Antriebstechnik Wirkungsgrad ist entscheidend

Einfluss von Frequenzumrichtern mit schlankem Zwischenkreis auf den Systemwirkungsgrad. Die Diskussion über die Erhöhung des Wirkungsgrades von Elektromotoren wird in jüngster Zeit insbesondere...

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Die Diskussion über die Erhöhung des Wirkungsgrades von Elektromotoren wird in jüngster Zeit insbesondere durch das CEMEP-Agreement verschärft. CEMEP (European Commission of Electric Machinery and Power Electrics Manufacturers) hat eine freiwillige Selbstverpflichtung der Motorenhersteller erwirkt, um den Wirkungsgrad der neu verkauften Elektromotoren von 1 bis 100 kW zu erhöhen. Dabei wird häufig übersehen, dass beim Betrieb mit einem Frequenzumrichter die Ausführung des Zwischenkreises den Gesamt-Wirkungsgrad und die Netzrückwirkungen erheblich beeinflusst.In den vorangegangenen Jahren verfolgte man das Ziel, insbesondere Motoren der Wirkungsgradklasse EFF 3 vom Markt zu nehmen und durch solche der Klasse EFF 2 zu ersetzen. Dies ist erfolgreich gelungen. Teilweise werden auch schon EFF-1-Motoren eingesetzt. Es gibt jedoch wirtschaftliche Grenzen, weil die Wirkungsgradklasse EEF 1 nur eingehalten werden kann, wenn die Drehstrom-Asynchronmotoren entsprechend überdimensioniert werden. Dies bedeutet jedoch vor allem mehr Kupfer und somit höhere Kosten.Der Wirkungsgrad lässt sich nur durch eine weitere Senkung der Stromwärmeverluste in der Statorwicklung weiter verbessern. Soll der Wirkungsgrad weiter wirtschaftlich erhöht werden, sollte der gesamte Antriebsstrang genauer betrachtet werden und zum Beispiel statt eines Schneckengetriebes mit schlechtem Wirkungsgrad sollte ein Kegelradgetriebe eingesetzt werden. Auch die Tatsache, dass Drehstrommotoren immer häufiger mit einem Frequenzumrichter betrieben werden, trägt insbesondere bei Lüfter- und Pumpenanwendungen zu erheblichen Energieeinsparungen bei. Heute werden etwa 15% aller neu verkauften Drehstrom-Asynchronmotoren mit einem Umrichter betrieben. So schätzt das Fraunhofer- Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung den Energieverbrauch für Ventilatoren auf weit über 200 Mrd. kWh für Europa. Das Institut analysierte den europäischen Markt für Ventilatoren im Leistungsbereich von 750 W bis 750 kW. In den Berechnungen geht das Institut davon aus, dass Energieeinsparungen zwischen 10 und 20% erreichbar sind, was die Energiekosten jährlich um 2,6 Mrd. Euro reduzieren würde. Zugleich würde die jährliche industrielle CO2-Emission um 19 Mio. Tonnen gesenkt. Durch den Einsatz von Frequenzumrichtern wird dies möglich.Zwischenkreis beeinflusst NetzrückwirkungenEs ist allgemein bekannt, dass wegen des wachsenden Einsatzes von Frequenzumrichtern auch die Netzrückwirkungen zunehmen. Deshalb ist es heute üblich, die 5. Harmonische des Stroms auf einen Wert von etwa 40% zu begrenzen. Bei Frequenzumrichtern entstehen Netzrückwirkungen vorwiegend am Zwischenkreiskondensator, hervorgerufen durch die Strom-Nachladung in der Spannungsspitze einer Halbwelle. Das übliche Verfahren, um diese Netzrückwirkungen zu reduzieren, ist der zusätzliche Einbau von Drosseln, entweder im Zwischenkreis oder am Eingang des Frequenzumrichters.Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass man eine sehr hohe Zwischenkreis-Gleichspannung mit einer sehr geringen Spannungswelligkeit erreicht. Durch die dämpfende Wirkung der Drosseln werden die Netzrückwirkungen reduziert und die Lebensdauer des Kondensators erhöht, aber auch die Spannungsfestigkeit des Frequenzumrichters bei Netztransienten wird verbessert. Nachteil dieses Verfahrens ist natürlich, dass die Drossel zusätzlich Geld kostet und auch Platz beansprucht.Kondensatorkapazität wird im Zwischenkreis herabgesetztUm diesen Nachteil zu kompensieren, wurden in den letzten Jahren vermehrt Frequenzumrichter mit einem so genannten schlanken Zwi-schenkreis eingeführt. Bei diesem Verfahren wird die Kapazität des Kondensators im Zwischenkreis herabgesetzt, was dazu führt, dass die Zwischenkreisspannung eine hohe Welligkeit aufweist (300 Hz) und der Mittelwert der Zwischenkreisspannung sinkt.Damit sich die Welligkeit der Zwischenkreisspannung nicht auf die Qualität der Drehzahlregelung des Motors auswirkt, wird diese durch ein spezielles Verfahren mit der Pulsweitenmodulation kompensiert. Weil jedoch die Zwischenkreisspannung im Vergleich zu dem bisher angewendeten Verfahren pulsiert, bedeutet dies, dass auch die Ausgangsspannung für den Motor den Netzspannungsnennwert nicht erreicht. Dies hat zur Folge, dass der Drehstrom-Asynchronmotor im Nennbetrieb einen bis zu 10% höheren Strom als Motornennstrom aufnimmt und sich die Motortemperatur erhöht. Damit wird mit diesem Verfahren nicht nur der Gesamt-Wirkungsgrad reduziert, sondern es muss auch in Abhängigkeit der Anwendung eine entsprechende Überdimensionierung des Motors vorgenommen werden. Eine zu niedrige Motorspannung wirkt sich ebenfalls nachteilig im Feldschwächbereich aus, was dazu führt, dass das Drehmoment quadratisch zu der fehlenden Spannung zurückgeht und die Drehzahl belastungsabhängig stärker absinkt. Ist der Anwender auf eine konstante Drehzahl angewiesen, so muss er in diesem Fall eine zusätzliche Drehzahlrückführung vorsehen. Ein weiterer Drehmomentverlust durch die zu niedrige Spannung entsteht auch beim Start des Frequenzumrichters. Als Startmoment wird teilweise nur das Nennmoment erzielt und nicht wie bisher üblich, 150 bis 160%.Netzrückwirkungs-Reduktion mit Drosseln bleibtWegen der gravierenden Nachteile des Verfahrens mit schlankem Zwischenkreis hat Danfoss beschlossen, für alle Umrichterreihen - ob zentral oder dezentral - auch zukünftig das Verfahren der Netzrückwirkungs-Reduktion mit Drosseln beizubehalten. In der Zwischenzeit setzen jedoch immer mehr Hersteller von Frequenzumrichtern das Verfahren mit dem schlanken Zwischenkreis ein. Es wurde anfangs vorwiegend für die dezentrale Antriebstechnik bei Getriebemotoren eingesetzt. Jetzt gibt es auch zentrale Umrichter, die speziell für Pumpen- und Lüfteranwendungen mit diesem Verfahren entwickelt wurden. Dies führt zur Verschlechterung des System-Wirkungsgrades. Wenn Anwender durch die Aktivität der CEMEP zunehmend High-Efficiency-Motoren mindestens nach EFF 2 einsetzen, sollte man erwarten, dass Frequenzumrichter ebenfalls wirkungsgradoptimiert gebaut werden. Danfoss verfolgt den Weg, dass der Nennwert der Frequenzumrichter-Ausgangsspannung vergleichbar sein muss mit Netzbetrieb. Damit können die Antriebe ohne Überdimensionierung projektiert werden, was zu niedrigeren Motor- und Schaltgerätekosten und Installationskosten führt und gleichzeitig einen sehr hohen System-Wirkungsgrad gewährleistet. Andernfalls läuft der Endkunde Gefahr, dass er güns-tigere Gerätepreise mit höheren laufenden Betriebskosten langfristig teurer bezahlen muss. Ausführliche Unterlagen und interessante Anwendungshinweise für Getriebemotoren Bauer 2000, Umrichter-Getriebemotoren Etasolution und die Frequenzumrichter FCD 300 können kostenlos beim Hersteller angefordert werden.