Für die Konstruktion elektrischer Antriebe für explosionsgefährdete Bereiche haben sich zwei Schutzprinzipien am Markt etabliert: Die druckfeste Kapselung (Ex d) und die erhöhte Sicherheit (Ex e). Beim Ex-d-Motor folgt der Schutzgedanke einem an sich simplen Weg: Selbst wenn das explosive Gas in den Motor eindringt und im Motorinneren mit der vorhandenen Luft ein zündfähiges Gemisch bildet, so könnte selbst beim Zünden des Gas-Luft-Gemisches im Motor kein Durchzünden nach außen stattfinden. Dazu muss der Motor dem Explosionsdruck standhalten, ohne zerstört zu werden, alle Spalte des Motors, zum Beispiel an der Motorabtriebswelle, müssen so dimensioniert werden, dass auch eventuell nach außen dringende Explosionsgase so weit abgekühlt sind, dass die den Motor umgebenden Gase nicht entzündet werden können.
Bei der Schutzart Ex e wird die Sicherheit vor Explosionen durch andere Maßnahmen erreicht. Diese zielen darauf ab, unzulässig hohe Temperaturen und das Entstehen von Funken oder Lichtbögen im Innern und an äußeren Teilen des Motors zu verhindern. Der an sich schon grundsätzlich hochwertig konstruierte Drehstromasynchronmotor wird in einer besonderen Art und Weise betrieben und mittels einfacher Baugruppen aus dem Schaltschrank mit einem zusätzlichen Schutz versehen. Erhöhte Sicherheit bedeutet nun, dass der Motor beim Betrieb nie eine kritische Temperatur erreichen kann, entweder weil im Normalbetrieb keine ausreichende Erwärmung stattfindet, um das Gas-Luft-Gemisch im Motorinneren zu entzünden, oder weil der Motor im Überlastfall schnell abschaltet.
Ein Frequenzumrichter bringt zusätzliches Gefahrenpotenzial für die Erwärmung des Motors mit sich. Denn schließlich dient der Umrichter dazu, die Drehzahl des Asynchronmotors zu variieren – und mit abnehmender Drehzahl sinkt die Kühlwirkung des Eigenlüfters. Außerdem erzeugen Frequenzumrichter ausgangsseitig keine sinusförmigen Spannungen, so dass in der Motorwicklung mit einer zusätzlichen Erwärmung zu rechnen ist.
Ex-d-Motor: sicher, aber teuer
Im Vergleich der zwei Systeme für den Explosionsschutz wird nun deutlich, dass der Betrieb des Ex-d-Motors am Frequenzumrichter nahezu problemlos möglich ist. Auch wenn die Kühlung abnimmt und sich der druckgekapselte Motor erwärmt, wird er für die Umgebung nicht zur Zündgefahr. Im schlimmsten Fall zündet das Gas-Luft-Gemisch im Motor in Folge einer übermäßigen Erwärmung und zerstört diesen. In der Konsequenz wird dadurch die Anlage stillgesetzt, das war es dann aber auch.
Ganz anders ist nun der Ex-e-Motor zu betrachten. Neben den zwei schon erwähnten Gefahrenpunkten, Kühlung und nicht-sinusförmige Spannungen, müssen zwei weitere Punkte beachtet werden: der Rotorstillstand bzw. die Blockade des Rotors und die magnetische Über- bzw. Untersättigung. Im Vergleich zum Netzbetrieb ist der Rotorstillstand beim Betrieb des Ex-e-Motors am Frequenzumrichter weniger kritisch zu bewerten, da der Umrichter bei üblicher Dimensionierung nicht den Netzkurzschlussstrom zur Verfügung stellen kann. Dieser Netzkurzschlussstrom beträgt je nach Motorgröße und Polzahl zwischen dem vier- und achtfachen Motornennstrom, wogegen der Umrichterstrom je nach Umrichter-Motor-Kombination auf den zweifachen Wert des Motorstromes beschränkt werden kann. Der Umrichterbetrieb verringert also die Gefährdung bei einer Blockade.
Ex-e-Motor: Betriebsbedingungen sind entscheidend
Anders verhält sich das Gefahrenpotenzial bei der magnetischen Unter- oder Übersättigung. Der typische Sättigungspunkt im Netzbetrieb kann durch den Frequenzumrichter mit den beiden Stellgrößen Spannung und Frequenz beliebig eingestellt werden. Dabei kann es zu Situationen kommen, in denen der Motor untersättigt ist (zu wenig Spannung im Verhältnis zur Frequenz) oder übersättigt ist (zu viel Spannung im Verhältnis zur Frequenz). In beiden Fällen reagiert der Asynchronmotor bei Belastung an der Motorwelle mit einer gegenüber dem Netzbetrieb erhöhten Stromaufnahme. In der Folge steigt die Temperatur in einem für den Ex-e-Motor unzulässigen Maß an.
Bislang hatte man die Gefahrenpotenziale der Ex-e-Motoren beim Betrieb am Frequenzumrichter durch eine in ihren Parametern fixierte Kombination von Motor und Umrichter sicher beherrscht. Doch genau diese Fixierung ist in der Praxis unpraktisch. Jede Änderung am Frequenzumrichter oder Ex-e-Motor führt zum Erlöschen der Zulassung. Damit ist die Ausführung wie eingefroren, selbst kleinste Anpassungen am Frequenzumrichter sind nicht zugelassen.
Die Physikalisch Technische Bundesanstalt in Braunschweig (PTB) und SEW-Eurodrive haben im Jahr 2006 gemeinsam die Rahmenbedingungen erarbeitet, die einzuhalten sind, damit die Zulassung des Ex-e-Motors unabhängig vom Frequenzumrichter erfolgen kann. Dieser neue Weg beschreibt die Bedingungen, die der Frequenzumformer erfüllen muss, damit der Ex-e-Motor daran betrieben werden darf. Alle vier kritischen Elemente der zusätzlichen Erwärmung wurden unabhängig voneinander bewertet und dann überlagert. Diese sind:
- verminderte Kühlung auf Grund reduzierter Motordrehzahl
- nicht-sinusförmige Spannungen
- Rotorblockaden oder Motorstillstand
- magnetische Über- oder Untersättigung
Der verminderten Kühlung bei kleineren Drehzahlen wird dadurch Rechnung getragen, dass dem Motor gegenüber dem Netzbetrieb lediglich reduzierte Belastungen zugestanden werden. Diese Limitierungen sind anhand weniger Eckpunkte definiert und Bestandteil der Zulassung (siehe Grafik). Die nicht-sinusförmigen Spannungen können auf zweierlei Art beachtet werden. Entweder wird die Belastung weiter reduziert, oder es wird der Einsatz eines Filters vorgeschrieben, der aus der nicht-sinusförmigen Spannung eine sinusförmige Spannung herstellt. Filter haben einen unmittelbaren Einfluss auf die Klemmenspannung am Motor, da diese Sinusfilter die verfügbare Spannung in der Amplitude reduzieren.
Fixierung ade
Die Gefahr der zusätzlichen Erwärmung bei Rotorblockade ist gegenüber dem Netzbetrieb deutlich niedriger zu bewerten, da über den Nennstrom des Umrichters der Stillstandsstrom des Motors begrenzt ist. Damit innerhalb einer Applikation auch Beschleunigungen durchgeführt werden können, darf der Umrichternennstrom maximal doppelt so groß sein wie der des Motors.
Das hinsichtlich einer unzulässigen Erwärmung gefährlichste Element ist aber die magnetische Unter- oder Übersättigung. Bei der Betrachtung der realen Klemmenspannung am Ex-e-Motor müssen alle Elemente in der Versorgungsreihe mit berücksichtigt werden. Ausgehend von der Netznennspannung reduziert sich die dann tatsächliche Klemmenspannung am Motor um vier mögliche Elemente des Spannungsabfalls:
- netzseitige Filter vor dem Frequenzumrichter
- Ventilverluste des Frequenzumrichters
- ausgangsseitige Filter, z.B. Sinusfilter
- Zuleitung vom Frequenzumrichter zum Motor
Wie die Klemmenspannung projektiert werden soll, ist Bestandteil der Zulassung und wird in der Betriebsanleitung beschrieben. Diese aufwändige Zulassung wurde vom Motorhersteller nun für alle vierzehn Baugrößen der vierpoligen Motoren in Kategorie 2, gemäß EU-Richtlinie 94/9/EG (Atex) durchgeführt. Damit können alle diese Motoren nicht nur in explosionsgefährdeten Gas-Luft- sondern auch in explosionsgefährdeten Staub-Luft-Atmosphären eingesetzt werden. Letztlich hat der Ex-d-Motor so mit dem Ex-e-Motor, beide betrieben am Frequenzumrichter, einen höherwertigen Bruder bekommen, der ihn in den Kriterien Gewicht und Wirtschaftlichkeit an Attraktivität übertrifft.
Detaillierte Beschreibung der Zulassungsmethode – InfoDIRECT-Dokument zum Abruf:
