Ein Doppelträger mit 20 Tonnen bedeutet fünf Antriebe und 24,1 kW an einer Sammelschiene – nicht die Last eines einzelnen Krans. Selbst mit einer 5-Prozent-Drossel an jedem Antrieb liegt die Sammelschiene bei nahezu 18 Prozent gesamter Bedarfsverzerrung gegenüber einem Grenzwert von 8 Prozent. Hier steht, was sich tatsächlich summiert – und welche Maßnahme zu welchem Kran gehört.
Ein Doppelträger mit 20 Tonnen ist nicht die elektrische Last eines einzelnen Krans. Ein typischer Katalogeintrag nennt ein Haupthubwerk mit 16 kW, ein Hilfshubwerk mit 2,6 kW, zwei Katzfahrwerksmotoren mit 0,55 kW und vier Fahrwerksmotoren mit 1,1 kW. Das sind 24,1 kW, verteilt auf fünf Antriebe, die an einer Sammelschiene hängen. Laufen sie gleichzeitig, addieren sich die harmonischen Ströme, bevor sie überhaupt Ihren Transformator erreichen, und keine Berechnung für einen einzelnen Antrieb sagt voraus, was Ihr Messgerät anzeigen wird.
Ich war in diesem Jahr an drei Projekten beteiligt, bei denen ein neuer Doppelträger ein Werk ausgelöst hat, das seit einem Jahrzehnt Einträger-Brückenkrane betrieb. In allen drei Fällen wurde diskutiert, als sei der Kran defekt. Zwei davon waren Sammelschienenprobleme, eines war ein Problem der Schaltschrankkühlung, und keines war der Kran.
Dass sich Doppelträger anders verhalten, liegt an zwei Dingen, mit denen sich der Einträger-Artikel auf dieser Seite nicht befassen musste. Es gibt mehr Antriebe, und oberhalb von 16 Tonnen gibt es zwei Hubwerke. Zwei Hubwerke bedeuten zwei Gleichrichter, zwei Bremsansteuerungen und zwei Gelegenheiten, dass ein Schütz im falschen Moment abfällt. Die folgende Rechnung handelt davon, was diese Antriebe einander antun.
Alles im Folgenden ist entweder eine veröffentlichte Zahl mit genannter Quelle, eine Normklausel oder ein von uns berechneter Wert. Berechnete Werte sind als Planungszahlen gekennzeichnet. Niemand hat eine Erhebung zur harmonischen Verzerrung an einem 20-Tonnen-Doppelträger in einem vietnamesischen Stahlwerk veröffentlicht, und ich werde nicht so tun, als gäbe es sie.
Mehr, als Käufer zählen. Ein Einträger mit 10 Tonnen hat ein Hubwerk, einen Katzfahrwerkssatz und zwei Fahrwerksmotoren. Ein Doppelträger gleicher Tragfähigkeit hat vier Fahrwerksmotoren, weil jede Endtraverse zwei trägt, und ab 16 Tonnen zusätzlich ein zweites Hubwerk für die leichten Lasten. Die folgende veröffentlichte Motoraufstellung stammt aus einem Standardkatalog für Doppelträger von 5 bis 40 Tonnen, mit den Summen wie abgedruckt.
| Tragfähigkeit | Hubmotor | Katzfahrwerksmotoren | Fahrwerksmotoren | Kranleistung | Antriebe an der Schiene | Strom bei 400 V |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 t | 6,1 / 1 kW | 2 x 0,31 kW | 2 x 0,55 kW | 8,82 kW | 3 | 16,6 A |
| 10 t | 9,5 / 1,5 kW | 2 x 0,44 kW | 2 x 1,1 kW | 14,08 kW | 4 | 26,6 A |
| 20 t | 16 / 2,6 kW | 2 x 0,55 kW | 4 x 1,1 kW | 24,1 kW | 5 bis 7 | 45,5 A |
| 32 t | 20 / 5,0 kW | 2 x 1,1 kW | 4 x 1,5 kW | 33,2 kW | 5 bis 7 | 62,6 A |
| 40 t | 38 kW | 2 x 1,5 kW | 4 x 2,2 kW | 47,0 kW | 5 bis 7 | 88,7 A |
| 50 t (europäische Leichtbauweise) | 4 / 0,67 m/min, 2 Geschwindigkeiten | 20 / 5 m/min | 40 / 10 m/min, Polumschaltung | 44,4 kW | 4 | 83,8 A |
Die Ströme sind unsere Berechnung bei 400 V, Leistungsfaktor 0,85 und Motorwirkungsgrad 0,90, auf Basis der Katalog-Kilowatt. Die Antriebszahl ist die Anzahl der getrennt geschalteten Motoren, und darauf kommt es bei Harmonischen an: Jeder Motor mit eigenem Umrichter speist seine eigene Stromverzerrung an seinem eigenen Punkt der Sammelschiene ein. Unsere eigenen Angebote für Doppelträger-Brückenkrane veröffentlichen dieselbe Aufstellung je Tragfähigkeit, und sie ist das Erste, was man zwischen zwei Angeboten vergleichen sollte.
Die 50-Tonnen-Zeile verdient einen Moment. Es ist eine real veröffentlichte Maschine: 13,5 m Spannweite, 6 m Hubhöhe, 8.950 kg Brückengewicht und 12.810 kg Gesamtgewicht, 134,5 kN maximale statische Radlast, Klassifizierung U4/Q2 nach EN 13001-1 und 44,4 kW elektrische Ausrüstung. Sie hat nirgends einen Umrichter. Das Heben erfolgt mit 4/0,67 m/min über einen zweistufigen Polumschaltmotor, das Fahren mit 40/10 m/min auf dieselbe Weise. Behalten Sie das im Kopf, denn es verändert, worüber Sie sich Sorgen machen sollten.
Zwei Hubwerke auf einer Brücke sind keine Redundanzeigenschaft. Es ist eine Produktivitätseigenschaft: Der Hilfshaken fährt mit dem Zwei- bis Fünffachen der Geschwindigkeit des Haupthakens und übernimmt alles unter etwa einem Viertel der Nenntragfähigkeit. Bei einer Maschine, die den größten Teil ihres Tages 2 Tonnen hebt, ist das Haupthubwerk totes Gewicht.
Die veröffentlichte Konfigurationsliste einer schweren Doppelträger-Baureihe macht das Muster offensichtlich. Ab 16 Tonnen ist jede Tragfähigkeit als Paar geschrieben.
| Aufgeführte Tragfähigkeit | Haupt / Hilfshubwerk | Hilfshubwerk in Prozent des Haupthubwerks |
|---|---|---|
| 5 t | Einzelhaken | keins |
| 10 t | Einzelhaken | keins |
| 16 t | 16 / 3,2 t | 20 Prozent |
| 20 t | 20 / 5 t | 25 Prozent |
| 32 t | 32 / 5 t | 16 Prozent |
| 50 t | 50 / 10 t | 20 Prozent |
| 75 t | 75 / 20 t | 27 Prozent |
| 100 t | 100 / 20 t | 20 Prozent |
| 125 t und darüber | 125 / 32 t und mehr | 25 bis 30 Prozent |
Hier trennt sich die elektrische Geschichte vom Einträger. Das Hilfshubwerk ist ein zweiter Gleichrichter, ein zweiter Bremsstromkreis und ein zweites Motorkabel, und es ist bewusst klein dimensioniert. Kleine Antriebe sind diejenigen mit der schlechtesten Stromverzerrung relativ zu ihrer eigenen Last, weil die Zwischenkreis-Kapazität und die Drossel, sofern es eine gibt, gegen eine kleine Baugröße gewählt werden und nicht gegen die Harmonischen. Dieselbe Logik gilt für die Seite Hebezeug und Zubehör der Bestellung: Das kleine Aggregat ist nicht das einfache.
Zwei 6-Puls-Gleichrichter an einer Sammelschiene mitteln sich nicht aus. Eine veröffentlichte Labordemonstration an zwei Antrieben an einer gemeinsamen Wechselstromschiene maß 10,9 A fünfte Harmonische beim ersten Antrieb und etwa das Doppelte, als der zweite Antrieb lief. Eins plus eins ergibt zwei, wie es die Eaton-Applikationsschrift formuliert. Die Wellenformen sind ähnlich, die Phasenwinkel sind ähnlich, und ähnliche Winkel addieren sich.
Zwischen den beiden Extremen, und die Spanne dazwischen ist die ganze Diskussion. Die bequeme Annahme ist die arithmetische Addition: fünf Antriebe, fünfmal der harmonische Strom. Die optimistische Annahme ist die geometrische Summe: fünf Antriebe, das 2,24-Fache des harmonischen Stroms. Die Realität liegt dazwischen und hängt davon ab, wie ähnlich die Antriebe sind und ob ihre Gleichrichter phasenversetzt arbeiten.
Die Branche quantifiziert das mit einem Summationsexponenten, oft als Alpha geschrieben. Ein Exponent von 1 ist die arithmetische Addition ohne Auslöschung. Ein Exponent von 2 ist die geometrische Summe, die man bei zufällig verteilten Phasenwinkeln erhält. Ein IEEE-Papier von Cuk, Cobben, Ribeiro und Kling aus dem Jahr 2013 hat parallel betriebene Induktionsmotorantriebe an zwei Standorten eine Woche lang mit einer Sekunde Auflösung gemessen, sowohl 6-Puls- als auch 12-Puls-Einspeisungen abdeckend, und Koeffizienten für die vereinfachte Summation abgeleitet, gerade weil keines der beiden Extreme richtig ist.
Praktisch entscheidend ist die gesamte Bedarfsverzerrung an der Sammelschiene, nicht die gesamte harmonische Verzerrung eines einzelnen Antriebs. Das sind unterschiedliche Zahlen, und Käufer verwechseln sie ständig. Hier ist, was die beiden Additionsregeln für eine Gruppe identischer Antriebe ergeben.
| Antriebe an der Sammelschiene | TDD bei arithmetischer Addition, ohne Drossel (THDi 100 Prozent) | TDD bei geometrischer Summe, ohne Drossel | TDD bei arithmetischer Addition, Drossel 5 Prozent (THDi 40 Prozent) | TDD bei geometrischer Summe, Drossel 5 Prozent |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 100 Prozent | 100 Prozent | 40 Prozent | 40 Prozent |
| 2 | 100 Prozent | 71 Prozent | 40 Prozent | 28 Prozent |
| 3 | 100 Prozent | 58 Prozent | 40 Prozent | 23 Prozent |
| 5 | 100 Prozent | 45 Prozent | 40 Prozent | 18 Prozent |
| 7 | 100 Prozent | 38 Prozent | 40 Prozent | 15 Prozent |
| Grenzwert IEEE 519-2022, Isc/IL 20 bis 50 | 8 Prozent | 8 Prozent | 8 Prozent | 8 Prozent |
Unsere eigene Berechnung, mit den von ABB für HLK-Antriebe veröffentlichten THDi-Bereichen je Antrieb und den üblichen Additionsregeln. Die Tabelle sagt etwas Unbequemes. Selbst wenn jeder Antrieb eine 5-Prozent-Drossel hat und sich die Phasenwinkel zufällig perfekt verteilen, landet ein Doppelträger mit fünf Antrieben bei 18 Prozent TDD gegenüber einem Grenzwert von 8 Prozent. Drosseln helfen dem einzelnen Antrieb enorm und lassen die Sammelschiene trotzdem außerhalb der Konformität.
Das ist kein Grund, die Drossel wegzulassen. Es ist ein Grund, aufzuhören zu glauben, die Drossel sei die ganze Antwort. Bei einem einzelnen Antrieb zeigt dieselbe Tabelle 40 Prozent, die auf 18 Prozent fallen, und deshalb ist die Drossel ihre zweihundert Dollar wert. Bei einer Maschine mit fünf Antrieben bringt dieselbe Drossel den Weg von 100 auf 18, was eine andere Art von Zahl ist, aber immer noch weit von 8 entfernt.
Phasenverschiebung ist die günstigste echte Harmonischen-Maßnahme für eine Gruppe von Antrieben, und sie wird bei einem Kran fast nie ausgeschrieben. Die Idee ist einfach: Zwei 6-Puls-Gleichrichter, gespeist aus Wicklungen, die 30 elektrische Grad auseinanderliegen, erzeugen fünfte und siebte Harmonische, die 180 Grad auseinanderliegen, sodass sie sich an der gemeinsamen Sammelschiene aufheben, statt sich zu addieren. Ein 6-Puls-Gleichrichter plus ein phasenverschobener 6-Puls-Gleichrichter verhält sich an ihrem Treffpunkt wie ein 12-Puls-Gleichrichter.
Veröffentlichte Stromverzerrungswerte für die verfügbaren Einspeisungen, von ABB und aus den Siemens-Harmonischen-Daten für Antriebe bei Volllast, erklären, warum das zählt.
| Einspeisung | Typischer Strom-THDi bei Volllast | Wirkung auf eine Sammelschiene mit fünf Antrieben | Realistischer Einsatz am Kran |
|---|---|---|---|
| 6-Puls, ohne Drossel | 90 bis 120 Prozent | der schlechteste Fall dominiert | sehr verbreitet in kostengünstigen Schaltschränken |
| 6-Puls, Drossel 2 bis 3 Prozent | 43 bis 44 Prozent | hilft, bleibt über 8 | häufige Nachrüstung |
| 6-Puls, Drossel 5 Prozent | 34 bis 45 Prozent | 15 bis 18 Prozent, wenn sich die Winkel verteilen | Standard bei HLK, bei Kranen unüblich |
| 12-Puls | 8,8 Prozent | nahe am Grenzwert, benötigt einen Transformator mit zwei Wicklungen | bei Kranen selten, in Stahlwerken üblich |
| 18-Puls | 3,9 Prozent | unter dem Grenzwert | gelegentlich, für große Hubwerke |
| Aktive Einspeisung, Zweiquadrantenbetrieb | 1,3 bis 5 Prozent | unter dem Grenzwert, Leistungsfaktor 1 | zunehmend ausgeschrieben für Hubwerke mit hoher Einschaltdauer |
| Aktive Einspeisung, Vierquadrantenbetrieb | 1,2 Prozent, plus Rückspeisung | unter dem Grenzwert und gewinnt Bremsenergie zurück | Premium, ab etwa 50 Tonnen gerechtfertigt |
Eine veröffentlichte Demonstration ist mehr wert als die Tabelle. Zwei identische 6-Puls-Antriebe an einer gemeinsamen Schiene, ein phasenverschiebender Transformator: fünfte Harmonische von 10,9 A je Antrieb auf etwa 21,8 A kombiniert ohne Verschiebung und auf nahezu null mit ihr. Der Transformator hat nichts gefiltert. Er hat zwei gleichphasige Wellenformen in zwei gegenphasige verwandelt.
Bei einem Doppelträger ist das wirklich praktisch, weil die beiden Hubwerke getrennte Antriebe sind, die nicht identisch sein müssen. Eine Maschine mit 20 Tonnen, einem Haupthubwerk von 16 kW und einem Hilfshubwerk von 2,6 kW kann das Hilfshubwerk an eine phasenverschobene Einspeisung legen oder einfach an einen separaten kleinen Transformator mit anderer Schaltgruppe. Das hebt die fünfte und die siebte Harmonische zwischen den beiden größten Quellen auf, zum Preis einer Wicklung statt einer aktiven Einspeisung.
Was es nicht aufhebt, sind die vier Fahrwerksmotoren. Sie sind identisch, werden von einem Umrichterpaar im Master/Slave-Betrieb gespeist und sind daher perfekt gleichphasig zueinander. Identische Antriebe an einem Umrichter sind keine vier Harmonischen-Quellen. Sie sind eine Quelle mit vier Lasten, weshalb das Fahren meist das kleinste Problem ist und die beiden Hubwerke meist das größte.
Nein, und hier dreht sich bei den meisten Käufern die Diagnose um. Die zuvor beschriebene 50-Tonnen-Maschine hat 44,4 kW elektrische Ausrüstung und nirgends einen Umrichter. Das Heben erfolgt zweistufig per Polumschaltung mit 4 und 0,67 m/min. Das Fahren zweistufig per Polumschaltung mit 40 und 10 m/min. Die Katze mit 20 und 5 m/min. Jede Bewegung wird über Schütze geschaltet.
Diese Maschine erzeugt keinen nennenswerten harmonischen Strom, denn ein Polumschalt-Induktionsmotor ist eine lineare Last. Sie erzeugt etwas anderes: einen Anlaufstrom vom Sechs- bis Achtfachen des Nennstroms, der anhält, bis der Motor seine Hochlaufdrehzahl erreicht, mit einer Spitze in der ersten Periode, die laut ABB-Antriebsdokumentation das Zehn- bis Zwölffache erreichen kann. Bei einer 44-kW-Maschine ist das ein Ereignis von 500 bis 800 A bei jedem Start, und bei Einschaltdauer M6 passiert das einige hundert Mal pro Stunde.
Die beiden Ausführungen brauchen daher entgegengesetzte Maßnahmen.
| Symptom | Kran mit Polumschaltung | Kran mit Frequenzumrichter | Die falsche Antwort |
|---|---|---|---|
| Lichter flackern bei jedem Hub | ja, Anlaufstrom | weniger, außer der Zwischenkreis ist am Limit | einen größeren Transformator kaufen |
| Generator löst beim Start aus | sehr wahrscheinlich | möglich, wenn unterdimensioniert | einen Harmonischen-Filter ergänzen |
| Neutral- oder Erdstrom warm | nein | ja, Dreifach-Harmonische | das Kabel ersetzen |
| Kondensatorbank brennt Sicherungen durch | unwahrscheinlich | klassische Harmonischen-Resonanz | einen größeren Kondensator einbauen |
| Kontaktabbrand an Schützen | hoch, durch den Anlaufstrom | geringer | die Schützmarke wechseln |
| Korrekte Maßnahme | Sanftanlauf oder Umrichter-Nachrüstung | Drossel, dann AFE oder 12-Puls | beides existiert, sie sind nicht austauschbar |
Unsere Planungszahlen, basierend auf den von ABB veröffentlichten Anlaufstromverhältnissen und den Bewegungsgeschwindigkeiten aus dem veröffentlichten Datenblatt der 50-Tonnen-Maschine. Die Konsequenz: Die erste Frage bei jedem Leistungsproblem an einem Doppelträger ist nicht, wie hoch die Verzerrung ist. Sie lautet, ob überhaupt ein Umrichter vorhanden ist. Ich habe erlebt, dass für einen schützgeschalteten Kran ein Harmonischen-Filter angeboten wurde, was eine höfliche Art ist, jemandem einen Transformator zu verkaufen, den er nicht braucht.
Weil die Sammelschiene ein Widerstand mit einer Induktivität ist und der Kran den Strom an dem Punkt entnimmt, an dem sich die Brücke gerade befindet. Ein Kran am Einspeiseende sieht praktisch keinen Abfall. Derselbe Kran am fernen Ende sieht die volle Leiterlänge, und in einer langen Halle sind die Zahlen nicht mehr akademisch.
Veröffentlichte Impedanzwerte für gekapselte Stromschienen-Systeme, wie sie auf Kranfahrbahnen eingesetzt werden, bei 35 Grad C, pro Meter.
| Leiter | Nennstrom | Impedanz, Ohm pro Meter | Gleichstromwiderstand, Ohm pro Meter |
|---|---|---|---|
| Aluminium, Kontaktfläche aus Edelstahl | 500 A | 0,000158 | 0,000098 |
| Aluminium | 800 A | 0,000145 | 0,000075 |
| Aluminium | 1000 A | 0,000138 | 0,000052 |
| Kupfer | 500 A | 0,000162 | 0,000105 |
| Kupfer | 800 A | 0,000138 | 0,000058 |
| Kupfer | 1000 A | 0,000128 | 0,000035 |
Die gerechneten Beispiele des Herstellers auf demselben Blatt sind der nützliche Teil, weil sie zeigen, was passiert, wenn eine Halle geteilt wird. Zwei Krane mit zusammen 900 A an einer Aluminium-Sammelschiene mit 1000 A, 245 m Hallenlänge, Einspeisung am Ende: 52,6 V Abfall. Dieselbe Halle in Kupfer: 48,8 V. Ein Kran mit 1000 A an einer 250 m langen Aluminiumschiene mit 1000 A: 59,7 V. Bei einem 400-V-System sind das 13,2 Prozent und 14,9 Prozent.
Das liegt weit außerhalb jedes sinnvollen Grenzwerts, und es wird nicht durch den Kran verursacht. Es entsteht dadurch, dass eine lange Halle von einem Ende aus nahe der Nennbelastung der Schiene gespeist wird. Was das Beispiel wirklich zeigt: Eine gemeinsame Fahrbahn ist ein elektrisches Auslegungsproblem, bevor sie ein Kranproblem ist, und die Einspeiseposition ist wichtiger als das Leitermaterial.
IEC 60364-5-52 Anhang G ist informativ und nicht verbindlich, aber es ist die Zahl, gegen die jeder auslegt: bis zu 3 Prozent für Beleuchtungsstromkreise und bis zu 5 Prozent für andere Endstromkreise, gemessen ab dem Speisepunkt. Derselbe Anhang sagt ausdrücklich, dass der Einbruch beim Motoranlauf separat geprüft werden muss, weil die Einhaltung des stationären Grenzwerts keinen tolerierbaren Einbruch während eines Anlaufs garantiert.
Die Frage für einen Doppelträger ist also, wie viel dieser 5 Prozent die Sammelschiene verbraucht. Unsere Berechnung unten verwendet die oben genannten veröffentlichten Impedanzen, Einspeisung am Ende, 400 V und die Kranströme aus der ersten Tabelle.
| Kran | Strom | Fahrbahnlänge | Sammelschiene | Spannungsabfall | Anteil an 400 V |
|---|---|---|---|---|---|
| 20 t | 45,5 A | 150 m | 1000 A Al | 1,63 V | 0,41 Prozent |
| 20 t | 45,5 A | 300 m | 1000 A Al | 3,26 V | 0,82 Prozent |
| 50 t | 83,8 A | 200 m | 1000 A Al | 4,01 V | 1,00 Prozent |
| 50 t | 83,8 A | 400 m | 1000 A Al | 8,01 V | 2,00 Prozent |
| 100 t | 170 A | 300 m | 1000 A Al | 12,2 V | 3,05 Prozent |
| 100 t | 170 A | 400 m | 500 A Al | 18,6 V | 4,65 Prozent |
| 2 x 50 t zusammen | 167,6 A | 400 m | 1000 A Al | 16,0 V | 4,01 Prozent |
| Veröffentlichtes Beispiel, 2 Krane | 900 A | 245 m | 1000 A Al | 52,6 V | 13,2 Prozent |
Unsere Berechnung aus der veröffentlichten Impedanz pro Meter, mit der üblichen Drehstrombeziehung und einer Leiterlänge gleich der halben Halle bei Einspeisung in der Mitte und der vollen Halle bei Einspeisung am Ende. Alle Zeilen sind am Ende eingespeist, damit der Vergleich gleich ist.
Die Ergebnisse sind beruhigend für den Kran und unbequem für die Fahrbahn. Ein einzelner Doppelträger mit 45 bis 84 A verbraucht 0,4 bis 2 Prozent des Budgets, was in Ordnung ist. Zwei davon an einer 400-m-Schiene verbrauchen 4 Prozent, was fast nichts für die werkseigenen Zuleitungen übrig lässt. Drei Krane mit 900 A verbrauchen 13,2 Prozent, das ist das veröffentlichte Beispiel, und deshalb versagt eine geteilte Halle, während jeder einzelne Kran auf dem Papier korrekt aussieht.
Noch etwas, das der Abfall bewirkt und ein Messgerät nicht zeigt: Er entsteht in der beweglichen Verbindung, an den Stromabnehmern, nicht in einem Klemmenkasten. Unterbrochener Stromabnehmerkontakt auf einer langen Schiene ist eine klassische Ursache für das, was die Branche als schwache Bewegung am fernen Ende bezeichnet: Das Schütz hält, der Motor dreht, und die Last hebt sich trotzdem nicht. Wenn Ihr Symptom nur auftritt, wenn die Brücke an einem Ende der Halle steht, messen Sie die Spannung am Kran, nicht am Schaltschrank.
Sie kochen es. Umrichterverluste werden mit 40 bis 50 W pro kVA Nennleistung angegeben, also 3 bis 5 Prozent der Nennleistung. Ein Hubwerksantrieb mit 45 kW wirkt bei Leistungsfaktor 0,85 wie etwa 53 kVA, seine Volllastverluste liegen also zwischen 2,1 und 2,7 kW Wärme in einem Stahlgehäuse.
Ein veröffentlichtes Rechenbeispiel eines Schaltschrank-Konstrukteurs für Krane macht das konkret. Ein metallurgischer Haupthubwerks-Schaltschrank vom Typ QDY sammelt etwa 1,68 kW Verlust: 1,5 kW im Umrichter, 0,07 kW in der Sammelschiene, 0,04 kW in Schützen, 0,02 kW im Netzteil und 0,05 kW an Kleinteilen. Das Gehäuse misst 2.000 x 800 x 600 mm, freistehend aufgestellt, was nach der Beziehung aus IEC TR 60890 eine wirksame Wärmeübertragungsfläche von 5,712 Quadratmetern ergibt. Lackierter Stahl überträgt etwa 5,5 W pro Quadratmeter und Kelvin. Bei 15 K Erwärmung gibt die Box 471 W ab.
Also ergibt 1,68 kW Verlust in einer Box, die natürlich 471 W abgibt, eine Erwärmung von 1.680 geteilt durch das Produkt aus 5,5 und 5,712, also 53,5 K. In einer 42 C warmen Werkhalle läuft das Innere dieses Schaltschranks bei etwa 95 C.
Nun das zweite Hubwerk. Ein Doppelträger über 16 Tonnen legt zwei Umrichtergruppen in dasselbe Gehäuse, und das Hilfshubwerk ist nicht vernachlässigbar, weil der Schaltschrank geteilt wird.
| Kran | Installierte Antriebsleistung | Wärme bei 3,5 Prozent | Natürliche Abgabe bei 15 K | Eingeschwungene Erwärmung, ohne Lüfter | Innen bei 40 C Umgebung |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 t Einträger | 14,1 kW | 0,49 kW | 471 W | 16 K | 56 C |
| 20 t Doppelträger | 24,1 kW | 0,84 kW | 471 W | 27 K | 67 C |
| 32 t Doppelträger | 33,2 kW | 1,16 kW | 471 W | 37 K | 77 C |
| 50 t Doppelträger | 44,4 kW | 1,55 kW | 471 W | 49 K | 89 C |
| 50 t mit einem Lüftersatz | 44,4 kW | 1,55 kW | 1.200 W mit 250 m3/h gefilterter Luft | etwa 15 K | etwa 55 C |
Unsere Berechnung mit der veröffentlichten Verlustrate, der veröffentlichten Gehäusebeziehung und der veröffentlichten Derating-Kurve. Die letzte Zeile verwendet einen typischen gefilterten Lüftersatz mit 250 Kubikmetern pro Stunde und ist nur indikativ; die Kennlinie des Lüfterlieferanten ist maßgeblich.
Warum das speziell für die Verzerrung zählt: Das veröffentlichte Umrichter-Derating beträgt 1,5 Prozent des Nennausgangsstroms pro Grad über 40 C Umgebungstemperatur. Bei 55 C im Gehäuse bleiben dem Antrieb 77,5 Prozent seiner Nennleistung, ein 45-kW-Umrichter verhält sich also wie ein 35-kW-Umrichter. Ein Antrieb, der mit 78 Prozent seines Typenschildwerts in einen für Volllast gewählten Motor läuft, löst entweder auf Überstrom aus oder, schlimmer, läuft an einem verzerrten Betriebspunkt, an dem die Stromwellenform mehr Harmonischen-Gehalt hat als der Datenblattwert, gegen den er ausgelegt wurde. Schaltschrankkühlung ist bei einem Doppelträger kein Komfortthema. Sie ist Teil des Arguments für die Harmonischen-Konformität.
Zwei verwandte Gewohnheiten aus derselben Quelle lohnen die Übernahme. Bringen Sie den Bremswiderstand außerhalb des Gehäuses an, weil seine Oberfläche während eines Rückspeisezyklus über 300 C erreicht. Und montieren Sie einen Schaltschrank nie an einer Wand, ohne die Wärmerechnung neu zu machen, denn ein wandmontiertes Einzelgehäuse verliert etwa 11 Prozent seiner wirksamen Fläche gegenüber einem freistehenden.
Manchmal, und die Reserve ist enger, als die meisten Käufer annehmen. Die Spule eines Schützes hat einen Ansprechbereich und einen Abfallbereich, und der Abfallbereich ist breit. Ein veröffentlichtes Datenblatt eines Miniatur-Schützes nennt Ansprechen bei 85 bis 110 Prozent der Spulennennspannung und Abfall irgendwo zwischen 20 und 75 Prozent. Fällt Ihr konkretes Gerät am oberen Ende dieses Bandes ab, genügt ein Einbruch von 25 Prozent.
Bei einem Doppelträger zählt das mehr als bei einem Einträger, weil es mehr Schütze und mehr Bewegungen gibt, die man verlieren kann. Der Verlust eines von vier Fahrwerksschützen lässt drei Motoren ein Ende antreiben und einen Motor im Leerlauf mitlaufen, was die Master/Slave-Steuerung dann auszugleichen versucht, indem sie die anderen drei stärker belastet. So klettert eine Schiene.
| Quelle | Wert | Was das vor Ort bedeutet |
|---|---|---|
| Veröffentlichtes Schütz-Datenblatt | Ansprechen 85 bis 110 Prozent, Abfall 20 bis 75 Prozent der Spulennennspannung | ein Einbruch von 25 Prozent kann eine Spule im schlechtesten Fall abfallen lassen |
| IEC 60034-1, Zone A | plus oder minus 5 Prozent Spannung, plus oder minus 2 Prozent Frequenz | der Motor ist sicher, das Schütz vielleicht nicht |
| IEC 60034-1, Zone B | plus oder minus 10 Prozent Spannung, plus 3 bis minus 5 Prozent Frequenz | Nenndrehmoment verfügbar, aber heißer, nur kurzzeitig |
| NEMA MG 1 | plus oder minus 10 Prozent Spannung, plus oder minus 5 Prozent Frequenz, kombiniert nicht über 10 | das nordamerikanische Gegenstück, etwas großzügiger |
| EPRI-Ride-Through-Studie | die meisten Einbrüche dauern 5 bis 15 Perioden, 83 bis 250 ms | lang genug, dass eine Spule abfällt und wieder anzieht |
| Praxis der Generatorauslegung | Motoren vertragen 30 bis 35 Prozent, Planer begrenzen auf 20 Prozent | die 20 Prozent betreffen die Schütze, nicht die Motoren |
Die praktische Lösung kostet fast nichts, und fast niemand setzt sie um: Speisen Sie den Steuerstromkreis aus einem kleinen Konstantspannungs-Transformator oder aus einer Gleichstromversorgung mit Kondensator, sodass die Spulenspannung nicht der Leistungs-Sammelschiene folgt. Die andere Lösung ist, Bewegungen sequenziell statt gleichzeitig zu befehlen, was die SPS kostenlos kann.
Das hängt ganz davon ab, ob der Kran Ihre Monatsspitze setzt. Wo er es tut, zeigt eine veröffentlichte Industriepreistafel den Schaden. Ein Tarifblatt einer ländlichen Elektrizitätsgenossenschaft berechnet 11,56 USD pro kW bezogener Leistungsspitze plus 11,81 USD pro kW Verteilungsspitze, also etwa 23,37 USD pro kW und Monat. Dasselbe Blatt passt die Abrechnungsleistung nach oben an, wenn der Leistungsfaktor bei Höchstlast unter 97 Prozent liegt, indem es die gemessene Leistung mit 97 geteilt durch den tatsächlichen Leistungsfaktor multipliziert. Es berechnet außerdem 0,01009 USD pro überschüssiger kVARh, wenn der Monatsdurchschnitt unter 95 Prozent fällt.
Ein 6-Puls-Antrieb ohne Drossel hat einen wahren Leistungsfaktor nahe 0,69, obwohl der Verschiebungsfaktor des Antriebs 0,98 beträgt, weil der Verzerrungsanteil die Gesamtgröße nach unten zieht. Hier ist, was das bei einem Kran mit 24,1 kW bewirkt.
| Leistungsfaktor | Scheinbare Leistungsspitze | Abgerechnete Leistungsspitze | Strafe pro Monat | Strafe pro Jahr | Wahrscheinliche Ursache |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,98 | 24,6 kVA | 24,1 kW | keine | keine | aktive Einspeisung |
| 0,93 | 25,9 kVA | 25,1 kW | 23 USD | 281 USD | Drossel 5 Prozent |
| 0,85 | 28,4 kVA | 27,5 kW | 79 USD | 953 USD | Drossel 2 bis 3 Prozent |
| 0,69 | 34,9 kVA | 33,9 kW | 229 USD | 2.748 USD | 6-Puls, ohne Drossel |
| 0,69, zwei Krane gleichzeitig auf Spitze | 69,8 kVA | 67,8 kW | 458 USD | 5.496 USD | dasselbe, verdoppelt |
Unsere Berechnung, angewendet auf den veröffentlichten Tarif und die 24,1 kW des Krans, bei 23,37 USD pro kW und Monat. Zwei ehrliche Einschränkungen. Das greift nur, wo der Kran mit der Abrechnungsspitze zusammenfällt, was in einer Gießerei oder einem Betonfertigteilwerk typisch und in einem Lager, in dem der Kran nur gelegentlich läuft, untypisch ist. Und es setzt voraus, dass der Versorger diesen konkreten Tarif buchstabengetreu anwendet, was regional unterschiedlich ist.
Wo es greift, bringt eine Drossel für ein paar hundert Dollar vierstellige Beträge pro Jahr zurück. Das ist das gesamte kommerzielle Argument dafür, bei einem Doppelträger Drosseln auszuschreiben, und es hat nichts damit zu tun, ein guter Bürger zu sein.
Schwere Brückenkrane betreiben bis zu vier Fahrwerksmotoren synchron, wobei die Synchronisierung ein Kranumrichter im Master/Slave-Betrieb übernimmt. Veröffentlichte Antriebsdaten für den Kraneinsatz nennen für Fahrwerksmotoren das 1,8-Fache des Nenndrehmoments zum Anlaufen, Betriebsart S4 mit 40 Prozent Einschaltdauer, bis zu 360 Starts pro Stunde und Isolierung nach NEMA MG 1 Teil 31 für Umrichterverträglichkeit.
Zwei elektrische Fehlerbilder gehören zu dieser Anordnung und zu nichts anderem am Kran. Das erste ist die Drehmoment-Schieflage: Läuft ein Slave nach, erhöht der Master das Drehmoment an allen vier, die vorlaufende Endtraverse rutscht oder klettert auf die Schiene, und der Kran verkeilt sich in der Fahrbahn. Das zweite ist der Kreisstrom zwischen Motoren am selben Zwischenkreis, wenn ihre Kabelwege deutlich differieren; er zeigt sich als ungleiche Erwärmung der Motoren, die eine Wärmebildkamera lange vor einem Fehlercode findet.
Keines davon ist ein Harmonischen-Problem, und beide werden häufig den Harmonischen zugeschrieben, weil das Symptom eine Auslösung ist. Wenn Ihre Auslösungen beim Fahren auftreten und nie beim Heben, haben Sie ein Problem der Antriebskoordination, kein Netzqualitätsproblem.
Fast vollständig. Veröffentlichte Auslegungsgrenzen für Hubwerke, gegengeprüft über die Klassifikationen nach ISO, FEM, CMAA und AS, setzen für jede Klasse eine harte Obergrenze für Betriebsstunden und Starts pro Stunde.
| Klasse | ISO / AS | FEM | CMAA | Betriebsstunden pro Tag | Starts pro Stunde |
|---|---|---|---|---|---|
| 4 | M4 | 1Am | B | 2 | 180 |
| 5 | M5 | 2m | C | 4 | 240 |
| 6 | M6 | 3m | D | 8 | 300 |
| 7 | M7 | 4m | E | 16 | 360 |
| 8 | M8 | 5m | F | 16 plus | 360 |
Eine Maschine der Klasse M5 sammelt über ihre Lebensdauer bei vier Stunden täglich etwa 8 Millionen Starts. Eine Maschine der Klasse M7 sammelt etwa das Vierfache, weil die Klassengrenze viermal höher liegt. Die Harmonischen pro Start ändern sich nicht. Die Zahl der Starts, bei denen Harmonische und Anlaufstrom mit allem anderen im Werk zusammenfallen, ändert sich.
Hier teilt sich eine Baureihe von 5 bis 100 Tonnen, und sie teilt sich an einer unangenehmen Stelle. Emissionsgrenzwerte für Harmonische für Betriebsmittel an öffentlichen Niederspannungsnetzen mit 16 bis 75 A pro Phase sind in IEC 61000-3-12 festgelegt. Ein Doppelträger mit 20 Tonnen liegt bei 45,5 A innerhalb dieses Fensters. Einer mit 50 Tonnen liegt bei 83,8 A außerhalb, und dieselbe Produktfamilie wird dann gegen den Verzerrungsgrenzwert des Versorgers statt gegen die Gerätenorm beurteilt.
| Dokument | Anwendungsbereich | Wo ein Doppelträger landet |
|---|---|---|
| IEC 61000-3-2 | Eingangsstrom bis 16 A pro Phase | nur die kleinsten Maschinen; 5 t liegt mit 16,6 A bereits außerhalb |
| IEC 61000-3-12 | 16 bis 75 A pro Phase, bis 690 V, 50 oder 60 Hz, öffentliches Niederspannungsnetz | 5 bis 32 t fallen hinein; 40 t und 50 t fallen heraus |
| IEEE 519-2022 | Strom- und Spannungsverzerrung am Verknüpfungspunkt, Grenzwerte skaliert mit dem Kurzschlussverhältnis | der maßgebliche Grenzwert in den meisten Exportverträgen, TDD 5 bis 20 Prozent je nach Verhältnis |
| IEC 60204-32:2023 | elektrische Ausrüstung von Hebemaschinen ab dem Kranschalter, einschließlich Stromschienen und Leitungszuführung außerhalb der Maschine, bis 1000 V AC | umfasst die Fahrbahnversorgung, also den Teil, der im Kranvertrag am häufigsten fehlt |
| IEC 60364-5-52 Anhang G | empfohlener Spannungsabfall: 3 Prozent Beleuchtung, 5 Prozent andere Endstromkreise, Anlaufeinbruch separat geprüft | das Budget, in das die Fahrbahn hineinfrisst |
| IEC 61800-5-1 | elektrische Sicherheit von Leistungsantriebssystemen, einschließlich Erdschlussschutz | Antriebe können glatten Gleichfehlerstrom erzeugen, daher ist ein Gerät vom Typ B oder B+ erforderlich |
Die Spannungstabelle von IEEE 519-2022 lohnt es sich mitzuführen, weil sie die ist, die Käufer ohne die Einschränkung zitieren. Am Verknüpfungspunkt unter 1 kV liegt der Grenzwert bei 5,0 Prozent für eine einzelne Harmonische und 8,0 Prozent gesamt. Von 1 bis 69 kV verschärft er sich auf 3,0 und 5,0. Die Stromtabelle, die alle vergessen, skaliert mit dem Kurzschlussverhältnis: 4,0 Prozent für die fünfte Harmonische und 5,0 Prozent TDD, wenn das Verhältnis unter 20 liegt, steigend auf 15,0 und 20,0, wenn es über 1.000 liegt. Ein Kran in einem Werk mit steifem Netz hat mehr Reserve als derselbe Kran am Ende einer langen ländlichen Zuleitung, und die Ausrüstung ist identisch.
Zum Erdschlussschutz: Der kranspezifische Punkt ist, dass ein Gerät vom Typ AC oder Typ A durch den glatten Gleichanteil, den ein Antrieb im Fehlerfall erzeugt, blind werden kann. Veröffentlichte Geräteliteratur für Kraninstallationen empfiehlt Typ B oder Typ B+ mit Immunisierung gegen Fehlauslösungen an langen Kabeln und merkt an, dass ein integrierter EMV-Filter nur innerhalb von etwa 5 bis 10 m geschirmten Motorkabels als wirksam erklärt wird. Bei einem Doppelträger mit Schaltschrank am einen und Hubwerk am anderen Ende wird dieser Abstand regelmäßig überschritten, und genau dafür existieren immunisierte Geräte.
Zehn Zeilen, alle von jedem fähigen Lieferanten auf einer Seite beantwortbar. Mir sind diese lieber als ein Konformitätszertifikat ohne Zahlen dahinter.
1. Anzahl der getrennt geschalteten Motoren und für jeden, ob die Einspeisung 6-Puls, 12-Puls oder aktiv ist. 2. Drossel oder Filter vorhanden, Prozentimpedanz, Wechselstromseite oder Zwischenkreis. 3. Material der Sammelschiene, Nennstrom, Anzahl und Position der Einspeisepunkte und der berechnete Abfall beim Strom des Krans über die tatsächliche Hallenlänge. 4. Wie viele Krane sich die Schiene teilen und welche Gleichzeitigkeit die Auslegung annimmt. 5. Wärmelast des Schaltschranks in kW, Kühlverfahren und Umgebungstemperatur am Aufstellort im Sommer. 6. Spulenspannung und Haltetoleranz und ob der Steuerstromkreis einen eigenen Transformator hat. 7. Motorisolierung nach NEMA MG 1 Teil 31, wenn Umrichter vorhanden sind. 8. Typ und Einstellung des Erdschlussschutzgeräts und ob es gegen mehrfrequente Fehlerströme immun ist. 9. Einschaltdauerklasse nach ISO 4301, FEM oder CMAA, mit Starts pro Stunde. 10. Auf welchen Harmonischen-Grenzwert der Lieferant auslegt und an welchem Messpunkt.
Wenn Sie ein Angebot bekommen, das nur sagt, der Kran sei CE-gekennzeichnet, ist keine dieser zehn Fragen beantwortet. Das ist keine Kritik an der CE-Kennzeichnung. Es ist die Feststellung, dass die CE-Kennzeichnung nichts über den zehnten Kran in Ihrer Halle aussagt.
Für bereits laufende Maschinen ist die folgende Reihenfolge das, was ich tatsächlich tun würde, sortiert nach Rendite und nicht nach Eleganz.
| Maßnahme | Kosten | Was sie behebt | Amortisation |
|---|---|---|---|
| Schaltschrank aus der Hitzezone verlegen und Lüftersatz ergänzen | 400 bis 1.500 USD | 20 bis 25 K innere Erwärmung, stellt die volle Antriebsleistung wieder her | unter 1 Jahr, wo Auslösungen häufig sind |
| Steuerstromkreis aus einer Konstantspannungsquelle speisen | 200 bis 600 USD | Schützabfall bei Einbrüchen | sofort |
| Drossel 5 Prozent an jedem Antrieb, der keine hat | 200 bis 600 USD pro Antrieb | THDi von etwa 100 auf etwa 40 Prozent, Leistungsfaktor von 0,69 auf 0,93 | 6 bis 18 Monate über Leistungspreise |
| Zweiter Einspeisepunkt in der Hallenmitte | 1.500 bis 5.000 USD | halbiert den Abfall auf einer langen Halle | die einzige echte Heilung für schwache Bewegung am fernen Ende |
| Phasenverschobene Einspeisung für das Hilfshubwerk | 2.000 bis 6.000 USD | hebt 5. und 7. zwischen den beiden größten Antrieben auf | 2 bis 6 Jahre je nach Grenzwert |
| Aktive Einspeisung am Haupthubwerk | 3.000 bis 9.000 USD Aufpreis | THDi unter 5 Prozent, Leistungsfaktor 1, Rückspeisung | 3 bis 8 Jahre, schneller bei hoher Einschaltdauer |
| Harmonischen-Filter an der Werkssammelschiene statt am Kran | 4.000 bis 12.000 USD | das gemeinsame Problem, wenn mehrere Krane beitragen | hängt ganz davon ab, was sonst an der Schiene hängt |
| Harmonischen-Filter an einem schützgeschalteten Kran nachrüsten | 3.000 bis 8.000 USD | nichts, weil es keine Gleichrichter gibt | nie. Stattdessen einen Sanftanlauf einbauen |
Die Kosten sind unsere Planungszahlen für 2026, Lieferung Europa und Naher Osten. Die letzte Zeile steht absichtlich in der Tabelle. Es ist der Fehler, den ich am häufigsten sehe, und derjenige, der abgesegnet wird, weil das Wort Filter nach Ingenieursarbeit klingt.
Ja, aber nicht aus dem Grund, den man vermutet. Die beiden Hubwerksantriebe addieren ihre harmonischen Ströme an der Sammelschiene, bevor der Strom Ihren Transformator erreicht, und ähnliche Antriebe mit ähnlichen Phasenwinkeln addieren sich nahezu arithmetisch. Eine veröffentlichte Labordemonstration maß die fünfte Harmonische eines Antriebs mit 10,9 A und etwa das Doppelte mit einem zweiten laufenden Antrieb. Das Hilfshubwerk ist das unbequemere der beiden, weil es klein ist und an einem schlechten Betriebspunkt läuft. Unsere Baureihe der Doppelträger-Brückenkrane führt beide Hubwerke genau aus diesem Grund getrennt auf.
Nein, und das ist der Teil, der Käufer überrascht. Eine Drossel bringt einen einzelnen Antrieb von etwa 100 Prozent Strom-THDi auf etwa 40 Prozent, was eine große Verbesserung und das Geld wert ist. An einer Sammelschiene mit fünf Antrieben liegt die daraus resultierende gesamte Bedarfsverzerrung selbst bei perfekter Verteilung der Phasenwinkel noch bei 15 bis 18 Prozent, gegenüber einem Grenzwert von 8 Prozent nach IEEE 519. Die Drossel ist notwendig und nicht ausreichend. Phasenverschiebung oder eine aktive Einspeisung schließt den Rest der Lücke.
Weil die Sammelschiene der Stromkreis ist und der Kran den Strom an dem Punkt entnimmt, den er erreicht hat. Ein veröffentlichtes Leiterdatenblatt nennt 0,000138 Ohm pro Meter für eine Aluminiumschiene mit 1000 A, was eine 245 m lange, von Kranen mit 900 A genutzte Halle auf 52,6 V Abfall bringt, also 13,2 Prozent von 400 V. Ein einzelner Doppelträger mit 45 bis 84 A verbraucht nur 0,4 bis 2 Prozent, das von Ihnen beobachtete Symptom ist also fast immer eine geteilte Halle. Setzen Sie einen Einspeisepunkt in der Mitte, bevor Sie irgendetwas austauschen.
Ja, und viele tun das. Ein veröffentlichter Doppelträger mit 50 Tonnen und 13,5 m nennt 44,4 kW elektrische Ausrüstung mit zweistufigen Polumschaltmotoren an Hubwerk, Katze und Fahrwerk und nirgends einen Antrieb. Diese Maschine erzeugt nahezu keinen harmonischen Strom, weil ein Polumschalt-Induktionsmotor eine lineare Last ist. Sie erzeugt stattdessen einen Anlaufstrom vom Sechs- bis Achtfachen der Volllast, und die richtige Maßnahme ist ein Sanftanlauf, kein Filter. Fragen Sie, welche Ausführung Sie kaufen, bevor Sie eine Harmonischen-Lösung akzeptieren.
Weil zwei Umrichtergruppen ein Gehäuse teilen und Umrichterverluste bei 3 bis 5 Prozent der Nennleistung liegen. Ein veröffentlichtes Rechenbeispiel nennt für einen einzelnen Hubwerksschrank mit 45 kW 1,68 kW inneren Verlust in einer Box, die bei 15 K Erwärmung natürlich 471 W abgibt, was sich bei 53,5 K Erwärmung und etwa 95 C innen in einer 42 C warmen Werkhalle einstellt. Umrichter werden um 1,5 Prozent des Ausgangsstroms pro Grad über 40 C abgewertet, ein 45-kW-Antrieb verhält sich also wie ein 35-kW-Antrieb. Bauen Sie den Lüftersatz ein und montieren Sie den Bremswiderstand außerhalb des Schranks.
Zuerst die Schaltschrankkühlung, dann die Steuerkreisspannung, dann die Drosseln, in dieser Reihenfolge. Der vierte Punkt, der sich rechnet, ist ein zweiter Einspeisepunkt an der Fahrbahn, aber nur wenn das Symptom schwache Bewegung am fernen Ende ist und nicht Verzerrung. Wenn Ihr Werk eine Leistungsfaktor-Anpassung anwendet, sparen ein paar hundert Dollar Drossel an einem Kran mit 24,1 kW bei einem wahren Leistungsfaktor von 0,69 rund 2.700 USD pro Jahr, basierend auf einem veröffentlichten Tarif von etwa 23,37 USD pro kW Leistungsspitze.
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