Ein Hilfsmittel für höchste Planungssicherheit
Jeder Motorhochlauf ist mit einem mehr oder weniger starken Spannungseinbruch während der Hochlaufphase verbunden. Ziel der Motorhochlaufberechnung ist die Ermittlung der Betriebsspannungen und Betriebsströme während dieser Zeitspanne. Die Berechnungen werden vornehmlich in der Planungsphase durchgeführt, wenn die Überprüfung durch praktischen Versuch noch nicht möglich ist. Häufig können Hersteller von Motoren mit Hilfe überschlägiger Simulationen den zu erwartenden Spannungseinbruch und den zu erwartenden Verlauf des Anlaufstromes zur Verfügung stellen. Diesen Berechnungen liegen jedoch bestimmte Annahmen hinsichtlich der Kurzschlussleistung des speisenden Netzes zugrunde. Um die tatsächlichen Netzverhältnisse und auch den Einfluss benachbarter Antriebe auf das Hochlaufverhalten adäquat berücksichtigen zu können, sollte der Motorhochlauf mit Hilfe einer detaillierten NEPLAN-Motorstartsimulation im Vorfeld überprüft werden.
Anwendungsgebiete
Motorhochlaufsimulationen werden immer dann durchgeführt, wenn die Komplexität der Netzstruktur eine vereinfachte Betrachtung, z.B. durch den Motorlieferanten nicht mehr zulässt. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn der Motor in einem dynamischen Netz mit vielen weiteren Antrieben und über verschiedene Versorgungswege (z.B. direkt über eine Schaltanlage, über einen Anfahrtransformator oder über eine Anfahrdrossel) gespeist werden kann. Durch das genaue Studium des Anlaufvorganges in der Simulation kann auch darüber entschieden werden, ob eine spezielle Anlassvorrichtung, wie z.B. ein Softstarter, erforderlich ist.
Eine besondere Herausforderung stellt der Motorhochlauf im Inselnetz dar. Da der Inselnetzfall ein besonders kritischer Betriebszustand ist, kann ein praktischer Versuch hier im Vorfeld oftmals nicht vorgenommen werden. Die Überprüfung kann jedoch simulationstechnisch vorgenommen werden. In diesem Fall müssen die Maschineneigenschaften des Generators wie auch die zugehörigen Spannungs- und Drehzahlregler mit großer Genauigkeit in der Simulation abgebildet werden. Diese Simulationen sind jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden.
Die Ergebnisse hängen bei allen Motorstartsimulationen in hohem Maße davon ab, wie exakt die charakteristischen Motorparameter und das Drehmoment-Drehzahl-Verhalten in der Simulation aufgrund bekannter Informationen (Datenblätter) berücksichtigt werden können.
Anwendungsbeispiel
Die nachfolgende Darstellung zeigt die Ergebnisse einer Motorstartsimulation mit einer 5-MW-Speisewasserpumpe. Die Pumpe wird direkt am Netz betrieben. Der Start erfolgt 1s nach Simulationsbeginn. Im Diagramm links oben sind die berechneten Drehmoment/Drehzahl-Kennlinien der Pumpe zu sehen. Die rote Kurve stellt das Antriebsmoment dar, die graue Kurve das Lastmoment. Rechts oben ist die berechnete Sammelschienenspannung zu sehen. Links unten ist der Verlauf des Statorstromes des Pumpenantriebs abgebildet. Rechts unten ist die Drehzahl im Verhältnis zur Nenndrehzahl zu sehen.
Ca. 9s nach dem Start erreicht der Antrieb seine Nenndrehzahl und der Hochlauf ist abgeschlossen. Die Betriebsspannung bricht während des Anlaufes um ca. 25% der Bemessungsspannung ein. Der Spannungsfall ist also unzulässig hoch. Eine günstige Abhilfe wäre die Pumpe über eine zusätzliche Anfahrvorrichtung (Softstarter) oder Anfahrdrossel zu starten und erst im Normalbetrieb wieder direkt am Netz im Bypass zu betreiben. Falls an anderer Stelle im Netz ebenfalls noch freie 6,3kV-Felder zur Verfügung stünden, so wäre auch ein Umschließen des Motors oder der beiden Verteiltransformatoren denkbar.
Letztendlich sind die betrieblichen Faktoren wie Raumbedarf, freie Felder oder auch die erforderliche Hochlaufzeit des betrachteten Antriebs bei der Diskussion der Abhilfemaßnahmen ausschlaggebend.
