Motor- und Antriebstechnik

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Warum Drehzahlverstellung?

Pumpenaggregate werden hufig fr den maximalen Bedarf ausgelegt, der aber nur selten abverlangt wird. Die vom Prozess geforderten An-passungen sind oftmals mit konven-tionellen Stellmethoden, wie Dros-selventilen oder Bypass-Systemen realisiert, was teilweise zu sehr ho-hen Energieverlusten fhrt. Wird die Pumpe jedoch durch elektronische Drehzahlverstellung an die jeweili-gen Bedrfnisse optimal angepasst, kann die Leistungsaufnahme des An-triebes erheblich reduziert werden.Weitere positive Nebenwirkungen bei reduzierten Drehzahlen sind ge-ringerer Verschlei und weniger Lrmbelstigung. Unterschiedliche Drehzahlen knnen aber auch pro-zessbedingt erforderlich werden, so z.B. in Heizungs- und Klimaanlagen oder bei der Wasserversorgung auf-grund von Bedarfsvernderungen.

Drehzahlverstellung beim Asynchronmotor

Aufgrund ihrer Robustheit, War-tungsfreiheit und kostengnstigen Herstellung ist die Asynchron-maschine zum Arbeitspferd un-ter den elektrischen Antrieben ge-worden, trotz der Tatsache, dass die Asynchronmaschine keine ein-fach zu realisierende kontinuierliche

Drehzahlverstellung zulsst.Die Drehzahl n des Asynchron-motors lsst sich wie in Bild 1 darge-stellt beeinflussen.

Polpaarzahl p (durch polumschaltbare Sondermotoren fr zwei bis max. vier Drehzahlstufen)

Schlupf s (ber Spannungsverminderung durch Phasenanschnitt, Lufervor-widerstnde beim Schleifringlufermotor)

Frequenz f (mit Frequenzumrichter)

Die elektrotechnischen Komponenten bei Pumpenanwendungen sind in

den letzten Jahren verstrkt Gegenstand des Kundeninteresses. Oft

entscheidet die elektrotechnische Ausstattung eines Pumpensystems

ber den Markterfolg eines Produktes. Diese Entwicklung wird sich

erwartungsgem auch in Zukunft

fortsetzen. Gegenstnde der

Kundenwnsche sind dabei immer

mehr die Regelung von Prozessgren

ber die Pumpendrehzahl und die damit verbundene

Energieeinsparung. Je nach Pumpenart und Anwendung

knnen die Energiekosten im Bereich von 80 %

der Lebenszykluskosten liegen.

Energieeinsparung durch Drehzahlverstellung

Dipl.-Ing. Bernd KhlerDipl.-Ing. Markus Kiele-DunscheDipl.-Ing. Gerhard Berge

Bild 1: Mglichkeiten zur Beeinflussung der Drehzahl eines Asynchron-motors

Rotor-

widerstand

Polzahl

n= f (1-s)p

Motor-

spannung

Frequenz

Stator

Kaskaden-

schaltung

Schlupf

Rotor

Bild: Hyamaster SPS, die KSB-Lsung zur Drehzahlregelung bis 650 kW

Die technisch einfachste Art der Drehzahlverstellung wird mit pol-umschaltbaren Asynchronmaschi-nen erreicht, jedoch knnen maxi-mal nur vier feste Drehzahlen gefah-ren werden und somit ist keine konti-nuierliche Prozessregelung mglich.

Die Verstellung der Motorspan-nung bei konstanter Speisefrequenz wird heute fast ausschlielich mit-tels elektronischer Drehstromsteller realisiert. Die an den Klemmen des Drehstromstellers anliegende kons-tante Netzspannung wird ber eine sog. Phasenanschnittsteuerung mit Triacs verringert. Eine Drehzahl-vernderung ist nur in einem engen Bereich mglich und damit kann der Prozess nur begrenzt geregelt wer-den. Bedingt durch den schlechten Wirkungsgrad ist der Einsatz dieser Verstellmethode nur im Leistungs-bereich unterhalb von 1 kW sinn-voll.

Die komfortabelste Mglichkeit mit der Asynchronmaschine zu regeln geschieht mit Hilfe eines Frequenz-umrichters, der nicht nur die Am-plitude sondern auch die Frequenz verndern kann. Der Asynchron-motor mit Frequenzumrichter ist zu einem Standard-Industrie-Antrieb geworden und wird heute auf brei-ter Front dort eingesetzt, wo flexi-ble, verlustarme Drehzahlanpassung vom Antrieb verlangt wird.

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Triac: Bidirektionaler Thyristor (Wirkungsweise wie bei zwei antiparallel geschalteten steuer-baren Halbleitergleichrichtern)

Blindleistungskompensation: Die vom Blindstrom erzeugte Blindleis-tung trgt nicht zur nutzbaren Leistung bei und wird deshalb zur Entlastung der Stromerzeuger mittels Kondensatoren in unmit-telbarer Nhe von induktiven Ver-brauchern kompensiert.

Bemessungsgre (-spannung, -strom): Gre, die einer elek-trischen Maschine grundstzlich vom Hersteller fr eine bestimmte Betriebsbedingung zugeordnet wird.

Bild 2: Prinzipieller Aufbau des Frequenzumrichters

Der Einsatz von Frequenz-umrichtern bei der Rege-lung von Pumpen bietet folgende Vorteile:

- Drehzahl stufenlos verstellbar- hhere Drehzahlen als bei direk-

tem Netzbetrieb mglich- Blindleistungskompensation ent-

fllt- Motor kann mit begrenztem Be-

messungsstrom anlaufen- Stern-Dreieckstufen entfallen- Geruschminderung- Verschleireduzierung- hohe Ein- und Ausschalthufigkeit

mglich- PI-Regler bereits integriert- Drosselregelungen entfallen- Energieersparnis- Einfache Anbindung an Bussyste-

me- Leistungsbereich von 100 W bis

einige MW

Aufbau und Funktion von Frequenzumrichtern

Die meisten Umrichtersysteme arbei-ten nach dem gleichen Grundprin-zip. Der Frequenzumrichter wan-delt die Wechselgren des Netzes in Gleichgren um und zerhackt diese anschlieend wieder mittels elektronischer Leistungshalbleiter in ein dreiphasiges System variabler Frequenz und Amplitude.

Der Leistungsteil eines Umrichters besteht aus dem Gleichrichter, einem Zwischenkreis und dem Wechsel-richter, wie in Bild 2 dargestellt. Der Gleichrichter auf der Netzseite rich-

tet die Wechselspannung des Netzes gleich. Der Zwischenkreis bildet die Entkopplung zwischen Gleich- und Wechselrichter und dient als Energie-speicher. Der Wechselrichter auf der Motorseite formt die Gleichgren des Zwischenkreises ber elektro-nische Schalter in ein neues Dreh-spannungssystem variabler Frequenz und Spannung um. Eine Elektronik bernimmt die berwachung und Steuerung des Leistungsteils.

Es existieren zwei Prinzipien von Umrichtern deren Einsatz von der Leistungsklasse abhngig ist. Die so-genannten U-Umrichter besitzen eine Gleichspannung im Zwischenkreis mit einem Kondensator als Energie-speicher. Bei Leistungen ber 200 kW kommen aus wirtschaftlichen Grnden eher I-Umrichter zum Ein-satz, die als Energiespeicher eine Spule nutzen und somit einen Gleich-strom im Zwischenkreis erzeugen.

Verhalten des Asynchronmotors am FU

Die meisten Asynchronmotoren sind fr eine Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz entwickelt worden. Wenn ein solcher Motor mit einem Fre-quenzumrichter betrieben wird, so sind einige Besonderheiten zu beach-ten.

1. Die Magnetisierung sollte kon-stant bleiben.

Frequenzumrichter

Leistungselektronik

Gleichrichter Zwischenkreis Wechselrichter

Netz

Steuer- und Regelelektronik

Asynchron-motor

3

3

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2. Der maximale Strom darf den Bemessungsstrom nicht berschreiten.

3. Die zulssige Isolationsspannung darf nicht berschritten werden.

Um die erste Regel einzuhalten, wird das Verhltnis von U zu f konstant gehalten und damit der Motor op-timal ausgenutzt. Soll die Drehzahl durch eine Frequenznderung des Speisenetzes verndert werden, so muss auch die Spannung gem der Kennlinie in Bild 3 folgen.

Der Quotient aus Spannung und Fre-quenz kann aber nur solange kons-tant gehalten werden, bis die Motor-

spannung die Netzspan-nung erreicht. Wird die Frequenz ber diesen Punkt hinaus er-hht, muss die Span-nung erzwungenermaen auf ihrem Hchstwert konstant bleiben. Der Motor wird also im obe-ren Drehzahlbereich un-termagnetisiert. Er wird dann im sogenannten Feldschwchbereich betrieben.

Fr das bei Pumpen auftretende quadratische

Lastmoment wird hufig eine an diese spezielle Lastkennlinie angepasste

U/f-Kennlinie benutzt.

Energieeinsparung

Auf elektrische Antriebssysteme ent-fallen ca. zwei Drittel des indus-triellen Strombedarfs in Deutsch-land. Pumpenanwendungen benti-gen, bedingt durch ihre groe An-zahl, im Vergleich zu anderen An-triebsanwendungen anteilig die meis-te Energie und sind fr die Hlfte des Stromverbrauchs bei Antrieben verantwortlich. Bild 4 macht die Leistungseinspa-rung einer Pumpenanlage mit Dreh-zahlregelung gegenber einer Dros-selregelung deutlich.

Konstant-feldbereich

Feldschwch-bereich

1U/UnP/Pn

M/Mn/n

1

Bild 3: Kennlinien des Asynchronmotors beim Frequenzumrichterbetrieb

Drossel

Frequenzumrichter

Einsparung

Mo

torl

eist

un

g in

kW

Bild 4: Leistungseinsparung Drehzahl- zu Drosselregelung

Die Lebenszykluskosten-Betrachtung zeigt zum Beispiel bei einer 3 kW-In-line-Pumpe folgendes Bild: Anschaffungskosten ca. 1900,- DM, Energiekosten ber 10 Jahre ca. 28000,- DM. Je nach Belastungspro-fil lassen sich durchschnittlich ca. 600,- DM / kW installierte Antriebs-leistung pro Jahr an Energiekosten einsparen. Daraus ergibt sich eine Amortisationszeit der hheren An-schaffungskosten von ca. 2,6 Jah-ren. Wenn nur 30 % der Pumpen in der Industrie mit Drehzahlrege-lung ausgerstet wrden, ergbe sich eine Energieersparnis von 16 TWh pro Jahr, was bei heutigen Industrie-strompreisen ca. 2,4 Milliarden DM entspricht (Quelle: ZVEI-Bericht).

Stand der Technik und Ausblicke

Der Gedanke der Systemintegration nimmt heute einen besonderen Stel-lenwert bei allen berlegungen ein. Maschinenbauer, Prozessingenieure und Antriebstechniker mssen ge-meinsam an der Entwicklung und Planung von neuen Antriebskon-zepten arbeiten, die smtliche Komponenten und Schnittstellen bercksichtigen und zu neuen An-triebslsungen fhren. Neue An-triebskonzepte fhren zu einer Effi-zienzerhhung des Gesamtsystems und damit zur Einsparung von Kos-ten.

f/fn

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Frdermenge in Prozent

Wenn bisher