Supersauger

Antriebstechnik

Frequenzumrichter – Der Betrieb eines Saugbaggers zum Hafenbau erfordert enorm starke Pumpen. Der Einsatz eines drehzahlvariablen Antriebssystems ermöglicht dabei erhebliche Energieeinsparungen.

27. August 2012

Eine der größten Unterwasser-Baustellen Europas befindet sich an der Nordseeküste bei Wilhelmshaven: An der Jademündung entsteht dort mit dem sogenannten JadeWeserPort ein neuer tidenunabhängiger Tiefwasserhafen, den künftig auch die größten derzeitigen Frachtschiffe anlaufen können sollen. Zur Vorbereitung der Baumaßnahmen müssen jedoch enorme Massen von Boden in der Jademündung aufgespült werden. Die zuständige Bauunternehmung Bunte aus Papenburg initiierte dazu die Entwicklung des gut 100 Meter langen und 16 Meter breiten Mega-Baggerschiffs »Pirat X« mit einer Förderleistung von bis zu 12.000 Kubikmeter Wasser-Feststoff-Gemisch pro Stunde. Pro Tag kann der Saugbagger so bis zu 70.000 Kubikmeter Sand gewinnen und aufspülen.

Ein wichtiges Element im Normalbetrieb des Baggers ist ein Schneidkopf am Ende des Saugrohrs, der den Untergrund bis in 32 Meter Tiefe auflockert. Angetrieben wird der Schneidkopf von einem Hydraulikmotor mit einer Leistung von 1 Megawatt. Zum Transport des gewonnenen Materials ist die Saugvorrichtung mit drei hintereinanderliegenden Pumpen ausgerüstet. Dabei befindet sich direkt am Saugstutzen die Unterwasserpumpe 1 mit einem Leistungsbedarf von ungefähr 850 Kilowatt, die von einem Elektromotor angetrieben wird. Sie nimmt das vom Sand gelöste Wasser auf und drückt es durch das Saugrohr zu zwei weiteren Pumpen mit einer Leistung von jeweils 1,8 Megawatt, die sich am oberen Ende des Saugrohres befinden und den Spülsand zu seinem Bestimmungsort abtransportieren. Die Pumpen 2 und 3 werden direkt von Dieselmotoren angetrieben.

Die elektrisch angetriebene Unterwassersaugpumpe 1 ist mit einem drehzahlgeregelten Antriebssystem ausgestattet, das nicht nur besonders energieeffizient arbeitet, sondern auch das elektrische Bordnetz nur wenig belastet und zudem die Wartung und Instandhaltung für den kompletten Saugbagger vereinfacht. Bei diesem speziell für den Betrieb unter Wasser konstruierten System verhindert ein spezielles Dreikammerprinzip im Klemmenkasten, dass der Motor voll Wasser läuft, falls einmal eine Kabeldurchführung porös werden sollte.

Netzfreundliche Regelung

Geregelt wird die Motorleistung über einen Frequenzumrichter der Serie Sinamics S150 der Siemens-Division Drive Technologies mit einer Nennleistung von 1 Megawatt und einem Active-Infeed-Modul in der Einspeisung. Zur weitestgehenden Schonung der Motorisolation ist der Frequenzumrichter motorseitig mit einem Spannungsbegrenzer ausgerüstet.

Einen netzfreundlichen Betrieb gewährleistet ein sogenanntes Clean-Power-Filter in der aktiven Stromrichterschaltung des Frequenzumrichters, das den Oberwellengehalt auf ein absolutes Minimum reduziert und so eine schädliche Zusatzerwärmung des speisenden Bordgenerators verhindert.

Die erforderliche elektrische Energie liefert ein eigener Dieselgenerator, dessen mechanische Nennleistung von 949 Kilowatt gut mit der Nennleistung des Dieselaggregates harmoniert. Der Generator ist ebenso wie auch der Motor in den Wicklungen und Lagern mit Pt100-Temperaturfühlern ausgestattet und besitzt zudem eine Stillstandheizung.

Die durch das Active-Infeed-Modul des Frequenzumrichters erzeugte, quasi sinusförmige Belastung ermöglicht es, die Leistung des Generators trotz des Umrichterbetriebs voll auszunutzen. Beim Bau des Saugbaggers »Pirat X« für das Jade-Weser-Projekt konnte der Schiffbauer deshalb ein kurzfristig verfügbares 12-Zylinder-Standard-Dieselaggregat einsetzen.

Die drehzahlgeregelte Antriebslösung für die Unterwasser-Saugpumpe des Saugbaggers durch den Einsatz der drehzahlgeregelten Frequenzumrichter des Typs Sinamics S150 bietet einige Vorteile. So lässt sich die Förderleistung der Saugpumpe schnell und exakt an die schwankenden Korngrößen des aufgeschwemmten Kieses und des Sandes anpassen. Zudem schont der sanfte, stufenlose An- und Auslauf beim drehzahlvariablen Betrieb die gesamte Mechanik des kompletten Antriebstranges. Nicht zuletzt lässt sich durch die Änderung der Motordrehzahl der Energieverbrauch stets exakt an die betrieblichen Erfordernisse anpassen. Vor allem bei Strömungsmaschinen wie Pumpen lässt sich mit drehzahlvariablen Antrieben Energie im zweistelligen Prozentbereich einsparen.

In Servicefall lässt sich der Antrieb mit dem Umrichter zudem sehr langsam vorwärts und rückwärts drehen, um mit Hilfe einer geeigneten Schraubenfixiereinrichtung die sehr fest sitzenden Schraubverbindungen zu lösen. Eine eigens für diesen Zweck konstruierte Handheld-Servicebedienstation ist über eine Steckverbindung mit der Steuerung verbunden und signalisiert dem Umrichter den eventuellen Reparaturbedarf, sodass sich nur noch sehr langsame Drehzahlen realisieren lassen. Insgesamt ermöglichte der Einsatz des Frequenzumrichters eine praxistaugliche und energieeffiziente Umsetzung des anspruchsvollen Projekts »Saugbagger«.

Auf einen Blick

-Die anschlussfertigen Schaltschrank-Umrichter der Baureihe Sinamics S150 von Siemens sind speziell für drehzahlveränderbare Antriebe konzipiert und stehen für Leistungsbereiche von 75 bis 1.200 Kilowatt zur Verfügung.

-Die standardmäßige Netzrückspeisung ermöglicht einen uneingeschränkten Vier-Quadranten-Betrieb.

-Das integrierte Clean-Power-Filter reduziert niederfrequente Netzrückwirkungen und ver-meidet Verluste durch Oberschwingungsströme.

-Eine Vielzahl von Ausstattungsoptionen erleichtert die Anpassung der Umrichter an die jeweiligen Anforderungen.

Erschienen in Ausgabe: 02/2012