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Festdrehzahlantriebe – aussterbende Gattung oder Effizienzhebel?

Bild 1. Bei Wasserversorgungs-systemen stellt eine Kaskade aus einer drehzahlgeregelten Pumpe und einem oder mehreren nachgeschalteten Festdrehzahlantrieben eine effiziente Lösung dar

Bild 2. Bei der Kaskadenschaltung befriedigt ein Frequenzumrichter den variablen Bedarf (orange); die Grundlast wird über Sanftstarter geschaltet (grün)

Festdrehzahlantriebe – also Antriebslösungen, bei denen Drehstrommotoren mit Netzspannung bei Netzfrequenz betrieben werden – werden heute häufig als potenzielle Austauschkandidaten für Energieeffizienzmaßnahmen gehandelt. Bei oberflächlicher Betrachtung sprechen auch einige Gründe dafür. Doch oftmals wird dann nur an Symptomen und nicht an der Ursache laboriert. Was letztendlich aber zählen sollte, ist die Gesamtkostensicht.

Eine weitverbreitete Argumentation lautet: Ein mit konstanter Drehzahl betriebener Lüfter, zum Beispiel geschaltet mit einem Schütz, arbeitet mit voller Leistung gegen eine Drosselklappe, die die Regelung des Teillastbedarfs übernimmt. Empfohlene Gegenmaßnahme: Beseitigung der Drosselklappe und Einsatz eines Frequenzumrichters. Dadurch werden hohe Einsparpotenziale möglich. Davon abgeleitet wird der Frequenzumrichter dann oftmals als allgemein beste Lösung zur Energieeffizienzsteigerung dargestellt.
Keine Frage – gerade bei Anwendungen mit variablen Lastanforderungen, sehr häufigem Start-Stopp-Betrieb oder gegebenenfalls Energierückspeisung hat der Frequenzumrichter mit seinen flexiblen Möglichkeiten zur Lastanpassung entscheidende Vorteile. Doch oftmals geht es auch einfacher und effizienter.

Genaue Applikationsanalyse
Zu allererst muss bei einer anstehenden Entscheidung zur Antriebssystemwahl die Applikation genau analysiert werden. Erst wer das Lastverhalten seines Prozesses genau kennt, kann die optimale Lösung finden. Vor allem ist ein Teillastbetrieb des Motors unter 40 % der Nennlast zu vermeiden. Ab einem Lastbereich von 50 % bis 60 % wird bei direktem Netzbetrieb der beste Wirkungsgrad erreicht. Besteht zum Beispiel beim Befüllen von Behältern kein besonderer Anspruch an die Hysterese, kann mit einem Zweipunkt-Regler die Aufgabe einfach, das heißt technisch anspruchslos, aber durchaus effizient mit Festdrehzahlantrieben gelöst werden.
Oder wird bei unstetiger Entnahme in einem Wasserversorgungssystem eine hoch verfügbare Lösung benötigt, ist anstelle einer großen drehzahlgeregelten Pumpe eine Kaskade mit einem Frequenzumrichter und einem oder mehreren nachgeschalteten Festdrehzahlantrieben, zum Beispiel mit Sanftstartern, zu wählen (Bild 1). Während der Frequenzumrichter den variablen, geregelten Bedarf befriedigt, erledigen die Sanftstarter den Grundlastbedarf (Bild 2). Der Regelungsteil wird dabei häufig schon durch die Intelligenz des Frequenzumrichters, wie eines Sinamics G120P von Siemens, abgedeckt.
Häufig ist zu beobachten, dass bedingt durch eine schnelle und oberflächliche Projektierung eine Verkettung von Sicherheitsaufschlägen zu deutlicher Überdimensionierung des Antriebs führt. Als Folge dessen werden nicht nur der Motor, sondern auch die Leistungsteile, Leitungen und Einspeisungen, deutlich größer ausgelegt, als tatsächlich benötigt. Diese überflüssige Leistung lässt sich zwar mit speziellen Regelalgorithmen mit einem Frequenzumrichter drosseln – besser wäre es jedoch, bereits in der Planungsphase die Leistung auf den tatsächlichen Bedarf auszulegen. Dies spart Investitionskosten und senkt den Materialverbrauch – ist also doppelt effizient.

Gute Gründe für Festdrehzahltechnik
Wieso ist es denn so von Vorteil, auf Festdrehzahltechnik zu setzen, wenn es die Applikation zulässt?
Applikationen, die prozessbedingt keine Drehzahlanpassung erfordern, können einfach und auch energetisch hocheffizient mit Motor, gegebenenfalls einem Getriebe und einem Schaltgerät aufgebaut werden. Der Betrieb mit Nenndrehzahl führt bei optimaler Auslegung zum bestmöglichen Wirkungsgrad der gesamten Applikation.
Dem gegenüber sind bei drehzahlveränderbaren Antrieben neben den Eigenverlusten des Umrichters von ca. 3 % bis 10 % auch Zusatzverluste im Motor (ca. 1 %) und den meist notwendigen Filtern (ca. 1 %) zu berücksichtigen. Bei Verwendung der Festdrehzahltechnik kommen Niederspannungsschaltgeräte zum Einsatz, die aufgrund ihrer elektromechanischen Kontakte mit geringen eigenen Energieverlusten aufwarten können (<0,2 % der Motorleistung). Selbst beim elektronischen Sanftstarter werden die Thyristoren nur in der An- und Auslaufphase aktiv geschaltet. Während des Betriebs mit Netzdrehzahl übernehmen elektromechanische Bypasskontakte die Stromführung und sorgen so wiederum für geringe Verluste.
Bedingt durch diese geringen Energieverluste der Schaltgeräte wird der Schaltschrank weniger erwärmt als mit permanent zugeschalteter Leistungselektronik der drehzahlveränderbaren Antriebstechnik. Zusätzlicher Klimatisierungsaufwand – aus energetischer Sicht bis zu doppelt so groß wie die Umrichterverluste – können reduziert werden. Oftmals wird dadurch eine lüfterlose und damit wartungsarme Entwärmung des Schaltschranks möglich.

Leichte Projektierung
Typgeprüfte Direkt- und Wendestarter, Stern-Dreieck- und Sanftstarter sind Standardschaltungen, die sich über CAE-Makros einfach einbinden lassen. Bei der Inbetriebnahme sind keine oder nur wenige Parameter zu berücksichtigen. Eine Einarbeitung in zusätzliche produktspezifische Software ist nicht nötig.
Im Bereich bis 32 A können die Schaltgerätekombinationen mit Federzugtechnik schnell werkzeuglos miteinander kombiniert werden und lassen sich mit einem Handgriff auf die Hutschiene aufschnappen. Einspeisesysteme versorgen ganze Gruppen von Abzweigen ohne den sonst üblichen Verdrahtungsaufwand. Die Verdrahtung erfolgt ungeschirmt mit Standardleitungen.
Vergleicht man den Platzbedarf pro kW, fallen Schaltgeräte durch die kompakte Bauweise auf. Damit einher geht ein vergleichbar geringes Gewicht. Die Geräte sind sowohl in Schutzart IP20 für den Einsatz im Schaltschrank als auch in IP65 für den direkten Anbau an die Maschine verfügbar.
Die Anschaffungskosten von Festdrehzahlantrieben sind nicht nur aufgrund der geringeren Funktionalität, sondern auch wegen des geringeren apparativen Aufwands gegenüber drehzahlveränderbaren Antrieben geringer.
Niederspannungsschaltgeräte sind eine weltweit bekannte und verfügbare Technik. Die Geräte verschiedener Hersteller lassen sich im Bedarfsfall in abgelegenen Gegenden meist problemlos gegeneinander austauschen oder kombinieren. Wartungstechniker sind bereits mit Elektrotechnik-Grundwissen in der Lage, aufkommende Probleme selbstständig zu beseitigen. Die hohe Zuverlässigkeit der seit Jahrzehnten bewährten Technik, zusammen mit hohen Lebensdauerkennzahlen, versprechen einen langen störungsfreien Betrieb.
Niederspannungsschaltgeräte von Siemens sind komplett recycelbar und können so nach Ende eines langjährigen Einsatzes noch einen weiteren Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten.
Zukunftssicherheit ganz groß geschrieben: Die Ökodesign-Richtlinie ErP Lot 11 schreibt ab 2015 den Einsatz von Effizienzmotoren der Klasse IE3 in Verbindung mit Schaltgeräten vor. Solche Motoren sind bereits heute verfügbar und sollten vor allem für „Dauerlauf-Anwendungen“ (mehr als 1 000 h pro Jahr) berücksichtigt werden. Im Normalfall können bestehende Projektierungslösungen und meist sogar die vorhandenen Schaltgeräte problemlos übernommen werden. Hiermit ist man sowohl bei Neuinstallationen als auch beim Austausch von Motoren auf der sicheren Seite.

Die richtige Vorgehensweise
Berücksichtigt der verantwortliche Projektierer die wesentlichen Kriterien für das optimale Antriebssystem, so kann sowohl bei der Erstellung einer Anlage als auch in deren Laufzeit viel Geld gespart werden. Damit wird neben der ökonomischen Betrachtung gleichzeitig auch ein wichtiger Beitrag in Richtung Energieeffizienz und Ökobilanz geleistet – kurz und prägnant: Manchmal ist weniger mehr.

Elf Gründe für Festdrehzahlantriebe:
• Betrieb der Applikation bei Nenndrehzahl mit optimalem Wirkungsgrad,
• Einsatz von Schaltgeräten mit vernachlässigbaren Energieverlusten,
• geringe Erwärmung des Schaltschranks,
• einfache Projektierung des Antriebsstrangs,
• geringe Installationskosten,
• geringer Platzbedarf im Schaltschrank bei gleichzeitig geringem Gewicht,
• günstiges Preis-Leistungsverhältnis der Schaltgeräte,
• wartungsfreundlich durch allgemein bekannte Technik – weltweit verfügbar,
• hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit durch langjährig bewährte Technik und einfache Wartung bzw. Reparatur,
• Niederspannungsschaltgeräte von Siemens sind leicht recyclebar sowie
• zukunftssicher: Schaltgeräte harmonieren mit Effizienzmotoren der Klasse IE3 und teilweise IE4-Motoren.

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Autuor: Andreas Thomas ist als Projektleiter Energieeffizienz für die Siemens AG in Fürth tätig.