Es gibt vor allem zwei effektive Methoden, um das Energieeinsparpotenzial in der elektrischen Antriebstechnik optimal auszunutzen: Entweder durch Motorstarter, mit denen die Motoren nach dem Start mit fester Drehzahl betrieben werden oder durch Drehzahlstarter und Frequenzumrichter, die eine variable Drehzahl ermöglichen. Wichtig ist die Wahl von Komponenten, die den Anforderungen der hocheffizienten IE3- und IE4-Motorengeneration entsprechen. Denn zum Beispiel garantieren nur speziell auf die jeweilige Motortechnologie angepasste Regelalgorithmen die Effizienzvorteile der einzelnen Technologien. Erst mit diesen Algorithmen lässt sich in jedem Betriebspunkt der Betrieb auch bei wechselnden Lasten optimieren.
Motorstarter
Bei der überwiegenden Zahl der Anwendungen arbeiten Elektromotoren mit einer festen Drehzahl. Dabei regelt der Motor selbsttätig die Leistungsaufnahme – der Motor arbeitet so über einen sehr großen Lastbereich mit maximaler Effizienz. Zur Ansteuerung von Motoren in Anwendungen, bei der die Drehzahl fest und die Lasten variabel sind, sind Motorstarter die effizienteste Lösung. Dabei zählen auch Schütze, Softstarter und Leistungsschalter zu den Motorstartern. Oberhalb eines Lastniveaus von rund 60% wird durch den Einsatz eines Motorstarters von dem Antriebssystem deutlich weniger Energie verbraucht, als wenn der Motor durch einen Frequenzumrichter geschaltet bzw. gesteuert wird.
Allerdings sollte beim Einsatz von Motorstartern berücksichtigt werden, dass für den Drehstrommotor beim direkten Einschalten eine hohe Strombelastung im speisenden Netz charakteristisch ist. Durch das Anlegen der vollen Spannung entstehen hohe Anlauf und Stoßströme mit störenden Spannungseinbrüchen im Netz und starken Stoßmomenten in der Mechanik. Dies gilt insbesondere bei dem Einsatz von Elektromotoren der Effizienzklasse IE3 und IE4, die sich unter anderem durch höhere Anlaufströme charakterisieren. Daher ist der Einsatz von hochwertigen Schaltund Schutzkomponenten mit angepasstem Auslöseverhalten und auf den IE3 Motor abgestimmter Schaltleistung besonders wichtig. Ergänzend kommen häufig Automatisierungslösungen zur Eliminierung dieser unangenehmen Nebenerscheinungen und zur Senkung des Energieverbrauchs zum Einsatz.
Motorstarter bieten insgesamt fünf wesentliche Vorteile:
Drehzahlstarter und Frequenzumrichter
Die Effizienzsteigerung einer Anlage stellt sich immer als eine Kombination aus der Verbesserung der Energieeffizienz der einzelnen Komponenten und einer produktübergreifenden Betrachtung des Gesamtsystems dar. Drehzahlstarter sind eine neue Kategorie von Geräten zur Steuerung von Asynchronmotoren, die funktional zwischen den Motorstartern und den heute üblichen Frequenzumrichtern anzusiedeln sind und die die Vorteile der beiden bestehenden Kategorien (einfache Handhabung wie ein Motorstarter, variable Drehzahl wie beim Frequenzumrichter) miteinander verbinden. Sie werden für einfache Anwendungen benutzt, in denen eine variable Drehzahl gefordert, der Funktionsumfang üblicher Frequenzumrichter nicht erforderlich oder sogar zu komplex ist.
Über viele Jahrzehnte bildeten mechanische Verfahren für die Regelung des Durchflusses von Flüssigkeiten und Gasen die einzige Möglichkeit, um die Fördermenge an den Bedarf des jeweiligen Prozesses anzupassen. Dabei läuft der Motor praktisch durchgehend mit der Bemessungsdrehzahl („Nenndrehzahl“), die für die maximale Fördermenge benötigt wird. Die zur mechanischen Regelung eingesetzten Ventile und Drosseln bilden dabei Quellen von Umwandlungsverlusten, meist in Form von Wärme. Heute kann die Drehzahl des Antriebs direkt geregelt werden, sodass sich die Durchflussmenge einer Flüssigkeit oder eines Gases an den aktuellen Bedarf anpassen lässt. Trotz ihres eigenen Wärmeverlustes verbessern Drehzahlstarter und Frequenzumrichter so meist den durchschnittlichen Wirkungsgrad von Antriebssystemen über den ganzen Betriebsbereich.
Bei Start des Antriebs werden hohe Stromspitzen im elektrischen Netz und stoßartige Belastungen in den mechanischen Teilen von Maschine und Anlage verhindert. Neben dem kontinuierlichen Anlauf ermöglichen Drehzahlstarter und der Frequenzumrichter auch eine stufenlose Drehzahl- (Frequenz-) Steuerung des Drehstrom-Asynchronmotors. Während beim direkt am Versorgungsnetz angeschlossenen Motor die idealen Betriebsverhältnisse nur im stationären Arbeitspunkt (= Leistungsschildangaben) bestehen, können sie frequenzgeregelt im gesamten Stellbereich genutzt werden.
Das konstante Verhältnis von Spannung zu Frequenz (U/f) gewährleistet dabei unabhängige Arbeitspunkte mit Nennmoment (MN). Durch die Anpassung von Drehzahl bzw. Geschwindigkeit an den Produktionsprozess und die Kompensation äußerer Störgrößen gewährleistet die frequenzgeregelte Antriebseinheit eine höhere Lebensdauer und Funktionssicherheit. Das Energieeinsparpotenzial hängt von folgenden Faktoren ab: Art der anzutreibenden Last, Grad der Optimierung des Wirkungsgrades der Arbeitsmaschine durch Drehzahlstarter und Frequenzumrichter sowie Zeit, in der das Gesamtsystem im Teillastbetrieb arbeitet. Besonders effektiv sind sie bei Anwendungen mit wechselnder Last bzw. variabler Drehzahl.
Grundsätzlich werden die Kennlinien für Motor und Arbeitsmaschine (z. B. Pumpe) als Zusammenspiel aus Drehzahl oder Drehmoment und Leistung angegeben. Für die Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern sind besonders jene Maschinen und Anlagen interessant, bei denen der Zusammenhang zwischen Drehzahl (n) und Drehmoment (M) quadratisch ist und damit die Leistung P in deutlich mehr als linearem Zusammenhang steht. Dazu zählen unter anderem Anwendungen wie Kreiselpumpen und Ventilatoren. In der Antriebstechnik bezeichnet man diese als Strömungsmaschinen. Der entscheidende Faktor für die Energieeinsparung ist hier der kubische Zusammenhang zwischen Drehzahl und Leistung (P proportional n), der dazu führt, dass beispielsweise eine Pumpe, die mit 50 % der maximalen Drehzahl läuft, nur 1/8 der bei voller Drehzahl benötigten Leistung erfordert. Das bedeutet: Bereits eine kleine Verringerung der Drehzahl führt zu großen Einsparungen. So ergibt eine Drehzahlverringerung um 20 % bereits eine Ersparnis von 50 %, da die Leistungsaufnahme des Motors genau an den tatsächlichen Bedarf des Prozesses angepasst wird.
Um eine größtmögliche Energieeffizienz zu erzielen, ist beim Einsatz eines drehzahlgeregelten Antriebs eine Betrachtung des gesamten Antriebssystems erforderlich. Nur durch die Abstimmung der Komponenten Motor und Frequenzumrichter kann das volle Optimierungspotenzial für das gesamte Antriebssystem erreicht werden. Dabei reicht es nicht, einfach die IE-Klasse des Motors und die IE-Klasse des Frequenzumrichters zu kombinieren, um die entsprechende IES-Klasse zu erhalten, sondern die Verluste eines Antriebssystems werden mithilfe der EN 50598-2 berechnet und darauf basierend die Effizienzklasse bestimmt.
Um die höchste Energieeinsparung in einer Anwendung zu erreichen, sollten neben dem Antriebssystem auf jeden Fall auch die mechanischen Teile des Systems betrachtet werden. Denn laut ZVEI lässt sich im Antriebssystem ungefähr 10 % des erreichbaren Einsparpotenzials durch die Verwendung effizienter Motoren erzielen. Der drehzahlgeregelte Betrieb ergibt ein Einsparpotenzial von rund 30 %. Das größte Potenzial von circa 60 % liegt aber in der Optimierung des gesamten Systems. Dazu gehören zum Beispiel optimierte Rohrleitungsführung bei Umbauarbeiten oder auch die Nutzung von Softwarefunktionen in modernen Frequenzumrichtern.
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