Klarer Punktsieg

Antriebstechnik

Motoren – Am Beispiel einer Schlammpresse hat Bauer Gear einen Leistungsvergleich zwischen Asynchron- und Permanentmagnetmotor ausgetragen. Der Gewinner steht eindeutig fest …

20. September 2017

Es wurde schon viel über IE3-Motoren geschrieben und über die Effizienzvorteile, die hiermit gegenüber IE2-Motoren gleicher Baugröße zu erzielen sind. Nach der Entscheidung, den Nutzen eines neuen IE3-Elektromotors umzusetzen, ist es jedoch wichtig, dass die Maschine in ihrer Bauart zur Anwendung passt, um so das Potenzial voll auszuschöpfen.

Die Erstellung des Lastenhefts für Anwendungen mit konstanter Drehzahl ist relativ einfach. Anspruchsvoller gestaltet sich die Spezifikation für Applikationen mit variabler Drehzahl, Drehrichtung und Last. Dabei sind die theoretischen Berechnungen nur ein Aspekt: Um glaubwürdig zu sein, müssen sie in der Praxis überprüft werden.

Bauer Gear Motor, im Verbund von Altra Industrial Motion, hat darum anhand einer konkreten Industrieanwendung in der Abwasseraufbereitung einen Asynchronmotor (ASM) mit einem Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) verglichen.

Zur Abwasseraufbereitung gehört die Schlammentwässerung. Die hierbei gewonnenen Feststoffe dienen der Düngemittelgewinnung, während der flüssige Abwasseranteil in der Kläranlage aufbereitet wird. Es kommt unter anderem eine konische Schneckenpresse zum Einsatz, die von einem 2,2-Kilowatt-Motor angetrieben wird und den Schlamm entwässert. In diesem Prozessschritt hat Bauer seinen Demo-PMSM installiert.

Bei der ursprünglichen Konfiguration der Schlammpresse wurde die Motor-Getriebe-Einheit der Schnecke von einem Danfoss-Frequenzumrichter angetrieben. Der Frequenzumrichter war für die Überwachung der Last des jeweiligen Motors programmiert, um den Betrieb bei optimalem Wirkungsgrad zu gewährleisten. Um alle Effizienzunterschiede eindeutig den Motoren zuordnen zu können, wurde für beide Antriebe dasselbe Bauer-Getriebe verwendet. Die Einstellungen für Drehzahl und Druck wurden durch den Anlagenbetreiber entsprechend dem für die Förderfähigkeit erforderlichen Feuchtigkeitsgehalt des Feststoffes vorgegeben.

Eine Schneckenpresse kennt zwei Vorgänge: Verdichten und Spülen. Beide stellen unterschiedliche Anforderungen an den Antriebsmotor: Beim Verdichten, welches den größeren Anteil am Gesamtprozess hat, läuft der Motor bei geringer Drehzahl zwischen 10 und 20 Hertz am Frequenzumrichter. Die Motorlast hängt von dem vorgegebenen Feuchtigkeitsgehalt des Fördermediums ab. Als Richtwert können hierbei etwa 70 Prozent der Nennlast gelten. Beim Anlaufen kann die Last infolge des zu überwindenden Trägheitsmoments sowie des im Inneren der Schnecke getrockneten Schlamms ansteigen.

Nach mehreren Verdichtungszyklen müssen die Schnecke und das Sieb gereinigt werden. Dies geschieht durch Umkehr der Drehrichtung des Antriebsmotors und den Einsatz von Sprühbalken zur Reinigung der innen liegenden Komponenten. Dabei ist die Motorlast mit nur zirka 35 Prozent der Nennlast relativ gering. Dafür steigt die Drehzahl auf 50 bis 80 Hertz an.

Das Duell

Zunächst wurde die Schlammpresse mit einem 2,2-Kilowatt-IE2-Asynchronmotor ausgestattet und der Frequenzumrichter für die Aufzeichnung aller Drehzahl-, Last- und Wirkungsgraddaten konfiguriert, die dann grafisch aufbereitet wurden. Nachdem ein ausreichender Datenbestand erfasst war, wurde der ASM entfernt und ein 2,2-Kilowatt-IE3-PMSM für dieselben Betriebsparameter der Schlammpresse eingerichtet. In der Analyse ergab sich ein viel höherer Wirkungsgrad des PMSM im Verdichtungszyklus, der auf 15 Hertz Motordrehzahl und 10 Newtonmeter Last eingestellt war.

Die Daten ermöglichten auch einen Vergleich bei zunehmender Motorlast und gleichzeitiger Drehzahlsenkung auf 10 Hertz. Hier war der PMSM mit einem wesentlich höheren Wirkungsgrad im Betrieb eindeutig im Vorteil – vor allem unter Teillastbedingungen. Auch beim Spülzyklus war der ASM aufgrund der Teillastbedingungen im Nachteil, wohingegen der PMSM bessere Werte erzielte. Den Wirkungsgradsteigerungen entsprechen unmittelbare Energieeinsparungen, die sich positiv auf die Gesamtbetriebskosten des Anwenders auswirken.

Markus Kutny, Produktspezialist für das PMSM-Sortiment bei Bauer Gear Motor: »Wenn es um die Auswahl von Getriebemotorlösungen geht, gehört Energieeffizienz auf dem heutigen Markt zu den Schlüsselfaktoren. Die Energiekosten werden weiter steigen, deshalb muss man die Betriebskosten des Antriebs über die gesamte Nutzungsdauer im Auge haben und nicht nur die Anschaffungskosten. Wir haben die neue Motorenserie im Vorgriff auf die neue IE4-Klassifikation entwickelt und weil wir unseren Kunden das Nonplusultra in Sachen Energieeffizienz anbieten wollen.«

Der große Drehzahlbereich und der hohe Wirkungsgrad unter Teillastbedingungen erleichtere die Antriebsspezifikation enorm, so Kutny, weil eine Überdimensionierung kaum Auswirkungen auf die Effizienz habe. »Außerdem dient die PMSM-Technologie dem Komplexitätsabbau, weil ein PMSM-Motor ohne weiteres die Einsatzbereiche von drei bis fünf ASM-Motormodellen ersetzen kann. Hierdurch sinken die Lagerkosten und die vorzuhaltende Variantenvielfalt.« mk

Erschienen in Ausgabe: 07/2017