Der 6. Technische Tag der VEM diskutierte umweltgerechte Antriebe

Autor / Redakteur: Brigitte Michel / Reinhard Kluger

Forschungsergebnisse und die praktischen Lösungen zeigen: Frequenzumrichter sollten direkt am Motor angebracht sein, Rotoren werden vermehrt aus Kupfer gefertigt und Varistoren helfen, Überspannungen zu begrenzen.

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Die Vielzahl länderspezifischer Vorschriften, Gesetze und Normen erschwert das Vergleichen und Bewerten energiesparender Motoren. Je nach Einsatzgebiet sind von den Herstellern Grenzwerte nach Voluntary Agreement of CEMEP (VA), NEMA, EPAct oder speziellen australischen, japanischen und anderen Vorschriften zu beachten. Hinzu kommen unterschiedliche Prüfvorschriften und Anforderungen, die sich zukünftig aus der Energy-Using Products-Richtlinie (EuP) ergeben. Je höher der Wirkungsgrad von Motoren, umso energiesparender arbeiten sie. So schreiben bereits die USA, Kanada, Mexiko, Australien und Neuseeland gesetzliche Mindestwirkungsgrade vor. Weitere Länder planen dies, wie Israel, Korea, Brasilien und China. Und auch die europäischen Motorenhersteller im Rahmen der CEMEP unterstützen die Einführung von Mindestwirkungsgraden. Allerdings sind die Rahmenbedingungen noch strittig. So gilt: Allein den Elektromotor energiesparender zu gestalten ist nicht genug, sondern man muss den gesamten Antriebsstrang in die Projektierung mit einbeziehen.

Der von der EU-Kommission beauftragte „Energiesparpapst“ Professor Anibal de Almeida, Universität Coimbra, Portugal, widerspricht der beliebten Wegwerfmentalität. Er ist sich sicher, dass es sich lohne, Motoren ab 5 kW Leistung im Reparaturfall wieder aufzuarbeiten, anstatt einen neuen Motor zu kaufen. Und: Frequenzumrichter sollten direkt am Motor angebaut sein, um die Leistung des gesamten Antriebs zu verbessern. Mit geringerer Einspeisung lässt sich die gleiche Leistung erzielen. Beim Vergleich von Antrieb ohne Umrichter mit einer Leistungsaufnahme von 100 kW und einer Abgabeleistung von 31 kW und einem Motor mit Frequenzumrichter, zeigt sich, dass dieser für die gleiche Abgabeleistung nur noch 43 kW benötigt. Mehraufwendungen für den Umrichter könnten sich, so Prof. Almeida, bei den heutigen und zu erwartenden Stromkosten, sehr schnell amortisieren. Eine Baureihe von Drehstrom-Kompaktantrieben der VEM Gruppe vereint bereits einige der von Prof. Almeida genannten Vorzüge in sich. Das komplette, anschlussfertige und sofort betriebsbereite drehzahlvariable Antriebssystem wird mit Leistungen von 0,55 bis 22 kW gefertigt. Durch den prinzipbedingten Wegfall von Projektierungsleistungen, Filtern am Ausgang des Umrichters und geschirmten Motorkabeln kommt es zu erheblichen Einsparungen. Es lassen sich nicht nur Kupfer, Dynamoblech und Isolationsmaterialien einsparen, sondern auch Energie zum Fördern, Herstellen und Transport dieser Werkstoffe.

Wie sich der Wirkungsgrad konstruktiv verbessern lässt, stellte Dipl.-Ing. Stefan Fassbinder, Deutsches Kupferinstitut, vor. Eine neuartige Gießform ermöglicht Rotoren aus Kupfer, statt wie bisher üblich aus Aluminium. Die um etwa 50 Prozent bessere Leitfähigkeit des Kupfers ermöglicht, einen gleich großen Motor mit geringeren Verlusten oder aber einen kleineren Motor mit gleicher Leistung herzustellen. Eine konstruktive Variante mit der SEW in Bruchsal Motoren mit Kupferrotoren in der zweiten Generation fertigt.

Filter immer genauer dimensionieren

Pulsumrichter zur Drehzahl- oder Drehmomentregelung von Asynchronantrieben verursachen, aufgrund von Wanderwellen, Überspannungen auf der Zuleitung. Überspannungen, so Dipl.-Ing. Alexander Rocks, TU Darmstadt, im schlimmsten Fall den dreifachen Wert der Zwischenkreisspannung annehmen können. Bei derartigen Problemen kamen bisher groß dimensionierte und damit teure Filter zum Einsatz. In einem Forschungsprojekt wurde untersucht, ob es möglich ist, die Überspannungen durch Varistoren (spannungsabhängige Widerstände) zu begrenzen. Moderne IGBT-Umrichter ermöglichen Taktfrequenzen von 10 kHz und mehr bei Anstiegszeiten von wenigen hundert Nanosekunden. Entsprechend ist die Anzahl der Überspannungen, die der Varistor zu bewältigen hat, ungleich höher als im konventionellen Betrieb. Dies stellt besondere Anforderungen an die Geometrie und das Material. Trotzdem können Varistoren eine Alternative zu bestehenden Lösungen, wie Filter, sein. Eine besondere Chance sieht Rocks bei der Reduktion temporärer Überspannungen.(klu)

Brigitte Michel, Fachjournalistin, Leinach

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