arbeitet.
3.6 Läuferträgheitsmoment
Das Trägheitsmoment der gefüllten Trommel einer 1750-kg-Zentrifuge (die meist eingesetzt wird) von einem auf dem Weltmarkt
führenden Zentrifugenhersteller beträgt 1400 kg · m2. Das Trägheitsmoment des Läufers eines Asynchronmotors hat bei einem
250-kW-Motor, der normalerweise bei einer 1750-kg-Zentrifuge
eingesetzt wird, einen Wert von 13 kg · m2, d.h. ca. 1 % bezogen
auf das Trägheitsmoment der gefüllten Zentrifugentrommel.
Daraus ist ersichtlich, dass das Trägheitsmoment des Motorläufers,
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chronous motor rotor is 13 kg · m2 for a 250 kW motor (the type
normally used for a 1750 kg centrifuge), in other words approximately 1% of the moment of inertia of the full centrifuge drum.
It is thus clear that the motor rotor moment of inertia – regardless
of whether it corresponds to 0.5% or 1% of the moment of inertia
of the centrifuge drum – has practically no influence on the active
power consumption of a centrifuge drive and is to all intents and
purposes irrelevant for the calculation! The lower rotor moment
of inertia of a synchronous motor compared to an asynchronous
motor is consequently unimportant as far as the active power consumption and operation of a centrifuge drive are concerned.
3.7 Maintenance / repair
Since the rotor of a synchronous motor is permanently excited, it
represents an active voltage source with a voltage proportional to
the speed. If the converter fails in the field weakening range owing
to a fault / shutdown / line voltage dropout, the motor EMF (electromotive force) rises abruptly because the field weakening current
is lost via the stator. The higher the speed in the field weakening
range, the greater this loss, which is determined by the relationship
E~n·F
E
n
F
EMF (electromotive force)
Speed
Magnetic flux
This high EMF is maintained for some time due to the high moment of inertia of the centrifuge drum. If the maximum permissible
EMF is exceeded, the converter will be damaged beyond repair.
The high motor EMF means that, in order to protect personnel, it is
imperative that the motor is braked to standstill using the mechanical brake prior to carrying out any maintenance or repair work on
the converter or motor. Unfortunately, this has a negative effect on
the service life of the brake linings.
Another possibility would be to install a Braking Module (chopper) at the converter output to reduce the motor voltage, although
this could be problematic in view of the high kinetic energy that
is stored due to the moment of inertia of the centrifuge drum (approximately 7000 kW · s braking energy or a mean braking power
of around 50 kW for a 1750 kg centrifuge).
Owing to the extremely high magnetism of the permanent magnets,
the synchronous motor cannot be dismantled on the customer’s site
or in the local repair center for safety reasons but must instead be
sent in to the manufacturing plant.
4 Conclusion
Permanent-magnet synchronous motors have been used by Siemens for some time with considerable success in a variety of industries, such as shipbuilding, steelmaking, the paper industry, plastics
production, cranes etc. The most important reason to opt for this
type of motor, however, is generally the fact that it allows an expensive gear unit to be dispensed with, so that the higher purchase
price of a synchronous motor compared to an asynchronous motor
is more than compensated. On the other hand, the rated speeds in
the above applications tend to be much lower than for a centrifuge
drive. Permanent-magnet synchronous motors fail to generate any
significant saving in terms of the active power consumption of a
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ob es 0,5 oder 1 % des Trägheitsmoments der Zentrifugentrommel beträgt, nahezu von keiner Bedeutung für den Wirkenergieverbrauch eines Zentrifugenantriebes ist und bei der Berechnung
praktisch vernachlässigt werden kann. Damit hat das geringere
Trägheitsmoment des Läufers eines Synchronmotors im Vergleich
zum Asynchronmotor keine erwähnenswerte Bedeutung bei dem
Wirkenergieverbrauch und Betrieb eines Zentrifugenantriebes.
3.7 Wartung / Reparatur
Aufgrund der Tatsache, dass der Läufer des Synchronmotors permanent erregt ist, stellt er eine aktive Spannungsquelle dar, deren
Spannung proportional zur Drehzahl ist. Fällt der Umrichter im
Feldschwächbereich durch eine Störung / Abschaltung / Netzspannungsausfall aus, steigt die EMK (elektromotorische Kraft) des
Motors schlagartig an, da der feldschwächende Strom über den
Stator wegfällt, und zwar um so höher, je größer die Drehzahl im
Feldschwächbereich ist, nach der Beziehung
E~n∙F
E
n
F
EMK (elektromotorische Kraft)
Drehzahl
Magnetischer Fluss
Aufgrund des großen Trägheitsmomentes der Zentrifugentrommel
bleibt diese hohe EMK lange erhalten. Wird die max. zulässige
EMK überschritten, kommt es zu einer Zerstörung des Umrichters.
Durch die vorhandene hohe EMK des Motors muss bei Wartungsoder Reparaturarbeiten am Umrichter oder Motor zum Schutze des
Personals zwingend über die mechanische Bremse zum Stillstand
abgebremst werden, was zu Lasten der Standzeit der Bremsbeläge
geht.
Eine andere Möglichkeit wäre eine Bremseinheit (Chopper) am
Umrichterausgang um die Motorspannung abzubauen, was aber
aufgrund der hohen gespeicherten kinetischen Energie durch das
Trägheitsmoment der Zentrifugentrommel nicht unproblematisch
ist (ca. 7000 kW · s Bremsenergie bzw. eine mittlere Bremsleistung
von ca. 50 kW bei einer 1750-kg-Zentrifuge).
Aufgrund des sehr hohen Magnetismus der Permanentmagnete ist
aus Sicherheitsgründen eine Zerlegung des Synchronmotors bei
dem Kunden bzw. der lokalen Reparaturwerkstatt nicht möglich
und es muss ein Versand an das Herstellerwerk erfolgen.
4 Fazit
Der permanent erregte Synchronmotor wird von Siemens in der
Industrie schon länger erfolgreich eingesetzt z.B. beim Schiffbau, in der Stahl-, Papier-, Kunst-, Kranindustrie usw. Hier ist
der wesentliche Grund für den Einsatz des permanent erregten
Synchronmotors jedoch die Einsparung eines teuren Getriebes,
wodurch sich der höhere Preis des Synchronmotors im Vergleich
zum Asynchronmotor rechnet. Allerdings sind bei diesen Anwendungen die Bemessungsdrehzahlen deutlich niedriger als bei Zentrifugenantrieben. Der permanent erregte Synchronmotor bringt
keine wesentliche Einsparung bei dem Wirkenergieverbrauch von
Zuckerzentrifugenantrieben – wie vorher erläutert – und man erreicht damit keine entscheidenden wirtschaftlichen / technischen
Vorteile gegenüber einem Standard-Drehstromasynchronmotor.
Sugar Industry / Zuckerindustrie 132 (2007) No. 6, 461–469
sugar centrifuge drive and, as mentioned earlier, they offer no decisive technical or commercial benefits compared to standard AC
asynchronous motors.
El motor síncrono con convertidor – ¿Una nueva propulsión para centrífugas? (Resumen)
Moteurs synchrones alimentés par convertisseur – estce le nouveau procédé de commande d’une centrifuge?
(Résumé)
Últimamente se discute más y más el motor síncrono como nuevo
tipo de propulsión para centrífugas. Los pros y contras descritos
en este trabajo confirman que el motor síncrono con propulsión
permanente no muestra mayores ventajas técnicas y económicas
frente al motor asíncrono que hasta ahora se emplea para la propulsión de centrífugas.
Des discussions récentes ont souvent fait référence aux moteurs
synchrones alimentés par convertisseur comme le nouveau procédé
de commande des centrifuges. L’analyse qui suit des arguments
pour ou contre confirme que les moteurs synchrones à aimant permanent comparés aux moteurs à induction classiques n'offrent aucun avantage, ni technique ni comercial, pour la commande des
centrifuges.
Author’s address/Anschrift des Verfassers: Siegfried Pusch, Siemens AG, Automation and Drives, A&D AS SP AP 2, Frauenauracher Str. 85, D-91058 Erlangen, Germany; siegfried.pusch@
gmx.net
Sugar Industry / Zuckerindustrie 132 (2007) No. 6, 461–469
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