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Energieeffizienz

Effizienz elektrischer Antriebe lässt sich noch steigern

| Redakteur: Claudia Otto

Bei elektrischen Antrieben ist es schwer, noch mehr Energie einzusparen. Doch speziell für drehzahlveränderbare Antriebe gibt es jetzt eine Möglichkeit, auch das zu verwirklichen. Ein Antriebspaket aus Synchronreluktanzmotor und abgestimmtem Frequenzumrichter reduziert den Energieverbrauch und optimiert die Prozessführung.

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Bild 1: Die Synchronreluktanzmotoren sorgen im Zusammenspiel mit den abgestimmten Frequenzumrichtern für hohe Energieeinsparungen. (Bild: ABB)
Bild 1: Die Synchronreluktanzmotoren sorgen im Zusammenspiel mit den abgestimmten Frequenzumrichtern für hohe Energieeinsparungen. (Bild: ABB)

Elektromotoren werden in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt. Neben Asynchronmotoren mit hoher Wirkungsgradklasse kommen immer häufiger Synchronmotoren zur Verbesserung der Energieeffizienz zum Einsatz. Diese Motoren gibt es in verschiedenen Varianten: als Motoren mit Feldwicklung und bürstenlosen Erregern, als Permanentmagnetmotoren oder als Synchronreluktanzmotoren, die nach dem Prinzip der magnetischen Reluktanz arbeiten (Bild 1).

Merkmale des Synchronreluktanzmotors sind eine um 20 bis 60% höhere Leistung als bei einem Asynchronmotor bei gleichem Temperaturanstieg, die Rotorkonstruktion ohne Kurzschlusskäfigläufer oder Permanentmagnete. Die Verbindung aus Synchronreluktanzmotor und Frequenzumrichter mit DTC-Regelungsverfahren (Direct Torque Control, direkte Drehmomentregelung) hat ein sehr leistungsfähiges und effizientes drehzahlvariables Antriebssystem zur Folge. Leistung und Effizienz dieses Antriebssystems sind vergleichbar mit einem Permanentmagnet-motor-Antrieb, wobei die robuste Technologie von Asynchronmotoren verwendet wird.

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Energieeffizienter Elektromotor nutzt magnetische Reluktanz

Der Rotor eines Synchronreluktanzmotors verfügt weder über einen Kurzschlusskäfigläufer wie der Asynchronmotor noch über Permanentmagnete oder eine Felderregerwicklung. Stattdessen wird das Prinzip der magnetischen Reluktanz genutzt. Magnetische Reluktanz ist das magnetische Pendant zum elektrischen Widerstand. Der Rotor besitzt in einer Richtung einen möglichst geringen magnetischen Widerstand (d) und rechtwinklig dazu (q) eine hohe magnetische Reluktanz beziehungsweise eine gute magnetische „Isolation“ (Bild 2 – siehe Bildergalerie).

Das Drehmoment entsteht dadurch, dass der Rotor versucht, die magnetisch leitfähige Richtung am Statorfeld auszurichten. Die Höhe des erzeugten Drehmoments ist direkt proportional zur Ausprägung, das heißt dem Verhältnis der Induktivitäten der beiden magnetischen Richtungen des Rotors.

Die Erfindung des Synchronreluktanzmotors geht zurück auf das Jahr 1923. In der Industrie fand er jedoch kaum Anwendung, da er bei direktem Netzanschluss nicht selbstständig anläuft. Mit modernen drehzahlgeregelten Antrieben wurde dieses Problem mittlerweile gelöst.

Hoher Wirkungsgrad sorgt für niedrigen Motorstrom

Bei den Synchronreluktanzmotoren und der Frequenzumrichtersteuerung von ABB ist der Motorstrom, der sich umgekehrt proportional zum Leistungsfaktor und Wirkungsgrad verhält, geringer als bei einer kleinen Asynchronmaschine mit gleichem Drehmoment und gleicher Drehzahl. Der Grund dafür ist vor allem der erheblich bessere Wirkungsgrad (Bild 3). Lediglich bei größeren Motoren ist der Umrichterstrom höher als bei einem Asynchronmotor mit gleichem Drehmoment.

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