Energieeffizienter Pumpenbetrieb garantiert

Reluktanzsynchronmotoren sind Energiesparer. Die Antriebe, die bereits in verschiedenen Pumpengrößen Feldtests in der Industrie absolvieren, weisen eine um mindestens 15 % geringere Verlustleistung auf, als sie nach der Effizienzklasse IE3 gefordert ist. Damit erreichen sie schon jetzt einen Standard, der künftig für das Effizienzniveau IE4 gelten dürfte. Der Austausch eines Asynchronmotors der Klasse IE2 gegen eine Reluktanzsynchronmaschine spart abhängig von Baugröße und Lastprofil bis zu 9 % an elektrischer Energie ein.

Die italienische KSB-Tochter Itaco/Reel s.r.l. entwickelt und baut hocheffiziente Elektromotoren für den industriellen Einsatz. Die Antriebe, die nach ihrem elektromechanischen Wirkprinzip zu den Reluktanzsynchronmotoren zählen, sind echte Energiesparer: „ Unsere Motoren weisen eine um mindestens 15 % geringere Verlustleistung auf, als sie nach der Effizienzklasse IE3 (IEC60034-30) vorgeschrieben ist. Damit erreichen sie bereits heute einen Standard, der künftig für das Effizienzniveau IE4 gelten dürfte", erläutert Dr.-Ing. Jochen Schaab, der in der Automation von KSB die Antriebsentwicklung betreut. „Gegenüber einem Asynchronmotor liegen die Einsparungen für das Gesamtsystem aus Motor und Frequenz-umrichter damit je nach Anwendung und Motorgröße bei 3 bis 7 %. Bei kleinen Baugrößen kann es im Vergleich zu einer IE2-Maschine sogar zu Einsparungen von 5 bis 9 % kommen."

Auch für die Asynchronmotoren, die heute in der Chemie- und Verfahrenstechnik fast alle Pumpen antreiben, verschärft sich die Gesetzeslage. Ab Juni 2011 ist das Effizienzniveau IE2 zu erreichen. Bei einer Nennleistung zwischen 7,5 und 375 kW müssen sie ab Januar 2015 das Effizienzniveau IE3 erfüllen oder IE2 in Kombination mit einer Drehzahlregelung. Ab Januar 2017 gilt die Vorgabe IE3 für alle. Wie und zu welchen Kosten Asynchronmotoren das geplante Effizienzniveau IE4 erreichen könnten, ist im Moment noch unklar. Mit den Reluktanzsynchronmotoren gibt es bereits heute eine umfassend einsetzbare Alternative.

Das technische Prinzip

Der Pumpenantrieb der KSB-Tochter weist auch eine vom Asynchronmotor bekannte Statorwicklung auf. Außerdem ist er mit einem vierpoligen Rotor ausgerüstet, der lediglich aus einem Blechpaket besteht und ohne Käfig auskommt. Zur Führung der Feldlinien sind die Rotorbleche in einer besonderen Form gestaltet. Diese leiten das magnetische Feld im Rotor in die gewünschte Vorzugsrichtung, um so die notwendige Ausrichtung zu erzielen. Wenn das Feld im Stator mit einer bestimmten Drehzahl umläuft, folgt der Rotor aufgrund des Reluktanzprinzips synchron und ohne Schlupf dem Drehfeld. Während beim Asynchronmotor das Drehmoment über die Lorentzkraft erzeugt wird, die auf den stromdurchflossenen Käfig im Rotor wirkt, gibt es beim Reluktanzmotor keinen solchen Käfig. Daher gibt es auch keine elektrischen Ströme im Rotor. So entfallen die dem Asynchronmotor zwangsläufig anhaftenden Verluste.

Die genannten Einsparungen beziehen sich auf den Nennpunkt, denn bei ihm schreibt die Norm die Messung der Wirkungsgrade vor. In der industriellen Realität laufen aber viele Motoren nicht im Nennpunkt, sondern arbeiten im Teillastbereich. Der Effizienzvorteil der Reluktanzsynchronmotoren wird dabei sogar noch größer. Wie das Diagramm verdeutlicht, bricht gerade im Teillastbereich der Wirkungsgrad von Asynchronmotoren (ASM) deutlich ein und sinkt typischerweise um etwa 10 % ab. Der Reluktanzsynchronmotor (RSM) weist dagegen über einen Last- und Drehzahlbereich von 25 bis 100 % einen weitgehend konstant hohen Wirkungsgrad auf. Unter Praxisbedingungen ist der Effizienzvorteil gegenüber Asynchronmotoren also größer, als die bloße Betrachtung der Nennpunkte nahelegt.

Günstigere Gesamtkosten

Ein Reluktanzsynchronmotor benötigt einen Frequenzumrichter, der sowohl den Start des Motors ermöglicht als auch seinen Blindstrombedarf kompensiert. Trotzdem liegen die Gesamtkosten über die Lebensdauer betrachtet, deutlich unter denen eines Asynchronmotors. Mehr als 90 % der von einem Elektromotor verursachten Kosten werden laut ZVEI durch den Energieverbrauch verursacht. Deshalb treten die anfänglichen Investitionskosten gegenüber den gesamten Betriebskosten in den Hintergrund. Bei einem drehzahlvariablen Betrieb einer Kreiselpumpe lassen sich je nach Lastprofil bis zu 60 % Energie einsparen. Der Austausch eines Asynchronmotors der Klasse IE2 gegen eine Reluktanzsynchronmaschine spart abhängig von Baugröße und Lastprofil bis zu 9 % an elektrischer Energie ein.

Dank der niedrigeren Energieverluste der KSB-Motoren entsteht weniger Abwärme. Das bedeutet, dass die Entwickler die Lüfter kleiner dimensionieren können. Das kommt wieder dem Wirkungsgrad zugute. In einem Pilotprojekt hat man bei einigen Anwendungen und Motorengrößen sogar ganz auf einen Lüfter verzichtet und so weitere Energieeinsparungen erzielt.

Um einen Reluktanzsynchronmotor zu betreiben ist es notwendig, die exakte Lage des Rotors zu kennen, weil man das Magnetfeld kontinuierlich an seine aktuelle Position anpassen muss. Bisher setzten die Motorenbauer dafür einen sogenannten Rotorlagegeber ein. Solche Sensoren sind nicht nur teuer, sondern erhöhen auch das Ausfallrisiko. Den Ingenieuren von Reel ist es nun gelungen, die Rotorlage ohne Sensoren zu bestimmen und damit einen der Nachteile herkömmlicher Reluktanzsynchronmotoren zu eliminieren.

Dass die Motoren aufgrund ihres Wirkprinzips keinen Käfig im Rotor benötigen, wirkt sich auch positiv auf die Herstellungskosten aus. Dieser Vorteil wird noch deutlicher, wenn Asynchronmotoren künftig das Effizienzniveau IE3 erreichen sollen. Denn dazu statten die Motorenbauer häufig die Rotoren mit Käfigen aus Kupfer aus. Diese verursachen aber deutlich höhere Material- und Herstellungskosten als die heute noch gängigen, verlustträchtigen Aluminiumkäfige. Parallel dazu benötigen effizientere Asynchronmotoren auch größere Wicklungspakete, sodass man auch hier mit einem weiter erhöhten Kupfereinsatz und entsprechenden Kosten rechnen muss. Im Gegensatz dazu sind die Rohstoffkosten beim Reluktanzsynchronmotor deutlich niedriger. Zu seiner Herstellung benötigt man vor allem keine kritischen Rohstoffe wie etwa Seltene Erden, die z. B. in Permanentmagnet-Synchronmotoren verbaut werden.

Für nahezu jeden industriellen Einsatz

Die Reluktanzsynchronmotoren absolvieren bereits in verschiedenen Pumpengrößen Feldtests in der deutschen Industrie. Die KSB-Tochter kann sie heute bis zu einer Baugröße von 110 kW fertigen. Aufgrund ihres Wirkprinzips halten sie ihre synchrone Drehzahl mit einer Abweichung von weniger als 0,01 % sehr genau ein. Anders als Reluktanzschrittmotoren bieten sie gleichzeitig eine Drehmomentwelligkeit von 1 bis 2 % und arbeiten daher ausgesprochen leise. „Aufgrund ihres hohen Energiesparpotenzials und ihrer hervorragenden elektromechanischen Eigenschaften eignen sich die Motoren für nahezu jeden industriellen Einsatz – beispielsweise in der Förder- und Automatisierungstechnik oder für Industriemaschinen und ganz generell dort, wo drehzahlvariable Antriebe gefragt sind", so Schaab. „In Anwendungen, in denen bereits ein Pumpdrive von KSB montiert ist, können sie nach einer Aktualisierung der Frequenzumrichtersoftware jederzeit gegen die vorhandenen Asynchronmotoren ausgetauscht werden."

Online-Info: www.cav.de/0611431

Der Autor: Horst Stegmüller freier Journalist