Eine Publikation der Binkert Medien AG
Ausgabe 06/2017, 15.06.2017

Erkennen, wann – der Hitzschlag droht

Werden grosse Elektroantriebe in schneller Folge gestartet, können sie Überhitzungsschäden erleiden. Da die Temperaturmessung im laufenden Rotor schwierig ist, hat Siemens eine Simulation zur zuverlässigen Ermittelung der Motortemperatur entwickelt.

Grosse Elektroantriebe sind beim Anfahren hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, was bei häufigen Starts ohne genügend Zeit zur Abkühlung dazwischen zu einer Überhitzung der Geräte führen kann. Wenn Motoren heiss laufen, besteht nicht nur die Gefahr für Schäden am Antrieb selbst, sondern an der gesamten Anlage. Daher ist es für den Anlagenbetreiber wichtig zu wissen, wie es um die Temperatur im Motorinneren bestellt ist. Diese zu messen ist – wenn überhaupt – nur mit sehr grossem Aufwand möglich.

Bisher ermittelte man die nötigen Abkühlzeiten zwischen zwei Starts konservativ. Dabei wurden mit analytischen und numerischen Designwerkzeugen für Worst-Case-Szenarien die Temperaturverteilungen und entsprechende Grenzwertüberschreitungen bestimmt. Zur Vermeidung von kritischen Überschreitungen wurden dann Abkühlzeiten abhängig von der Anzahl der Startversuche hart kodiert im Schaltschrank hinterlegt. Eine Anpassung an aktuelle Umgebungs- und Betriebsbedingungen war so nicht möglich.

Präzisere Angaben sind nun mit der Simulation «Virtueller Sensor» von Siemens möglich. «Er berechnet während des Motorbetriebs dessen Temperatur so genau, als würde er sie direkt messen, indem er die aktuellen Bedingungen und Zustände erfasst und daraus den Zeitpunkt prognostiziert, an dem der Antrieb wieder eingeschaltet werden kann», so Dirk Hartmann, Projektleiter der Technologie-Initiative «Simulation bei Corporate Technology». Damit lassen sich die Abkühlzeiten der Elektromotoren ohne Risiko deutlich verkürzen und somit die Verfügbarkeit der Anlagen erhöhen. Ein Modell in Tischgrösse verdeutlicht die Arbeitsweise des virtuellen Sensors: Zwei kleine Elektromotoren sind über eine Welle gekoppelt. Ein Motor ist drehzahlgesteuert, der andere bremst den ersten und erzeugt so eine Dauerlast. Während Temperatursensoren die Aussentemperatur des Motors messen, werden Daten zu Betriebsdauer und Last erfasst. Diese Eingabeparameter und ein mathematisches Modell des Motors liefern dem Simulator die Grundlage für die Berechnung der Motortemperatur. Je nach Motortyp kann die Temperatur unterschiedlich schnell einen kritischen Level erreichen.

Eine Besonderheit des Simulators ist seine Geschwindigkeit, denn er misst und liefert die Daten aus dem Inneren des Motors in Echtzeit. «Wir setzen auf der Arbeit der Kollegen von Process Industries and Drives auf. Sie verwenden während der Entwicklung der Motoren bereits mathematische Modelle, die Geometrie und Material erfassen, um die Eigenschaften der Antriebe zu bestimmen. Diese Modelle sind eine wertvolle Know-how-Basis, mit der wir uns von den rein datenbasierten Verfahren der Siemens-externen Konkurrenten differenzieren können», erklärt Birgit Obst, Simulationsexpertin bei Corporate Technology.

Mit dem Simulator bietet Siemens eine Entwicklung, die grosses Potenzial für die Temperaturkontrolle von Elektromotoren birgt und die das Serviceangebot für Kunden erweitert. (msc)

Siemens Schweiz AG DF/PD
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Zwei durch eine Welle gekoppelte E-Motoren simulieren eine Dauerlast; die so gewonnen Daten liefern die Grundlage für die Berechnung der Temperatur mit dem vituellen Sensor.


Der virtuelle Sensor berechnet den Temperaturverlauf in Echtzeit und liefert eine Prognose, wie sich die Temperatur entwickelt, wenn der Motor nach dem Einschalten mit gleicher Last weiter betrieben wird. (Bilder: Siemens)