Intelligente Energiedosierung

Elektromotoren - Läuft ein Elektromotor unterhalb seiner Nennleistung, nimmt er mehr Strom auf, als zur Magnetisierung nötig ist. Dieser Mehrstrom wird in Hitze, Vibrationen und Lärm umgewandelt - unnötige Kosten sind die Folge. Inwieweit ist Energiedosierung bei Teillast möglich?

23. August 2005

Kein anderer Antrieb für mechanische Leistung ist in der Industrie, im Handel und in Dienstleistungseinrichtungen so stark verbreitet wie der Induktionsmotor. Seit seiner Erfindung vor über 100 Jahren wurde sein Wirkungsgrad ständig gesteigert, die Auslegung und das Design von Spulen, Magneten und Rotoren ständig verbessert - intelligenter wurde er aber nicht. Niemand brachte ihm bei, nur so viel Strom aus dem Netz zu ziehen, wie er tatsächlich braucht. Wird ein ungeregelter Elektromotor mit konstanter Drehzahl zyklischen Belastungen unterworfen, geht in der Phase der Teil- oder Leerlast zwischen 30 bis 50 Prozent der aufgewendeten Energie einfach verloren. Der Grund: Läuft der Motor unterhalb seiner Nennleistung, wird wesentlich mehr Strom aufgenommen, als für die Magnetisierung eigentlich nötig wäre. Erst nahe dem Bereich der vollen Belastung erreicht ein typischer, ungeregelter 3-Phasen-Induktionsmotor einen annehmbaren Wirkungsgrad von ca. 80 bis 96 Prozent. Der überhöhte Stromhunger und die damit verbundenen Kosten waren bei derlei Anwendungen, zumindest bisher, eine fixe Größe. Eine weitere Schwachstelle ist, daß sich bei neuen Motoren - die heute zwar wesentlich günstiger produziert werden können als noch vor 20 Jahren - Stromüberlasten viel stärker auswirken und daher eher zu einem Ausfall führen können. Aus diesem Grund ist die Mehrheit der verbauten Motoren leistungsmäßig überdimensioniert, was sich nochmals negativ auf die Stromkosten auswirkt; aus Sicht der Maschinen- und Anlagenbauer soll eben eine gewisse Ausfallsicherheit garantiert werden. »Eine lineare Erhöhung der Überlast bedeutet eine exponentiell geringere Lebensdauer«, erklärt Günter Schülke, Betriebsleiter, zuständig für den Geschäftsbereich Industriewartung bei der B& Blumenbecker GmbH, Beckum.

Das Traditionsunternehmen wurde ursprünglich 1922 als Handwerksbetrieb für Ankerwickeltechnik gegründet. Heute hat es 650 Mitarbeiter und neben den deutschen Häusern auch Niederlassungen in Osteuropa und Shanghai. Schülke erklärt weiter: »Ein Hauptproblem, welches durch den ungeregelten Anlauf eines Motors noch viel häufiger auftritt als Überspannungen, sind die Stoßimpulse, welche dabei auf den Antriebsstrang einwirken. Nach unseren Erfahrungen sind 90 % der gängigen Reparaturfälle bei Maschinenmotoren Lagerschäden«. Kaum verwunderlich, denn in der Startphase des Antriebs kann die Drehmomentbelastung schlagartig den bis zu 3,5fachen Wert eines Voll-Lasteinsatzes erreichen. Während der Leerlastphasen wirken sich zudem die dabei entstehenden Vibrationen nicht nur akustisch, sondern auch mechanisch nachteilig aus. Werden die Lager nicht ständig überwacht, sind Ausfälle und damit Produktionsstopps vorprogrammiert.

Was sich Maschinenbetreiber für ungeregelte Motoren also wünschen, sind geringere Stromverbrauchszahlen und ein sanfter Anlauf, auch bei simplen Anwendungen mit konstanter Drehzahl. Die bekannte Stern-Delta-Schaltung mindert zwar teilweise die Spitzenbelastung für das Stromnetz, läßt aber ebensowenig wie das verzögerte Aufschalten einzelner Motorphasen im Anlauf eine intelligente Strombedarfssteuerung zu.

Sparzwang macht erfinderisch

Eine mögliche Abhilfe des Problems kommt aus England. Während Industriebetriebe in Deutschland noch vielerorts unnötig verbrauchte Energie bezahlen müssen, gilt für die britischen Kollegen bereits seit April 2001 eine Umweltschutzabgabe (climate changelevy), die fossile Brennstoffe und Elektrizität besteuert. Es werden 0,0043 englische Pfund pro verbrauchter Kilowattstunde fällig. So ist es nicht verwunderlich, daß viele Unternehmen damit begonnen haben, ihre Motoren mit einer Energiesparintelligenz auszustatten. Das Gerät trägt den Namen ›Powerboss‹, läßt sich an einem Motor leicht nachrüsten und funktioniert auf einem eigentlich sehr simplen Prinzip: Ein Mikrochip mißt jede hundertstel Sekunde den tatsächlichen Strombedarf des Motors und regelt die Energiezufuhr dann über ein Thyristorengitter.

Der Motor erhält immer genügend Strom, um seine Lasten präzise zu beschleunigen und ist für einen Sanftanlauf und einen Sanftstop über einen Zeitraum von bis zu vier Minuten programmierbar. Besonders der Einsatz an zyklisch belasteten Motoren von Pressen, Kompressoren, Spritzguß-, Extruder- oder Tiefziehmaschinen, aber auch an Fördersystemen wie Rolltreppen erzielte Anwendern zufolge erstaunliche Resultate. So wurden bei der Parker Pen Company im zentralen Werk in Newhaven von Oktober 2001 bis Ende 2002 alle 25 Spritzgußmaschinen und alle Hauptkompressoren mit den Powerboss-Geräten ausgerüstet. Beim Spritzgießen sind Motorenbelastungswerte von 40 % Voll-Last und 60 % Leer-Last typisch. »Die Energieeinsparung lag bei allen Maschinen bei bis zu 18 %«, erklärte Laurence Deakin, der Zuständige für die Wartung aller Produktionsmaschinen bei Parker House in einem Interview. »Bisher wurden ca. 20.000 Pfund in Powerboss-Einheiten investiert, die monatlichen Einsparungen an Stromkosten liegen derzeit bei ca. 4.000 Pfund, womit wir mehr als zufrieden sind«, so Deakin weiter.

Vor rund zwei Jahren begann der britische Generalimporteur der Demag Ergotech GmbH, die Demag Hamilton Ltd., Spritzgußmaschinen ab Werk mit dem Powerboss auszustatten. Um die 3.000 Maschinen wurden bisher von der Demag Hamilton in England verkauft. »Ein Kunde machte uns darauf aufmerksam, daß sich damit erhebliche Energiemengen einsparen lassen«, erklärt Nigel Flowers, technischer Leiter bei Demag Hamilton. Nach einem Pilotversuch stellte sich heraus, daß bei den älteren Anlagen Einsparungen zwischen 12 bis 16 % möglich waren. »Mittlerweile ist es ein ernstzunehmendes Verkaufsargument, daß unsere Maschinen mit den Stromspareinrichtungen ausgestattet sind«, so Flowers. Ca. 150 von den 3.000 in England ausgelieferten Maschinen wurden bereits nachgerüstet. Auch für die neueste Generation der energieeffizienteren Demag Ergotech wurde die Zusatzausrüstung mit dem Powerboss als vorteilhaft bewertet.

Richard Chambers, Generalimporteur von Powerboss für Deutschland, hält es für gut möglich, daß sich in vielen Fällen der Einsatz des Powerboss ebenfalls günstig auf die Lifecycle-Costs von Motoren und Antriebsstrang auswirken kann: »Laut den uns vorliegenden Studien von Ricoh UK Products Ltd. aus 18 Monaten Betrieb kann geschlossen werden, daß sich die Lebensdauer von Motoren und Getrieben deutlich verlängert, was zusätzlich Wartungskosten einsparen sollte«, so Chambers.

Oriana Morer

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2005