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Elektromotoren Simulation

Kein Hitzschlag mehr: So ermittelt ein virtueller Sensor die Motorentemperatur

| Redakteur: Sariana Kunze

Große Elektroantriebe sind beim Anfahren hohen Belastungen ausgesetzt, was bei häufigen Starts ohne genügend Zeit zur Abkühlung zu einer Überhitzung der Geräte führen kann. Die Temperatur der drehenden Rotoren im Motor selbst zu messen, ist kompliziert. Um hier trotzdem statt Schätzwerten zuverlässige Messergebnisse zu erhalten, hat Siemens eine Simulation, den sogenannten „Virtuellen Sensor“ entwickelt, der die Temperatur im Inneren des Motors auf Basis mathematischer Modelle errechnen kann. Damit lassen sich die Abkühlzeiten der Elektromotoren deutlich verkürzen und die Verfügbarkeit der Anlagen erhöhen.

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Das direkte Messen der Motortemperatur ist oft kaum möglich. Eine Simulation ermöglicht nun die genaue Ermittlung der nötigen Abkühlzeiten, um eine Überhitzung zu verhindern.
Das direkte Messen der Motortemperatur ist oft kaum möglich. Eine Simulation ermöglicht nun die genaue Ermittlung der nötigen Abkühlzeiten, um eine Überhitzung zu verhindern.
(Bild: Siemens AG )

Wenn Motoren heiß laufen, besteht nicht nur die Gefahr für Schäden am Antrieb selbst, sondern an der gesamten Anlage. Die mögliche Überhitzung ist gerade bei großen Elektromotoren, deren Rotoren beim Anfahren hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, ein Problem.

Simulation ermittelt zuverlässig Motortemperatur

Daher ist es für den Anlagenbetreiber wichtig zu wissen, wie es um die Temperatur im Inneren bestellt ist. Diese zu messen ist – wenn überhaupt – nur mit sehr großem Aufwand möglich. Die nötigen Abkühlzeiten zwischen zwei Starts wurden deshalb bisher konservativ ermittelt. Dabei wurden mit analytischen und numerischen Designwerkzeugen für Worst Case-Szenarien die Temperaturverteilungen und entsprechende Grenzwertüberschreitungen ermittelt. 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 dem „Virtuellen Sensor“-Simulator 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 Technologieinitiative Simulation bei Corporate Technology.

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Anhand eines Modells in Tischgröße wird die Arbeitsweise des virtuellen Sensors deutlich. Zwei kleine Elektromotoren sind über eine Welle gekoppelt. Der eine 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.

Simulator liefert Motordaten in Echtzeit

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 zudem die Serviceangebote für Siemens-Kunden erweitert.

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