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AntriebstechnikIntelligente Umrichterantriebe

Schlüssel zum nachhaltigen Energiesparen
Antriebstechnik: Intelligente Umrichterantriebe
Umrichterantriebe stehen mit unterschiedlichen Ausführungen des Stellgliedes im gesamten Leistungsbereich von Nieder- und Mittelspannung zur Verfügung. Als dezentrale Systeme tragen sie dazu bei, die Entwicklung des Wohlstandes vom Energieverbrauch abzukoppeln und das bisherige Hauptziel der großen Arbeitsproduktivität bei hohem Wirkungsgrad, um Energie- beziehungsweise Ressourcenproduktivität in Kombination mit steigender, klimastabilisierender Energieeffizienz zu ergänzen.

Das rotierenden und linearen Systemen innewohnende große Sparpotenzial begründet sowohl die Leistungselektronik als auch der umfassende Einsatz von synchronen und asynchronen Drehstrommaschinen. Wegen des Beitrages der digitalen Informationselektronik zur weitreichenden Funktionalität des Antriebs als dezentrales Automatisierungs-Subsystem führt die regelbare Einrichtung häufig das Attribut „intelligent“. Die mit ihrer umfassenden Installation vermeidbare, etwa neun Kraftwerksblöcken à 400 Megawatt entsprechende Energievernichtung – das jährliche Einsparpotenzial liegt bei etwa 22 Terawattstunden – wird noch immer anhand einer Berechnung aus dem Jahre 1980 demonstriert, da weiterhin trotz Klage über Kosten und Verknappung der Energie die Umrüstung auf den elektronisch verstellten Antrieb zu wünschen übrig lässt. Nicht nur zwölf, sondern etwa 50 Prozent der installierten Motorleistung in Deutschland könnten elektronisch geregelt werden. Den Hauptanteil der Verbrauchsabsenkung erbringen der stückzahlstarke Leistungsbereich bis 100 Kilowatt sowie die Branche der Lüfter und Pumpen in Industrie, Gewerbe und Haushalt.

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Neben der wirtschaftlichen hat der energetisch optimierte Antrieb beträchtliche umweltpolitische Bedeutung. Er könnte die Luft um viele Millionen Tonnen Kohlendioxid sauberer machen.

Energieverbrauch und -kosten senken

Mit mehreren zeitgemäßen Ansätzen lässt sich die potenzielle Energie- und Kostenentlastung eines Antriebs vollständig ausschöpfen. Unter Nutzung dieser Kenntnisse wird der bestehende Antrieb analysiert oder die neue Anlage entworfen. Dazu sollten Lieferer und Betreiber eng zusammenarbeiten. Hochgepulste Wechselrichter mit netzseitigem Vier-Quadranten-Steller steigern zudem durch geringe Netzrückwirkungen (sinusförmige Stromaufnahme, Blindleistungsarmut) und sinusförmige Ausgangsgrößen bei sinkendem Filteraufwand die Energieeffizienz. Das entstehende oberschwingungsarme Drehmoment in Kombination mit erhöhter Drehzahlstabilität wirkt sich vorteilhaft auf die Produktqualität aus. Zugleich sinkt der Geräuschpegel.

Optimierte Auslegung

Die Projektierung muss die Ziele der Ansätze zum Senken von Energieverbrauch und -kosten umsetzen. Alle technologischen Anforderungen werden dann erfüllt, das System arbeitet in jeder Hinsicht effizient. Energetisches sowie Gesamtkostenoptimum der TCO stellen sich bei minimalem Verschleiß ein. Das vom Motor verlangte effektive Moment gleicht unabhängig von der an DIN EN 60 034-1, VDE 530, Teil 1 angepassten Betriebsart (Dauer-, Kurzzeit-, Aussetzbetrieb mit und ohne Anlauf/Bremsung) möglichst seinem Bemessungswert. Abweichungen führen zur kostenintensiven Fehlbemessung (Überdimensionierung – erhöhte Anschaffungskosten und Betriebskosten; Unterdimensionierung – Zunahme der Wartungskosten durch stärkeren Verschleiß und Verringerung der Lebensdauer durch Übererwärmung). Der kurzzeitig auftretende Spitzenwert unterschreitet immer das zulässige Höchstmoment der Maschine (Kippmoment). Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien von Motor und Arbeitsmaschine sind anzupassen, so dass die Kombination im stationären Zustand stabil arbeitet. Zwischen beiden Komponenten muss zur effektiven Momentenübertragung eine kraftschlüssige Verbindung bestehen.

Energiesparmotoren

Kommen zusätzlich zur elektronischen Verstellung Energiesparmotoren zur Anwendung (bevorzugt vierpolige Typen bis 100 Kilowatt), fällt die Gesamtbilanz trotz geringfügig höherer Anschaffungskosten nicht nur „schwarz“, sondern nachhaltig „grün“ aus. Etwa 97 Prozent der Kosten während der Lebensdauer des Motors respektive Antriebs entfallen nämlich auf seinen Energieverbrauch. Diese Maschinen haben gegenüber dem Normalmotor in den Klassen EFF 1 (High Efficency – hocheffizienter Motor), EFF 2 (Improved Efficency – wirkungsgradverbesserte Maschine) einen bis zu acht Prozent größeren Wirkungsgrad. Die geminderten Verluste verantworten mehr und qualitativ verbessertes Aktivmaterial (Eisen, Kupfer, Aluminium), ferner eine optimierte Kühlung sowie die CAD-gestützte Konstruktion und Produktion. Die Bauformen stehen für den allgemeinen Einsatzfall (General Purpose Motor GPM) mit Aluminiumgehäuse bereit (Beispiel: Heizung-Klima-Lüftung). In Vollgussausführung (Severe Duty Motor) eignen sie sich für die raue Umgebung, zum Beispiel der Walzwerkstechnik und chemischen Industrie.

Energieeffiziente Antriebstechnik

Eine optimale Anlage kennzeichnen eine minimierte Mechanik (unter anderem Verzicht auf Getriebe), der Einsatz als Direktantrieb – „High Torque Drive“ (kleine Drehzahl bei großem Drehmoment) oder „High Speed Drive“ (kleineres Drehmoment bei großer Drehzahl), ferner die Nutzung von permanenterregten Synchronmotoren bis zu Grenzleistungen sowie die digitale feldorientierte Regelung (FOR) unter Einbeziehung der Feldschwächung zum Ausdehnen des Drehzahlbereiches und die Realisierung netzfreundlicher, selbst sensorloser Steuerverfahren.

Weitere Merkmale sind die Verwendung kompakter Stromrichter mit Si- und SiC-Bauelementen, ein ausreichender Schutz aller Komponenten und während des Gesamtlebenszyklus zulässige Umgebungs- (Kühlung), EMV- (mindestens für die zweite Umgebung) und Netzanschlussbedingungen (Rückwirkungen). Ferner ist zu achten auf angepasste Kabelverbindung Umrichter – Motor (gegebenenfalls Spezialkabel, keine Zusatzverluste, Reflexionen und so weiter), den Einsatz umrichterfester Motoren und vorschriftsgemäße, gegebenenfalls vorbeugenden Wartung (insbesondere von Schraubverbindungen). Wichtig ist auch die Integration aller Elektronikkomponenten (einschließlich passiver Elemente, EMV-Schutz und ähnliches), zum Beispiel auf einer Mehrschicht-Leiterplatte bei zugeschnittener geometrischer Form der Platine etwa für den Handgriff einer Bohrmaschine. Solche Merkmale steigern Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit, aber auch die elektromagnetische Verträglichkeit. Darüber hinaus öffnet die zuletzt genannte Fähigkeit wirtschaftlich den Markt im besonders stückzahlträchtigen Segment 100 Watt bis zwei Kilowatt mit daher enormer Einsparfähigkeit. Ein in dieser Weise ausgestalteter Antrieb erreicht bei Dauerbetrieb S1 nicht nur für die Rückflussdauer (RoI), sondern sogar für den ökologisch bedeutsameren „Erntefaktor“ weniger als ein bis zwei Jahre. Sein Gesamtwirkungsrad erhöht sich, vor allem aber steigt die für die Lebenszykluskosten bedeutsamere Gütekennziffer Energie- effizienz

während des Lastspiels T. Elektronisch in Drehzahl und/oder Lage geregelte Antriebe stehen für einen Energieverbrauch, der um 20 bis 80 Prozent reduziert ist.

Joachim Krause

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