1. Hintergrund zum Seilbahnantrieb
Die besonderen Betriebsumgebungen von Personenseilbahnen stellen besondere Anforderungen an deren elektrische Antriebssysteme. Viele Seilbahnen werden in hohen Bergen und Hügeln oder in abgelegenen, landschaftlich reizvollen Gebieten fernab von Städten mit ungünstiger Verkehrsanbindung gebaut. Die natürlichen Bedingungen sind rau, Zubehör ist umständlich zu beschaffen und der technische Support ist nicht reibungslos. Daher muss die Seilbahnausrüstung, insbesondere die Kernkomponenten wie Motorantriebe, einfach aufgebaut, anpassungsfähig, widerstandsfähig und wartungsfreundlich sein. Zweitens ändert sich die Geschwindigkeit der Seilbahn während des Betriebs häufig je nach Passagieraufkommen. Daher ist eine komfortable und einfache Geschwindigkeitsregelung erforderlich. Unabhängig von Höhenunterschieden und Lastschwankungen muss die Seilbahn zudem stets einen reibungslosen Betrieb ohne Drehzahlkriechen gewährleisten, was hohe Anforderungen an die Drehzahlregelung des Motors stellt. Schließlich benötigt das Seilbahnantriebssystem als Lufttransportmittel zuverlässige Ausrüstung und ausgereifte Technologie, um einen stabilen Betrieb und weniger Ausfälle zu gewährleisten.
Bei frühen Motorantrieben wurden Gleichstrommotoren aufgrund ihres komplexen Drehzahlregelungssystems und der Tatsache, dass ihre Drehzahlregelungsleistung nicht mit der von Gleichstrommotoren vergleichbar war, hauptsächlich in Antriebsanwendungen eingesetzt, die eine Drehzahlregelung erfordern, während Wechselstrommotoren meist dann zum Einsatz kommen, wenn keine Drehzahlregelung erforderlich ist. Dasselbe gilt für Personenseilbahnantriebe. Kleine Seilbahnen, insbesondere Seilbahnen mit fixem Klemmgriff, benötigen aufgrund ihrer niedrigen Betriebsgeschwindigkeit grundsätzlich keine Drehzahlregelung. Selbst wenn eine Drehzahlregelung erforderlich wäre, ist sie aufgrund der geringen Passagierzahl und der geringen Last für eine hohe Geschwindigkeitsregelung nicht erforderlich. Daher werden hauptsächlich Wechselstromantriebe mit fester Drehzahl oder Wechselstromantriebe mit drehzahlgeregeltem Reihenwiderstand verwendet. Seilbahnen mit großer Kapazität, insbesondere kuppelbare Kreisbahnen, erfordern jedoch aufgrund ihrer hohen Betriebsgeschwindigkeit häufige Geschwindigkeitsänderungen. Gleichzeitig werden aufgrund des komplexen Geländes, der großen Höhenunterschiede, der hohen Passagierkapazität und der ständigen Änderungen der Lastgröße hohe Anforderungen an die Geschwindigkeitsregelung und -leistung der Seilbahn gestellt. Daher werden in den meisten Fällen Gleichstrommotorantriebe verwendet.
In den letzten Jahren haben sich mit der Entwicklung moderner Regelungstechnik, Leistungselektronik und intelligenter Steuerungstechnik sowie der kontinuierlichen Leistungsverbesserung von Seltenerd-Permanentmagneten in Verbindung mit den Vorteilen von Wechselstrommotoren wie einfacher Struktur, geringer Größe, geringem Gewicht und praktischer Wartungsfreiheit zunehmend Drehzahlregelungssysteme für Wechselstrommotoren durchgesetzt. Insbesondere der Einsatz von Permanentmagnet-Synchronmotoren in Kombination mit einer Drehzahlregelung mit variabler Frequenz vereinfacht nicht nur die Motorstruktur, sondern die Drehzahlregelungsleistung ist auch vollständig mit der von herkömmlichen Motoren vergleichbar. Daher hat auch der elektrische Antrieb größerer inländischer Seilbahnen einen Entwicklungsprozess durchlaufen: von der Dominanz des Gleichstrommotor-Gleichrichterantriebs über die schrittweise Einführung des Wechselstrom-Asynchronmotors mit variabler Frequenz bis hin zum heutigen wassermagnetischen Synchronmotor mit variabler Frequenz und Direktantrieb.
Der Aufbau eines Permanentmagnet-Synchronmotors ähnelt dem eines herkömmlichen Wechselstrommotors und besteht im Wesentlichen aus Sockel, Statorkern, Statorwicklung, Rotorkern, Permanentmagnet, Rotorwelle, Lager und Enddeckel. In der Regel sind außerdem Lüftungsöffnungen, Kühlwasserkanäle und Anschlusskästen vorhanden. Das Besondere an Permanentmagnetmotoren ist, dass ihr Rotor neben Kern, Welle und Lager auch Permanentmagnete aufweist. Im Querschnitt des Rotorkerns ist Platz für die Permanentmagnete und die Rotorwelle. Da die Permanentmagnete ein Magnetfeld erzeugen, ist es nicht mehr notwendig, durch die Stromversorgung ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen. Wird der Rotor durch eine geeignete Methode in Drehung versetzt, bildet sich ein rotierender Magnetpol. Durch die magnetische Anziehungskraft des rotierenden Statormagnetfelds wird der rotierende Magnetpol mitgerissen und dreht sich synchron, wodurch stabile mechanische Energie abgegeben wird.
Permanentmagnet-Synchronmotoren zeichnen sich durch einfache Herstellungsverfahren, niedrige Kosten, hohe Energieeffizienz und Leistungsfaktor, geringe Größe und geringe Geräuschentwicklung bei gleicher Leistung aus. Sie zeichnen sich zudem durch die einfache Struktur von Wechselstrommotoren und die gute Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren aus und sind daher weit verbreitet. In den letzten Jahren wurde dieser Typ von AC-Permanentmagnet-Synchronmotoren häufig in AC-Direktantriebs-Seilbahnen (DD) eingesetzt.
2. Starten des Permanentmagnet-Synchronmotors
Durch die Analyse des mathematischen Modells eines Permanentmagnet-Synchronmotors können wir erkennen, dass zwischen der Rotordrehzahl n (U/min) und der Drehzahl des rotierenden Statormagnetfelds n (U/min) sowie der Statorstromversorgungsfrequenz f (Hz) und der Anzahl der Magnetpolpaare P des Motors die folgende Beziehung besteht: n=n,=(60f)/P
Durch weitere Analyse können wir auch erkennen, dass das elektromagnetische Drehmoment von PMSM nur bei synchronem Betrieb stabil ist. Bei asynchroner Drehzahl beträgt das durchschnittliche elektromagnetische Drehmoment Null. Während des Startvorgangs des Motors erhöht sich die Rotordrehzahl von Null aus, was den asynchronen Laufzustand darstellt. Da das elektromagnetische Drehmoment Null ist, kann der Rotor nicht beschleunigt werden, weshalb der Synchronmotor nicht von selbst starten kann. Gemäß der obigen Drehzahlformel n=n,=(60f)/P ist ersichtlich, dass die Drehzahl von der Statorversorgungsfrequenz und der Anzahl der Motorpolpaare abhängt. Wenn die Anzahl der Motorpolpaare bestimmt wurde, können Start und Drehzahlregelung durch Änderung der Statorversorgungsfrequenz erreicht werden. Das Gerät, das diese Stromversorgung mit variabler Frequenz bereitstellen kann, heißt Frequenzumrichter (VFD), auch Wechselrichter (VVVF) genannt.
Direktantrieb der Drehzahlregelung mit variabler Frequenz eines Permanentmagnet-Synchronmotors
Mit der Formel für die Synchronmotordrehzahl n = (60 f)/P lässt sich berechnen, dass bei einer Polpaarzahl von P = 45 und einer Frequenz von f = 16.5 Hz die Drehzahl n = 22 U/min ist. Für ein Antriebsrad mit einem Durchmesser D von 5.2 m ergibt sich die Lineargeschwindigkeit L wie folgt:
L=(πD*n)=(3.14*5.2*22)/60=6m/s
Es erfüllt die Anforderungen der maximalen Fahrgeschwindigkeit der Seilbahn von 6 m/s. Bei einer Steuerfrequenz des Wechselrichters zwischen 0 und 16.5 Hz kann die Seilbahn mit einer Geschwindigkeit zwischen 0 und 6 m/s fahren, ohne dass ein Reduzierstück zur Geschwindigkeitsanpassung erforderlich ist. Die frequenzvariable Drehzahlregelung des Permanentmagnet-Synchronmotors erfüllt auch die Anforderungen an niedrige Drehzahl und hohes Drehmoment beim Anfahren. Dies ermöglicht auch den frequenzvariablen Direktantrieb des Permanentmagnet-AC-Synchronmotors.
Fazit
Die obige Analyse zeigt, dass der Permanentmagnet-Synchronmotor den gleichen einfachen Aufbau wie ein herkömmlicher Wechselstrommotor aufweist und die Frequenzregelung des Synchronmotors die gleiche überlegene Leistung wie die Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors mit Gleichrichter bietet. Insbesondere durch die kontinuierliche Verbesserung der Leistung von Seltenerd-Permanentmagnetmaterialien können die magnetischen Eigenschaften und die thermische Stabilität der Permanentmagnete die Anforderungen des Motoreinsatzes voll erfüllen. Darüber hinaus ist der Synchronmotor toleranter gegenüber Drehmomentschwankungen als der Asynchronmotor und reagiert relativ schnell. Bei rechtzeitiger Anpassung des Leistungswinkels bleibt die Drehzahl stets im synchronen Betrieb, und Änderungen des Lastdrehmoments beeinträchtigen die Drehzahlstabilität nicht. Dies eignet sich hervorragend für Lasten mit konstantem Drehmoment, wie sie beispielsweise bei Seilbahnen auftreten. Gleichzeitig ermöglicht das Permanentmagnetfeld des Synchronmotorrotors einen stabilen Betrieb des Motors bei extrem niedrigen Frequenzen. Dadurch kann der Motor direkt bei niedriger Frequenz starten und ohne Getriebe betrieben werden. Daher ist abzusehen, dass der Direktantrieb mit Permanentmagnet-Synchronmotor und variabler Frequenz in Seilbahnen für Personen mit hoher Belastung immer häufiger zum Einsatz kommen wird.
Allerdings müssen wir auch die Auswirkungen einer Reihe von Problemen berücksichtigen, wie beispielsweise die Temperatur- und Vibrationsempfindlichkeit des Permanentmagnetmaterials des Motors auf die Betriebszuverlässigkeit. Nur durch umfassende Wartungsarbeiten an der Anlage, wie Wärmeableitung, Staubschutz und Vibrationsreduzierung, kann dieses neue elektrische Antriebssystem seine optimale Leistung erbringen.
