Antriebstechnik

Höhere Antriebseffizienz

Circa 65 Prozent des industriellen Stromverbrauchs entfallen auf elektrische Antriebe. Ihr Beitrag zur Erfüllung des EU-Umweltziels ist erheblich. Neben Komponenten wie Motoren, Verkabelung, Energierückgewinnung, Sensoren steht das gesteuerte bzw. geregelte, präzise dimensionierte Gesamtsystem im Focus. Die Systemeffizienz steigt dadurch ebenfalls bei ungeregelten Lösungen mit Soft-, Hybridstartern.

IEC-kompatibler, sensorloser S-RM Su-PremE IE4, Betrieb am Drehzahlregler (Quelle: www.ksb.com)

DIN EN 50598 fußt daher auf dem ganzheitlichen Systemansatz (PDS nach IEC/EN61800-1,3), so dass dem Nutzer der Systemwirkungsgrad am definierten Arbeitspunkt bei Einschluss der Arbeitsmaschine anzugeben ist. Darüber hinaus bieten Unternehmen Angaben für variablen Momentenverlauf. Vergleichswerkzeuge erleichtern die Auswahl.

Motortechnologien
Trotz gleicher Grundprinzipien führen Konstruktion und Materialeinsatz, das Nutzen seit langem bekannter, bisher unattraktiver Lösungen zu deutlichen Wirkungsgradsteigerungen. Drehstrom-Energiesparmotoren ESM höchster Effizienzklassen IE stehen in Asynchron- oder Synchronausführung bereit. Wesentliche Verlustarten gelang es zu minimieren. Der nötige Mehrbedarf an Aktivmaterial (Al, Cu, Elektroblech, Stahl) erhöht Anschaffungskosten, die sich allerdings schnell amortisieren.

Betroffen ist der gesamte Leistungsbereich. Wegen des Energieverbrauchs besitzt die mittlere Baugröße größte Bedeutung (Tabelle 1, 2). Sowohl High-Speed- als auch High-Torque-Ausführungen werden realisiert. Feldschwächung ist zulässig. Jeder Typ lässt sich als Direktmotor integrieren.

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Selbstanpassender Kurzzeitspeicher DES 2.0 für Bremsenergie. (Quelle: www.bremswiderstand.de Fa. Michael Koch GmbH)

Asynchronmotor ASM
Diese verbreitetste Technologie führt beim direkten Netzanschluss des Festdrehzahlantriebs zu höchstem Wirkungsgrad. Im Vergleich dazu ist bei drehzahlvariabler Umrichterspeisung eine reduzierte Effizienz zu kalkulieren, Blindleistung zu beachten.

Synchronmotor SM
SM erreichen IE 5 (gegenüber IE 4 bis zu 20 Prozent geringere Verluste). Bei gleichem Moment ziehen sie weniger Strom.

Permanentmagnet-Motoren PM-SM (Electronically Commutated-EC-Motor, Scheibenläufer im unteren Leistungsbereich) entsprechen Drehstrom-Vollpolmaschinen. Der verlustfreie Rotor enthält Selten-Erde PM. Abmessungen wie Gewicht sind gegenüber ASM kleiner. Besserer Dynamik, günstigerem Leistungsfaktor stehen höhere Anschaffungskosten gegenüber. Insgesamt steigern PM-SM die Prozesseffizienz, ihr Wirkungsgrad ist bei Teillast günstiger.

Tabelle 1: NS-Drehstrom-Antriebssysteme/-Energiesparmotoren ESM 0,75…375 kW (50 Hz)

Mit zunehmender Nennleistung nähern sich Wirkungsgrade von ASM und PM-SM an. Letztere benötigen eine aufwendige Elektronik. Laufen sie direkt am Netz an, besitzen PM-SM eine Preis und Wirkungsgrad belastende Hilfswicklung. Mit solchen Technologien lassen sich Kompakt-Servoantriebe (EC-Motor, Stellglied, Steuerung, Sensorik) konstruieren (zum Beispiel MAC-Systeme http://de.jvl.dk/).

Die Reluktanzmaschine S-RM entspricht im Ständer der ASM. Das Blechpaket des Rotors besitzt magnetische Vorzugsrichtungen. Zu ASM entsprechenden IE-Klassen kommen vergleichbar günstige Investitionskosten. RM ohne Selten-Erde-Magneten (vgl. SynRM2 IE 5, ww.abb.com) bedienen einen großen Stellbereich bei ausgeprägter Überlastfähigkeit und Schrittauflösung. Zusammen mit der Getriebelosigkeit infolge höherer Drehzahl bedeutet die kleinere Baugröße zusätzliche Vorzüge. Der Blindleistungsbedarf wächst. Drehzahlgeregelt sparen sie ≤ 60 Prozent Energie.

Dynamisch vorteilhafte Hybridmotoren HM (vgl. http://www.aradex.de) kombinieren hohes synchrones mit Reluktanz-Moment.

Tabelle 2: Merkmale von ESM (bis IE 5)

Geschalteter Reluktanzmotor G-RM
Der im hochauflösenden Schrittbetrieb mit quasi kontinuierlicher Drehmomentbildung wie eine SM funktionierende G-RM besitzt eine konzentrierte Statorwicklung sowie einen gezahnten Läufer. Gegenüber ASM‘n kennzeichnet diese Bauart höhere Leistungsdichte und Energieeffizienz. Geräuschentwicklung und Momentenwelligkeit können stören. Großer Drehzahlstellbereich benötigt eine aufwendigere Steuerung. Dagegen ist der Umrichter einfacher, weil der Wicklungsstrom nur eine Richtung kennt.

Bremsenergierückgewinnung
Bei Hub- oder Positionierantrieben etwa kann die generatorisch freigesetzte Energie mit Rückspeiseeinheiten (gepulste Netzstromrichter) mit Kostenverlust zurückgewonnen werden (Einsparung bis zu 50 Prozent der Antriebsleistung).

Eine Alternative bietet der Energieaustausch zwischen frequenzgesteuerten Maschinen eines Mehrmotorenantriebs über den gemeinsamen Zwischenkreis. Die doppelte Energiewandlung entfällt. Der einzige Netzstromrichter liefert nur die Differenz zwischen Verbraucher- und Erzeuger-Strom.

Anschlusstechnik, Sensoren
Eine motor- wie netzseitig smarte Verkabelung senkt Betriebskosten, spart Energie und Motorisolation. Dazu dienen verlustarme Filter, aber auch Hybridkabel (Nutzung PLC) sowie leichte, robuste Motorleitungen für lange Verfahrwege (Energieketten wie Chainflex http://www.igus.de).

Hochwertige Geber steigern die Energieeffizienz.

Ausblick
Die genaue Analyse der Anwendung (Lastspiel, Betriebsart) bei Neu- wie Retrofitanlagen ist entscheidend. Dem „erweiterten Ansatz“ der ErP-Richtlinie sowie der EN 50598 wird Rechnung getragen. Beratungsleistung (Analyse, Konzept, Umsetzung) durch den Lieferanten ist einzufordern. Normen und Richtlinien unterstützen dabei. Effizienz-Controlling (Nachmessung u. ä.) offenbart Schwachstellen. Folgeinvestitionen lassen sich optimieren.

Dr.-Ing. habil. Joachim Krause

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