Frequenzumrichter

Gesteuerte Drehzahlverstellung ermöglicht Energieeinsparung von 50 bis 70%

14.11.2007 | Autor / Redakteur: Matthias Ams / Reinhold Schäfer

Bild 1: Durch den Einsatz von Frequenzumrichtern lässt sich der Energieverbrauch bei elektrischen Antrieben deutlich senken.
Bild 1: Durch den Einsatz von Frequenzumrichtern lässt sich der Energieverbrauch bei elektrischen Antrieben deutlich senken.

Die elektrische Antriebstechnik ist für etwa 70% des industriellen Stromverbrauchs verantwortlich. Alleine durch Einsatz einer gesteuerten Drehzahlverstellung mittels eines Frequenzumrichters ergeben sich, je nach Anwendung, häufig schon Energieeinsparungen zwischen 50 und 70%.

Der Einsatz energieeffizienter Antriebe hat nicht nur für Umwelt und Klima einen Nutzen, auch die Industrie profitiert indirekt durch die Reduktion des Stromverbrauchs. Der Anteil der Energiekosten an den Lebenszykluskosten eines elektrischen AntriebsSystems beträgt meist über 90%. Somit nimmt die Steigerung der Energieeffizienz direkten Einfluss auf die Lebenszykluskosten des Antriebs. Der ZVEI sieht für die elektrische Antriebstechnik die Verteilung von Energiesparpotenzialen wie folgt:

  • 10% durch Einsatz von Energiesparmotoren,
  • 30% durch elektrische Drehzahlregelung und
  • 60% durch mechanische Systemoptimierung.

Der Einsatz von energieeffizienten Verbrauchern und somit auch den energiesparenden Motoren wird in vielen Regionen vermehrt vorgeschrieben oder zumindest steuerlich gefördert. Vorreiter sind dort allen voran Australien/Neuseeland, die USA und Brasilien, denn in diesen Ländern sind Energieeffizienzwerte vorgeschrieben und es dürfen nur Antriebe eingesetzt werden, die diesen Vorschriften genügen. Andere Nationen wie Großbritannien setzen auf steuerliche Anreize, um den Einsatz energieeffizienter Antriebe voranzutreiben. Im Rahmen der EuP-Richtlinie ist zu erwarten, dass es auch europaweit Bestimmungen geben wird, die nur noch energieeffiziente Antriebe zulassen.

In der Antriebstechnik lassen sich jedoch an anderer Stelle noch weit höhere Energieeinsparpotenziale finden, die schon mit der heutigen Technik nutzbar sind. Alleine durch den Einsatz einer gesteuerten Drehzahlverstellung mittels eines Frequenzumrichters ergeben sich, je nach Anwendung, häufig schon Energieeinsparungen zwischen 50 und 70% (Bild 1). Pumpen und Volumenstromanwendungen, die die Fördermenge über Klappen und Ventile regulieren, sind klassische Beispiele für Anwendungen, deren Energiebedarf durch den Einsatz einer Drehzahlsteuerung erheblich verringert werden kann. Im Bereich der Förder- und Handhabungsanwendungen trägt die Projektierung eines geeigneten Verfahrprofils ebenfalls zu einer Verbesserung des Energiebedarfs bei.

In der mechanischen Systemoptimierung sieht der ZVEI das größte Energiesparpotenzial. Generell gilt es, Maßnahmen zu ergreifen, die der Verminderung von Reibung und der mit ihr verbundenen Verluste dienen. Weil jede Komponente, die an der Kraft- und Drehmomentenübertragung mitwirkt, auch Verluste verursacht, sollten nur Komponenten mit geringen Reibungsverlusten eingesetzt werden. Des Weiteren ist die Anzahl dieser Komponenten so gering wie möglich zu halten. Mit den Zielen des Klimaschutzes und der Reduzierung der Lebenszykluskosten vor Augen leisten die Hersteller von elektrischen Antrieben durch die Optimierung der Energieeffizienz ihrer Produkte einen entscheidenden Beitrag.

Bild 2: Bei Anwendungen in Lüftern und Pumpen sowie Zentrifugen steigt das geforderte Drehmoment quadratisch zur Drehzahl an.
Bild 2: Bei Anwendungen in Lüftern und Pumpen sowie Zentrifugen steigt das geforderte Drehmoment quadratisch zur Drehzahl an.

Unterschiedliche Wege führen zum Energiesparziel

Viele Umrichterhersteller bieten bereits einen Energiesparmodus in ihren Umrichtern an. Um dies zu erreichen, können unterschiedliche Wege verfolgt werden: Eine häufig angewendete Möglichkeit ist es, den Magnetisierungsstrom einer Asynchronmaschine an die jeweilige Anwendung anzupassen. Typische Anwendungen sind Antriebe zum Fördern von Flüssigkeiten und Gasen, das heißt Lüfter und Pumpen sowie Zentrifugen (Bild 2). Bei diesen Anwendungen steigt das geforderte Moment quadratisch zur Drehzahl. Weil magnetischer Fluss und Drehmoment in proportionalem Verhältnis zueinander stehen, wird bei diesen Anwendungen der magnetische Fluss entsprechend der Lastkennlinie bei niedrigen Drehzahlen gesenkt. Durch diese Flussabsenkung ist das resultierende Drehmoment gerade ausreichend hoch, um die Anwendung betreiben zu können.

Bild 3: Der Anwender muss unter den unterschiedlichen angebotenen Steuerkennlinien eine Auswahl treffen.
Bild 3: Der Anwender muss unter den unterschiedlichen angebotenen Steuerkennlinien eine Auswahl treffen.

Praxis zeigt veränderte Randbedingungen

Bei diesem Ansatz wird die Asynchronmaschine nach bekannten Lastkennlinien gesteuert, was eine optimale Ansteuerung für genau diesen Lastfall bedeutet. In der Praxis zeigt sich jedoch oftmals, dass für den Antrieb veränderte Randbedingungen auftreten und die hinterlegte Kennlinie, wie aus Bild 3 ersichtlich, sich nicht mit den tatsächlichen Anforderungen der Anwendung deckt. Der Anwender muss unter den unterschiedlichen angebotenen Steuerkennlinien eine Auswahl treffen und durch „Ausprobieren“ herausfinden, welche für seine Anwendung die geeignete ist.

Das bedeutet, dass eine solche Energiesparfunktion häufig nicht im optimalen Betriebspunkt arbeiten kann. Je nach Implementierung ist der Frequenzumrichter nicht in der Lage, das Kippen der Asynchronmaschine zu verhindern. Erfordert die anzutreibende Mechanik ein höheres Anlaufmoment, als in der Lastkennlinie berücksichtigt wird, kann nicht ausgeschlossen werden, dass es in diesen Fällen Probleme beim Hochlauf der Anwendung gibt oder dass die Anwendung im ungünstigsten Fall nicht anläuft.

Das oben beschriebene Konzept führt häufig zu speziellen Geräteausprägungen, so findet man dann besondere Pumpen- und Lüftergeräte vor. SEW-Eurodrive beschreitet an dieser Stelle andere Wege. Ziel ist es, nicht Lösungen für einzelne Probleme und Anwendungen zu finden, sondern die Thematik des Energiesparens ganzheitlich und für alle Anwendungen umzusetzen. Die Umsetzung der patentierten Energiesparfunktion ist ein aktuelles Beispiel dafür, dass der Bruchsaler Antriebsspezialist den Aspekt der Energieeinsparung bei der Neuentwicklung von Produkten schon seit vielen Jahren berücksichtigt. Dies ist ein weiterer Beitrag, um den Anwendern für die verschiedensten Applikationen ein optimales Produktportfolio zur Reduktion der Life Cycle Costs (LCC) und zur Schonung von Energie- und Umweltressourcen zur Verfügung zu stellen.

Energiesparfunktion steigert Energieeffizienz

Die Energiesparfunktion lässt sich immer dann anwenden, wenn der Motor im Teillastbereich betrieben werden muss und bei einem auftretenden Lastwechsel die Dynamik nicht im Vordergrund steht. Abhängig vom Betriebspunkt lässt sich mit Hilfe der Energiesparfunktion der Energiebedarf im Vergleich zum normalen Umrichterbetrieb um bis zu 30% reduzieren. Diese Funktion eignet sich besonders, wenn mit dem Antrieb ein breites Belastungsspektrum abzudecken ist und kein allgemeingültiger Betriebspunkt projektiert werden kann. Typische Anwendungen sind unter anderem Förderstrecken mit Stückgut oder Schüttgut, wie Förderbänder in Kies- oder Bergwerken, Rolltreppen oder auch Pumpen- und Lüfteranwendungen.

Der Grundgedanke des Verfahrens basiert darauf, dass es zu jedem U/f-Verhältnis eine Belastung gibt, für die der Wirkungsgrad maximal wird. Die Regelung optimiert den Magnetisierungsstrom über das U/f-Verhältnis so ein, dass der Motor im optimalen Betriebspunkt arbeitet und gerade ein so großes Moment abgibt, wie die Anwendung erfordert. Die Wirkungsgradoptimierung ergibt sich durch den abgesenkten Ausgangsstrom.

Matthias Ams ist Product Manager im Bereich Geared Motors and AC Drives bei der SEW-Eurodrive GmbH & Co. KG in 76642 Bruchsal, Tel. (07251) 75-0, Fax (07251) 75-1970, sew@sew-eurodrive.de

 

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