IE4-Synchron-Reluktanzmotor Die Hochwirkungsgrad-Alternative zum Asynchronmotor

 Dem IE4-Synchron-Reluktanzmotor gehört die Zukunft. Drehzahlvariable Antriebe mit diesem Paket amortisieren sich rasch. Den Trend hin zum Synchron-Reluktanzpaket dürfte die EU-Richtlinie EG640/2009 noch beschleunigen. Sie trat 2017 in Kraft.

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Die steigenden Energiepreise lenken das Augenmerk immer stärker auf den Wirkungsgrad der Elektroantriebe. Neben den alt bekannten Asynchron- und Synchronmotoren taucht nun ein neuer Motor auf. Der Synchron-Reluktanzmotor ist speziell für drehzahlvariablen Betrieb entwickelt. Er hat einen ausgezeichneten Wirkungsgrad im Paket mit dem speisenden Umrichter und ist besonders für Lastfälle mit quadratischer Drehmomentkennlinie – Pumpen und Lüfter – gedacht. In diesem Bereich schickt er sich an, den Asynchronmotor abzulösen, wie man auf der Hannover Messe Industrie hörte. Darüber wird im folgenden berichtet.

Der Synchron-Reluktanzmotor

Beim Synchron-Reluktanzmotor liegt im geblechten Ständer eine Standard-Drehstromwicklung in Nuten; meist 4-polig. Seine Besonderheit ist der sehr einfache geblechte anisotrope Läufer. Der Läufer ist aus Blechen mit speziell geformten Konturen aufgebaut, die den magnetischen Fluss gezielt führen oder sperren. Die besonders gestalteten Flussstege der Pole (d-Achse) und die Flusssperren (aus Luft) in den Lücken (q-Achse) sind für den Betrieb des Motors entscheidend. Je größer der Fluss in d-Richtung im Verhältnis zu dem in q-Richtung ist, desto größer ist das Spitzen-Drehmoment des Motors.

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Bei Belastung längen sich die "Gummifäden"

Wird die Ständerwicklung bestromt, so bildet sich ein magnetisches Motorfeld aus. Der Läufer stellt sich mit den Flussstegen der Pole in die Richtung dieses Feldes ein. Quasi über „Gummifäden“ verhakt sich der Läufer an den Polen des Feldes und wird mitgenommen, wenn sich das Feld dreht. Über den speisenden Frequenzumrichter kann jede gewünschte Drehzahl n ~ f (Frequenz f) eingestellt werden. Bei Belastung längen sich die „Gummifäden“ und der Läufer dreht sich aus der Leerlaufstellung heraus; ein Polradwinkel  stellt sich ein. Bei Überlast vergrößert sich der Polradwinkel so, dass die „Gummifäden“ reißen und der Läufer außer Tritt fällt.

So lässt sich der Läufer kostengünstig fertigen

Der Läufer des Synchron-Reluktanzmotors ist, wie bereits oben beschrieben, sehr einfach aufgebaut. Im Gegensatz zum Drehstromasynchronmotor trägt er keine Kurzschlusswicklung aus Aluminium oder Kupfer. Auch teuere permanente Magnete, wie beim Synchronmotor, sind nicht notwendig. Dadurch ist der Läufer sehr Material sparend und kostengünstig aufgebaut und zu fertigen.

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Für den drehzahlvariablen Betrieb ist ein Frequenzumrichter mit Spannungszwischenkreis (U-Umrichter) vorgesehen. Da der Motor aus Kostengründen ohne Sensor arbeitet, muss die Software des Umrichters auf diesen Betrieb einstellbar sein. Das Paket > Umrichter + Motor< arbeitet also bereits optimiert; lineare oder quadratische U/f-Kennlinien sind einstellbar.

Der Wirkungsgrad des Reluktanzmotors

Da der Läufer keine Wicklung trägt, fallen keine Stromwärmeverluste (Joulsche Verluste) an, wie das prinzipiell bei den bisher eingesetzten Asynchronmotoren der Fall ist. Dadurch steigt natürlich der Wirkungsgrad des Synchron-Reluktanzmotors gegenüber dem Asynchronmotor gleicher Leistung an. Dies führt dann auch zu einer höheren Effizienz des Motors. Der Synchron-Reluktanzmotor hat die Effizienzklasse IE4 (Super Premium Efficiency).

Die fehlende Wärmeentwicklung im Läufer hat auch noch den Vorteil, dass sowohl die Lager als auch die Ständerwicklung kälter bleiben. Das erhöht die Lebensdauer der Lager und der Wicklungsisolation und reduziert Ausfallzeiten drastisch. Untersuchungen zeigen, dass nur sehr wenige Antriebe immer mit Bemessungsmoment und damit mit dem besten Wirkungsgrad laufen [1, 2]. Der Synchron-Reluktanzmotor hat auch im Teillastbereich sehr gute Wirkungsgrade und ist so für die Betriebsfälle der Praxis mit wechselnden Lasten, z. B. nach dem „Blauen Engel“-Profil, bei Pumpen, bestens geeignet.

So lässt sich der Kostenvorteil nutzen

Vergleiche zwischen Motoren verschiedener Effizienzklassen zeigen mögliche Kostenvorteile bei einer idealen Pumpenlast und beim Profil „Blauer Engel“. Mit Blick auf die EU-Richtlinien für 2015 und 2017 sollte man bei der Umrüstung überlegen, ob man nicht gleich eine höhere Effizienzklasse wähl und beim Betrieb jetzt schon spart.

Der Frequenzumrichter

Der Synchron-Reluktanzmotor ist speziell für den Betrieb mit einem Frequenzumrichter mit Spannungszwischenkreis (sog. U-Umrichter) ausgelegt. Auch aus Kostengründen arbeitet er ohne Läuferlagegeber. Die besondere Software des Umrichters ermittelt die Läuferlage aus den Istwerten des Motors im Betrieb. Wegen der Luftsperren des Flusses im Läufer, hat der Synchron-Reluktanzmotor einen etwas größeren Magnetisierungsstromanteil im Vergleich zu einem Kurzschlussläufer eines Asynchronmotors. Das wirkt sich aber nicht auf den Netzstrom aus, weil der Magnetisierungsbedarf grundsätzlich vom Zwischenkreiskondensator C gedeckt wird. Nur die Wirkleistung kommt aus dem Netz.

Der Praxistipp: So sparen Sie schon jetzt

Der IE4-Synchron-Reluktanzmotor ist im Paket mit dem passenden Frequenzumrichter zu haben. Wegen seines hohen Wirkungsgrades auch im Teillastbereich, ist er für Pumpen- und Lüfterantriebe, die mit hohen Betriebsstundenzahlen laufen, bestens geeignet. Drehzahlvariable Antriebe mit diesem Paket amortisieren sich meist schon in weniger als zwei Jahren. Der Trend zum Synchron-Reluktanz-Paket wird auch durch die zwingende Umsetzung der EU Richtlinie EG640/2009 gefördert, die seit 2017 höhere Wirkungsgrade vorschreibt. Bei weiter steigenden Energiekosten kann man schon jetzt sparen. In 10 Jahren werden voraussichtlich ca. 60 Prozent der drehzahlvariablen Pumpen- und Lüfterantriebe mit Synchron-Reluktanzmotoren eine Selbstverständlichkeit sein.

*  Prof. Dr.-Ing. Peter F. Brosch,Hochschule Hannover, Fachgebiet Antriebe und Automatisierungstechnik, Fakultät I, Hannover

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