Logo PTB

Permanentmagneterregte Synchronmaschinen unter den Aspekten des Explosionsschutzes

Insbesondere unter Energieeffizienzgesichtspunkten weist die permanentmagneterregte Synchronmaschine gegenüber der Asynchronmaschine im Konstantmomentbereich (Ankerstellbereich) und im in der Praxis häufig anzutreffenden Teillastbetrieb große Vorteile auf. Hier kommt unter Wirkungsgradaspekten deutlich zum Tragen, dass, wie in Bild 1 veranschaulicht, innerhalb des mit Synchrondrehzahl umlaufenden Rotors der PM-Synchronmaschine keine Grundschwingungsverluste durch z.B. Stromwärmeverluste auftreten.
Lediglich oberschwingungsbedingte Rotorverluste bei Umrichterspeisung müssen berücksichtigt werden.
Bei den aktuellen (und zukünftig wahrscheinlich noch steigenden) Kosten für die Elektroenergie erfolgt eine Amortisation der Mehrkosten der Synchronmaschine in überschaubaren Zeiträumen. Eine weitere treibende Kraft für die zunehmende Verbreitung der PM-Synchronmaschine sowie der Reluktanzmaschine sind auch zukünftig weiter steigende Anforderungen an den Wirkungsgrad der Maschinen, die sich z.B. bei der Energieeffizientklasse IE4 mit der Asynchronmaschine nur noch sehr schwer realisieren lassen.

 Die Verlustaufteilung innerhalb einer PM-Synchronmaschine

Bild 1: Verlustaufteilung bei der permanentmagneterregten Synchronmaschine

 

Neben den Vorteilen durch die höhere Energieeffizienz kommen auch Vorteile durch einen im Vergleich zur Asynchronmaschine geringeren Maschinenstrom bei gleicher abgegebener mechanischer Leistung hinzu. Dieses gestattet oftmals die Auswahl eines „kleineren“ und günstigeren Frequenzumrichters. Häufig kann die Motorbaugröße auch eine Baugrößenstufe „kleiner“ ausgewählt werden als bei Verwendung einer Asynchronmaschine, welches auch eine Platzersparnis bedeutet.
Es ist daher abzusehen, dass zukünftig die permanentmagneterregte Synchronmaschine sowie die Reluktanzmaschine auch im Bereich der explosionsgeschützten Maschinen immer breitere Anwendungsfälle findet und daher auch unter den Aspekten der Kostenersparnis für die Hersteller ein tiefergehendes Verständnis der explosionsschutzrelevanten Vorgänge in der Maschine immer wichtiger wird. In Bild 2 ist ein mögliches Einsatzszenario einer explosionsgeschützten Maschine dargestellt.

Einsatzszenario eines explosionsgeschützten Antriebes in der chemischen Industrie

Bild 2: Explosionsgeschützter Antrieb in der chemischen Industrie

 

Zum sicheren Betrieb der permanentmagneterregten Synchronmaschinen in explosionsgefährdeten Bereichen sind detaillierte Kenntnisse über die potentiellen Zündquellen dieser Maschinenbauart (Bild 3) sowie deren sicherheitstechnische Beherrschung von elementarer Bedeutung. Bei permanentmagneterregten Maschinen sind das  zum einen die Erwärmung im Normalbetrieb und im Störungsfall zusammen mit dem Schutz der Maschine vor Überlastung und die mechanisch sichere Befestigung der Magnete des Rotors. Dieser Aspekt hat auch unter dem Aspekt der ablaufenden Alterungsvorgänge eine große Bedeutung.
Unter Explosionsschutzaspekten sind auch zusätzliche Erwärmungen des Rotors und der Magnete durch umrichterbedingte Stromoberschwingungen mit Grundwellenpolteilung in der Maschine ein wichtiges Thema.

 Darstellung der potentiellen Zündquellen der PM-Synchronmaschine


Bild 3: Potentielle Zündquellen einer PM-Synchronmaschine

 

Aber auch möglicherweise zündfähiger Teil- und Gleitentladungen der Wicklung bei Beaufschlagung mit transienten, umrichterbedingten Überspannungen sind ein wichtiger Aspekt des Explosionsschutzes und verdienen einer Beachtung. Aufgabe der den Betrieb der Maschine überwachenden Schutzeinrichtung ist es dabei, gefährliche Betriebszustände der Maschine zu erkennen (Bild 4) und die Maschine abzuschalten, bevor aus einer potentiellen Zündquelle eine wirksame Zündquelle wird. 

 

 


Bild 4: Mögliche Fehlerfälle bei der PM-Synchronmaschine


Im Rahmen eines Forschungsvorhabens zusammen mit dem Institut für Elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen der Technischen Universität Braunschweig sowie namenhaften Herstellern derartiger Maschinen werden zur Zeit speziell die den Explosionsschutz betreffenden Aspekte wissenschaftlich untersucht und deren Auswirkungen auf den sicheren Betrieb der Maschinen und die Prüfpraxis bewertet.
Ein weiteres Ziel dieses Kooperationsprojektes ist die Entwicklung eines Modells der PM-Synchronmaschine sowie der Reluktanzmaschine, um über die Konstruktionsdaten der Maschine und die späteren Betriebsparameter eine analytische oder auf FEM-Rechnungen basierende Abschätzung der für den Explosionsschutz relevanten Erwärmungen vornehmen zu können.
Die Entwicklung auch von anderen Benannten Stellen anerkannten „Prüfregeln“ für derartige Maschinen und die Erarbeitung von „Design Rules“ als Unterstützung für die Hersteller soll unter anderem auch aufwändige Mehrfachprüfungen nach dem „Trial and Error“ Verfahren für die Zertifizierung vermeiden helfen und sind ein weiteres wichtiges Ziel des geplanten Projektes.