Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Produktionsprozesse mit Frequenzumrichtern
Ein ressourcenschonender Umgang mit Energie steht überall auf der Agenda. Die elektrische Antriebstechnik spielt dabei eine wesentliche Rolle. Wird der Antrieb optimal ausgelegt und ausgewählt, können die Lebenszykluskosten drastisch sinken.
Wie für jeden wirtschaftlichen Prozess gilt auch für den Einsatz frequenzgeregelter Antriebe: Er muss betriebswirtschaftlich sinnvoll sein. Dabei muss der Anwender für eine realistische Einschätzung der Wirtschaftlichkeit aber nicht nur die reinen Anschaffungskosten in Betracht ziehen. Nach Untersuchungen machen diese bei den Lebens- zykluskosten einer Maschine nur etwa 10 % aus. Viel mehr schlagen die Betriebskosten zu Buche, beispielsweise Aufwendungen für Energie, Wartung und Service. Und gerade bei Antrieben mit großer Leistung oder einer großen Zahl von Antrieben in einem zentralen Schaltraum sind die Anschaffungskosten für Klimatisierung, Netzdrosseln und -filter nicht unerheblich. Dazu kommen die Energiekosten für ausreichende Klimatisierung dieser Räume.
Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt sollte für den Betreiber auch das speisende Netz sein. Hier ist wichtig, ob das Netz bereits durch den Einsatz weiterer Frequenzumrichter vorbelastet ist oder aktuelle Berechnungsdaten oder Messergebnisse zu einer Netzvorbelastung vorliegen. Diese Punkte sind Gegenstand einer eigenen Betrachtung bzw. erfordern entsprechende Maßnahmen.
Von der Maschine zum Netz
Eine optimale Auslegung erfolgt grundsätzlich von der Maschine zum Netz hin. Dabei ist eine genaue Kenntnis der Prozesse und der betrieblich notwendigen Reserven sowie eine realistische Abschätzung der Unwägbarkeiten wichtig. Nur so kann der Anwender eine teils deutliche Überdimensionierung des gesamten Antriebs aufgrund sich addierender großzügig bemessener Reserven in den verschiedenen Auslegungsstufen vermeiden. Denn jede unnötige Überdimensionierung schlägt sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit nieder. In der Praxis passiert dies vor allem dann, wenn elektrischer und mechanischer Part bei der Auslegung nicht ausreichend kommunizieren. In vielen Fällen entstehen höhere Kosten durch die Auswahl eines zu großen Motors, vor allem aber resultiert dies in dauerhaft größeren Energiekosten als optimal. An dieser Stelle ist deswegen eine enge Zusammenarbeit von Betreiber und Anlagenbauer gefordert: Nur der Betreiber kennt den tatsächlichen Bedarf seiner Anwendung.
Zu den verfahrenstechnischen Unwägbarkeiten, die berücksichtigt werden müssen, gehören beispielsweise auch die Kennlinienstreuungen von Arbeitsmaschine und Motor. Im extremen Fall, also oberes Kennlinienband bei der Maschine und das untere beim Motor bzw. umgekehrt, können ein unzureichender Drehmomentverlauf oder im anderen Extrem eine Überlastung die Folge sein.
Auswahl des Motors bei Frequenzumrichterbetrieb
Für die richtige Auswahl des Motors ist das von der Arbeitsmaschine benötigte Drehmoment entscheidend. Dafür rechnet man auf die prozessbedingt geforderte Leistung alle Zuschläge wie beispielsweise Lagerreibung, Kupplungsverluste oder externe Lüfter auf und erhält über die Betriebsdrehzahl das erforderliche Motormoment. Wichtig auch: Je nach Anwendung und Maschine muss der Anwender das Spitzen- oder Losbrechmoment beachten und auf dieses auslegen. Mit Hilfe der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie unter Ausnutzung der Motorkennlinie und der Stromreserven des Frequenzumrichters, was gleichbedeutend mit der Überlastfähigkeit ist, lässt sich dann der genaue Bedarf ermitteln und mit einem Sicherheitszuschlag belegen.
Netzbetrieb und Betrieb am Frequenzumrichter unterscheiden sich voneinander. Dabei sind die Einflüsse des Frequenzumrichterbetriebs abhängig vom gewünschten Drehzahlbereich, dem Einsatz von Fremdlüftern und der Art der Belastung. Beispielsweise erhöht Frequenzumrichterbetrieb die Temperaturen in den Motorwicklungen, bedingt durch nicht sinusförmige Speisung sowie die Taktfrequenz und daraus resultierende zusätzliche Ummagnetisierungsverluste. In manchen Fällen bewährt sich der Einsatz eines kostengünstigen Fremdlüfters, um die Auswahl der nächst größeren Motorstufe zu vermeiden. Auf jeden Fall erfolgt die Auslegung des Motors immer nach dem benötigten Drehmoment.
Kabel- und Leitungsquerschnitte
Der Querschnitt der Motorkabel richtet sich in erster Linie nach dem erforderlichen Motorstrom. Allerdings spielen auch weitere wichtige Faktoren mit hinein. So beeinflusst die Art und die Umgebung der Verlegung ebenfalls den Querschnitt, um negative Effekte durch erhöhte Umgebungstemperaturen und verminderte Wärmeabgabe auszugleichen. Ebenso wirkt sich auch die Leitungslänge auf den Querschnitt aus. Zur Berücksichtigung dieser Einflüsse können die einschlägigen Reduktionsfaktoren herangezogen werden. In der Praxis haben sich als Faustregel Gesamtreduktionsfaktoren zwischen 0,7 und 0,64 ergeben. Die Auslegung von Kabeln erfolgt in aller Regel auf Strom und Spannung als Sinusgrößen. Bei Betrieb am Frequenzumrichter kommen jedoch höherfrequente Anteile zur Grundschwingung hinzu. Die Kabel erwärmen sich stärker.
Die Grenzwerte der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) schließlich bestimmen den Einsatz von geschirmten oder ungeschirmten Kabeln. Bei großen Querschnitten und/oder langen Leitungswegen sind die Betreiber natürlich bestrebt, möglichst ungeschirmte Kabel zu verwenden. Daher haben sich in der Praxis Sinusfilter bewährt. Durch Filterung der Taktfrequenz und Bereitstellung sinusförmiger Spannung zwischen den Phasen haben sie einen positiven Einfluss auf erforderliche Kabelquerschnitte. Bei Retrofitprojekten kann deren Verwendung den Verbleib bereits vorhandener Kabel und Motoren erlauben.