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Reluktanzmotor – Ein neuartiges Antriebssystem von Siemens auf Basis eines Reluktanzmotors kombiniert die Leistung und Energieeffizienz von permanenterregten Synchronmotoren mit den Kostenvorteilen von Drehstrom-Asynchronmotoren.

14. April 2015

Eine der wichtigsten Entscheidungen bei der Konstruktion oder Erneuerung einer Maschine oder Anlage ist die Wahl der am besten geeigneten elektrischen Antriebstechnik, wobei unter anderem der Preis, die Dynamik und der Engineering-Aufwand gegeneinander abgewogen werden müssen. Eine sehr wichtige Rolle spielt zudem die Energieeffizienz, schließlich entfallen etwa zwei Drittel des industriellen Stromverbrauchs auf Maschinen, die von Elektromotoren angetrieben werden. Laut einer Fallstudie des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) aus dem Jahr 2011 liegen die weltweiten Produktionszahlen für Elektromotoren in der Größenordnung von 330 Millionen Stück pro Jahr. Etwa zehn Prozent davon arbeiten im mittleren Leistungsbereich von 0,75 bis 375 Kilowatt und verbrauchen damit 68 Prozent des gesamten Strombedarfs von Elektromotoren. In Summe, so die Schlussfolgerung der ISI-Wissenschaftler, sind Elektromotoren damit verantwortlich für circa 40 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs. Gleichzeitig verursachen die Energiekosten circa 97 Prozent der Lebenszykluskosten eines Elektromotors.

Effizienz bei Energie und Kosten

Ein Bewusstsein für den Energieverbrauch betrifft deshalb nicht nur wichtige ökologische Aspekte, sondern besitzt auch aus ökonomischer Sicht klare Vorteile. »Entscheidend ist dabei jedoch, dass die eingesetzte Technik nicht nur als energieeffiziente Alternative angesehen wird, sondern aus dem Betrachtungswinkel jeder einzelnen Applikation individuell die höchsten Ansprüche erfüllt«, sagt dazu Jürgen Fuchsloch, Produktmanager im Bereich Process Industries and Drives bei dem Elektrokonzern Siemens, und ergänzt: »Als Motorenhersteller mit fast 150-jähriger Erfahrung in der Antriebstechnik hat Siemens weltweit das breiteste Portfolio an Motoren zu bieten, das allein im Niederspannungsbereich Leistungen bis zu 3.500 Kilowatt abdeckt.«

Entsprechend den jeweiligen Applikationsanforderungen reicht die Auswahl von Niederspannungsmotoren für den Netz- oder Umrichterbetrieb über Motion-Control-Motoren für hochpräzise Achsregelungen bis zu speziellen Gleichstrommotoren oder gar zu Hochspannungsmotoren.

Vereinte Vorteile

Meist stehen Konstrukteure dabei zunächst vor der Frage, ob sich die jeweilige Aufgabe sinnvoller mit permanenterregten Synchron- oder besser mit Asynchronmotoren lösen lässt. Diese Entscheidung erleichtert Siemens jetzt durch ein innovatives Antriebssystem auf der Grundlage eines sogenannten Reluktanzmotors. Dieser Motor auf Basis der Energiesparmotorenplattform Simotics 1LE1 mit Nenndrehzahl 1.500min1 entspricht physikalisch einer Synchronmaschine, kommt jedoch ohne die üblichen Permanentmagnete im Läufer aus. Stattdessen besitzt der Motor speziell gestaltete Rotorbleche aus Eisen. Servicearbeiten lassen sich deshalb ebenso einfach durchführen wie bei Drehstrom-Asynchronmotoren. Trotz dieses einfachen Aufbaus ermöglichen Reluktanzmotoren in Verbindung mit geeigneten Umrichtern jedoch eine dynamische Regelung und eignen sich deshalb auch für Motion-Control-Anwendungen mit mittlerer Dynamik. Der Synchron-Reluktanzmotor kombiniert damit die hohe Performanz und Energieeffizienz von permanenterregten Synchronmotoren mit den Kostenvorteilen der Drehstrom-Asynchronmotoren.

Die wichtigste Herausforderung für Siemens bei der Entwicklung des Reluktanz-Antriebssystems war es, eine perfekte Kombination von Frequenzumrichter und Motor zu schaffen, erinnert sich Fuchsloch und bestätigt nicht ohne Stolz: »Dies ist in Verbindung mit dem Umrichter Sinamics G120 gelungen, der sich auch ideal für den Betrieb mit Drehstrom-Asynchronmotoren eignet und aufgrund solcher Anwendungen bereits hinlänglich bekannt ist.« Für diese spezielle Kombination haben die Automatisierungsausrüster das Gerät allerdings entsprechend optimiert und den prinzipbedingt höheren Blindleistungsbedarf der Reluktanzmotoren durch eine optimierte Leistungsteilauslegung des Umrichters gedeckt. Die Nennleistung bleibt dabei unverändert.

Die höhere Energieeffizienz der Reluktanzmotoren, die aus der optimalen Regelung durch den Frequenzumrichter sowie aus dem Fehlen eines stromdurchflossenen Rotors resultiert, verringert zusätzlich die Wärmeverluste im Vergleich zu einem Drehstrom-Asynchronmotor, was wiederum zu einer hohen thermischen Überlastfähigkeit auch im Dauerbetrieb (Servicefaktor 1,2) führt. Der Großteil der systembedingten Energieeinsparung durch die neuen Motoren gegenüber drehzahlveränderbaren Lösungen mit Drehstrom-Asynchronmotoren beruht jedoch auf ihrer höheren Performanz speziell im Teillastbereich mit einem weitgehend konstanten Wirkungsgrad. So erreicht das System aus dem Simotics-Reluktanzmotor und einem Umrichter der Reihe G120 bei Lasten ab etwa 25 Prozent des Nenndrehmomentes bereits nahezu seine höchsten Effizienzwerte in der IES-2-Systemeffizienzklasse. Für Fuchsloch steht deshalb fest: »Die Reluktanzmotoren auf Basis der Energiesparmotorenplattform 1LE1 besitzen damit nahezu die Effizienz von permanenterregten Synchronmotoren und sind hinsichtlich der Kosten vergleichbar mit effizienten Drehstrom-Asynchronmotoren.«

Anspruchsvolle Einsatzfelder

Kennzeichnend für optimale Anwendungsfelder des Reluktanz-Antriebssystems sind Applikationen mit hohen Energieeffizienzanforderungen oder intermittierendem Betrieb mit hohen Taktraten. Typische Anwendungen sind deshalb unter anderem Lüfter, Pumpen oder Kompressoren mit langer Einschaltdauer. In manchen Anwendungsfällen, beispielsweise bei wechselnden Bewegungsabläufen mit gelegentlichen Überlastphasen, genügt zudem eine kleinere Leistungsklasse als beim Einsatz von Norm-Asynchronmotoren. Dies bringt weitere Kostenvorteile, weil Simotics-Reluktanzmotoren aufgrund ihrer hohen thermischen Überlastfähigkeit selbst über längere Zyklen hinweg mit dem Servicefaktor 1,2 belastet werden können.

Motoren nach Maß

Entscheidend für eine möglichst effiziente Antriebslösung sind jedoch letztendlich die richtige Auswahl und das optimale Engineering der eingesetzten Antriebe. Im Zuge einer ganzheitlichen Betrachtung des Antriebsstrangs vom Motor bis zur Antriebssteuerung als »Integrated Drive Systems« (IDS) bietet Siemens hier eine Vielzahl von Alternativen an. Beispielsweise steht für einfache Anwendungen am Netz nach wie vor ein breites Angebotsspektrum von Drehstrom-Asynchronmotoren mit Eigen- oder Fremdkühlung zur Auswahl, deren Einsatzspektrum von normalen Rahmenbedingungen bis zu harten Umgebungsverhältnissen und sicherem Ex-Schutz reicht. Diese können direkt über Schütze oder mit Hilfe von Sanftstartern gestartet werden. Typische Anwendungen finden sich zum Beispiel in der Wasser- und Abwassertechnik sowie in der Prozessindustrie.

Höchste Effizienz erreichen solche Systeme allerdings nur, wenn die Pumpen, Kompressoren oder Lüfter im Dauerbetrieb oder in sehr langen Zyklen laufen. Bei Anwendungen mit intermittierendem Betrieb dagegen ermöglichen die neuartigen Reluktanz-Antriebssysteme mit geringem Engineering-Aufwand die Entwicklung von sehr energieeffizienten Gesamtlösungen – etwa eine bedarfsgerechte Pumpensteuerung statt einer verlustreichen Drosselsteuerung. In Verbindung mit den vom Umrichter SinamicsG120 unterstützten Kommunikationsprofilen Profidrive und Profienergy lassen sich auf diese Weise energiesparende Antriebsszenarien sehr einfach realisieren.

Kostengünstige Alternative

Am anderen Ende des breiten Anwendungsspektrums von Elektromotoren befinden sich die dynamischen, hochpräzisen und effizienten permanentmagnet-erregten Synchron-Servomotoren, die das Simotics-Programm von Siemens ebenfalls bietet. Die ganze Leistungsfähigkeit solcher Motoren benötigen vor allem Motion-Control-Anwendungen, wie sie typisch sind für Wickler, Bewegungsachsen und Montagesysteme. Wichtige Einsatzgebiete findet man daher in Verpackungs-, Textil- und Kunststoffmaschinen sowie im Sondermaschinenbau. Andererseits gibt es auch zahlreiche Anwendungen, die nicht unbedingt dieses Höchstmaß an Dynamik, Präzision oder Kompaktheit erfordern. Für diese Fälle bietet das Reluktanz-Antriebssystem aus Simotics-Motor und Sinamics-Umrichter jetzt eine kostengünstige Alternative, indem es das Feld der besonders anspruchsvollen Anwendungen nach unten abdeckt und zugleich ähnlich hohe Wirkungsgrade bietet wie Systeme mit permanenterregten Synchronmotoren. Als geberlose Antriebe mit hoher Dynamik, energieeffizienter Leistungsentwicklung und geringen Investitionskosten eignen sich Reluktanzmotoren somit zum Beispiel hervorragend für getaktete Abläufe.

Insgesamt erfüllen die neuen Simotics-Reluktanzmotoren von Siemens damit den Wunsch vieler Anwender nach energieeffizienten, kostengünstigen und flexibel einsetzbaren Elektromotoren. In der Kombination mit dem Frequenzumrichter Sinamics G120 bilden die Motoren eine optimale Antriebseinheit, die sowohl einfache als auch komplexe Ansprüche erfüllt: Nach unten veredeln sie mit ihren technischen Finessen das große Einsatzfeld der Drehstrom-Asynchronmotoren, nach oben schließen sie zu Anwendungen auf, bei denen heute oft Servomotoren eingesetzt werden, da sie in idealer Weise hohe Effizienz mit Dynamik verbinden. In der Konsequenz profitieren zahlreiche Branchen und Applikationen von den dadurch möglichen energieeffizienten und kostengünstigen Gesamtlösungen. Siemens bietet die neuen Reluktanzantriebe zunächst für den Leistungsbereich zwischen 5,5 und 30 Kilowatt, der später auf 0,55 bis 200 Kilowatt erweitert werden soll.bt

Auf einen Blick

- Die Reluktanzmotoren der Serie VSD4000 aus dem Motorenprogramm Simotics SD und Simotics GP von Siemens sind optimiert für den Einsatz am Frequenzumrichter Sinamics G120.

- Im Vergleich zu Systemen mit Asynchronmotoren bietet die Synchron-Reluktanztechnik besonders hohe Wirkungsgrade vor allem im Teillastbereich sowie hohe Dynamik.

- Die Vektorregelung der Frequenzumrichter gewährleistet ein optimales Betriebsverhalten.

Erschienen in Ausgabe: 03/2015