Antriebselektronik Verbesserter Motorcontroller mit automatischer Lasterkennung optimiert Drehstrom-Asynchronmotor-Antrieb

Eine integrierte Sanftstart-Funktion vermeidet Momentenstoß und Anlaufstromspitzen, während die adaptive Regelung den Wirkungsgrad bei Teillast und im Leerlauf verbessert.

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Der Austausch installierter Motoren gegen neue Hocheffizienzmotoren erfolgt in der Regle nur im Rahmen nicht vermeidbarer Ersatzinvestitionen. Der heute am häufigsten beschrittene Weg einer Antriebsoptimierung ist die Ausrüstung installierter und neuer Motoren mit Sanftstartern oder Frequenzumrichtern.

Sanftstarter optimieren das Anlaufverhalten von Motoren und reduzieren dadurch mechanischen und elektrischen Verschleiß beim Motorstart. Frequenzumrichter verbessern darüber hinaus die Energie-Effizienz im laufenden Betrieb, indem sie die Motordrehzahl auf das für die Anwendung optimale Minimum reduzieren.

Ein neuer Reglertyp, den die MK-Regler GmbH in Berlin zusammen mit Prof. Dr.-Ing. Norbert Klaes von der Berliner Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) entwickelt hat, ermöglicht in der aktueller Weiterentwicklung die Optimierung der Energie-Effizienz ohne dabei die Motordrehzahl zu verändern.

Gefährliche Belastungen beim Motoranlauf

Bei direktem Anlauf wird die Last in Sekundenbruchteilen auf die Nenndrehzahl beschleunigt. Der damit verbundene Momentenstoß erreicht 150 bis 200% des Nenndrehmoments. Die mechanischen Belastungen und der mit ihnen verbundene Verschleiß am Motor und den mit ihm verbundenen mechanischen Komponenten sind erheblich. Gleichzeitig treten Stromspitzen bis zum achtfachen Wert des Nennstroms auf. Hier entstehen nicht nur Belastungen im Motor, es kann auch zu Einbrüchen in der Spannungsversorgung kommen.

Durch Reduzierung dieser Belastungen können der Verschleiß und damit Wartungs- und Instandhaltungskosten reduziert werden. Die Ausfallzeiten sinken und die Betriebszuverlässigkeit steigt. Darüber hinaus bestimmen die Stromspitzen beim Anlauf den Lastbereitstellungspreis, der monatlich an den Energieversorger für die Bereitstellung der maximal benötigten Last zu zahlen ist. Durch Reduzierung dieser Spitzen können direkt die Energiekosten gesenkt werden.

Optimierungspotenzial im laufenden Betrieb

Immer dann, wenn der Motor zeitweise oder permanent mit Teillast oder im Leerlauf dreht, bietet sich ein interessantes Optimierungspotenzial. Dieses ist im oberen Lastbereich und bei Volllast nur gering, weil die Motoren ihren bestmöglichen Wirkungsgrad erreichen.

Verbesserungen sind dadurch gegeben, dass mit sinkender Last auch der Wirkungsgrad des Motors sinkt. Bei normalem Netzbetrieb ist die Motorspannung konstant, wodurch mit sinkender Last auch der Wirkleistungsanteil am Magnetisierungsstrom abnimmt während der Blindstromanteil steigt. Zwar reduziert sich mit der Last auch die Leistungsaufnahme insgesamt, jedoch ist sie aufgrund des sinkenden Wirkungsgrads zunehmend größer als für die mechanische Last erforderlich.

Die nicht mechanisch genutzte elektrische Energie verursacht unnötige Energiekosten. Zudem wird sie in Wärme und Vibrationen umgewandelt, wodurch vermeidbarer mechanischer Verschleiß entsteht.

Verbesserung des Motoranlaufs

Sanftstarter werden vielfach eingesetzt, um die Probleme beim Anlauf hinsichtlich Momentenstoß und Stromspitze zu vermeiden. Dazu begrenzen sie den Einschaltstrom, indem sie die Spannung graduell über eine einzustellende Zeitachse erhöhen bis der Motor seine Nenndrehzahl erreicht.

Der Motor läuft sanfter an und die elektrischen und mechanischen Belastungen des Anlaufs werden reduziert. Allerdings beschränken sich die positiven Effekte auf den Anlauf, da Sanftstarter gebrückt werden sobald der Motor seine Nenndrehzahl erreicht hat. Sie können nicht eingesetzt werden, um Energieaufnahme und Verschleiß des Motors im laufenden Betrieb zu reduzieren.

Optimierung durch Drehzahlreduzierung

Zur Optimierung der Energie-Effizienz im laufenden Betrieb werden, soweit möglich, Frequenzumrichter genutzt. Als Instrumente der Prozesssteuerung ermöglichen sie es, die Motordrehzahl an den tatsächlichen Bedarf der anzutreibenden Anwendung anzupassen. Dazu variieren sie Motorfrequenz und Motorspannung. Durch Absenkung der Frequenz sinkt die Motordrehzahl und durch die Reduzierung der Spannung wird die zuvor beschriebene Problematik des zunehmenden Blindstromanteils vermieden. Mit sinkender Motordrehzahl sinkt also auch die Energieaufnahme.

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