Die Anlage verstehen

Betreiber einer Anlage sollten sich vor dem Kauf einer Komponente überlegen, wie sie die Anlage betreiben. Bei Investitionen in Niederspannungsmotoren steht meist deren Nennpunkt gemäß der Norm DIN EN 60034-30-1 (VDE 0530-30-1) [3] zur Messung der Wirkungsgrade im Blickpunkt. Die Nennpunkteffizienz in der Anlage und der reale Betriebspunkt sind allerdings nicht identisch. Ein Niederspannungsmotor, der am Nennpunkt effizient ist, muss am Betriebspunkt nicht das Beste sein. Das Lastprofil (Leistung, Drehzahlbereich, Drehmoment) für die jeweilige Anwendung muss deshalb bei der Auswahl eines passenden Motors und Frequenzumrichters berücksichtigt werden. In der Praxis werden sehr viele Motoren nicht im Nennpunkt betrieben, sondern laufen großteils in Teillast. Eine Komponente darf dann durchaus ineffizient am Nennpunkt sein, wenn dieser nicht angefahren wird.

Höhere Kabelquerschnitte wählen

Auch Motor- und Frequenzumrichterkabel sind eine Stellschraube, um Energie einzusparen und den Ausstoß von CO₂ zu verringern. Denn durch Übertragungsverluste durch Kabel geht ebenfalls Energie verloren. In der Regel werden für Motoren und Frequenzumrichter Kabelquerschnitte angegeben, die aus elektrischer Sicht für den Betrieb mindestens erforderlich sind. Durch den Einsatz von Kabeln mit einem nächst oder übernächst höheren Querschnitt können aber Kabelverluste um 20 % bis 30 % gesenkt werden. Die erhöhten Anschaffungskosten für diese Kabel rechnen sich  durch Einsparungen bei den Stromkosten und kommen der CO₂-Bilanz zugute.

Verluste nicht ignorieren

Wichtig ist des Weiteren die Betrachtung der installierten Technologie. Allzu häufig werden die Verluste ignoriert, die von Frequenzumrichtern ausgehen können. Konventionelle Frequenzumrichter erzeugen im Netzstrom Oberschwingungen. Dabei handelt es sich um eine elektromagnetische Störung des Stromnetzes, das zu einer Verzerrung des Sinusverlaufs des vom Stromversorger erzeugten Stroms führt.

Um die zusätzliche Belastung durch Oberschwingungsanteile tragen zu können, müssen Anlagen überdimensioniert werden oder es müssen zusätzliche Maßnahmen zur Reduzierung der Oberwellen getroffen werden. Zu Letzterem zählen Passivfilter, die weitere Verluste und einen Spannungsabfall verursachen.

Die technologische Lösung hierfür sind Ultra-Low Harmonic Drives. Verglichen mit einem konventionellen Frequenzumrichter reduzieren sie den Oberschwingungsgehalt um bis zu 97 %. In einem Versuch wurden die harmonischen Verluste eines Ultra-Low Harmonic Drives mit denen einer Standardlösung mit einer Dioden-Frontend mit Drossel verglichen. Die Verluste des Ultra-Low Harmonic Drive bewegten sich nah am Idealfall, sprich einem reinen Motor, da dieses Gerät keine harmonischen Verluste erzeugt. Im Gegensatz dazu erzeugte die Drossellösung rund 20 % zusätzliche Verluste. Im Teillastbetrieb stellte sich das Verhältnis prozentual ähnlich dar. Auch in Teillast werden durch die konventionelle Lösung harmonische Ströme erzeugt, die einen erhöhten Effektivstrom und damit eine höhere Kabelauslastung und -abwärme etc. zur Folge haben. Die Ultra-Low Harmonic Drives von ABB [4] (Bild 3) sind schnell und einfach installiert und decken die Anforderungen der meisten Branchen ab.

Literatur

1. Richtlinie 2009/125/EG des europä­ischen Parlaments und des Rats vom 21. Oktober 2009 zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energiever­brauchsrelevanter Produkte. Amtsblatt Nr. L 285 vom 31.10.2009, S. 10 – 35. Luxemburg: Amt für amtl. Veröffent­ lichungen 
2. Verordnung (EU) 2019/1781 der Kommission vom 1. Oktober 2019 zur Festlegung von Ökodesign­Anforderungen an Elektro­ motoren und Drehzahlregelungen gemäß der Richtlinie 2009/125/EG des Europäischen Parlaments und des Rats, zur Änderung der Verordnung (EG) Nr. 641/2009 im Hinblick auf die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestal­tung von externen Nassläufer­Umwälzpumpen und in Produk­te integrierten Nassläufer­Umwälzpumpen und zur Aufhebung der Verordnung (EG) Nr. 640/2009 der Kommission. Amtsblatt Nr. L 272/74 1.10.2019, S. 10 – 35. Luxemburg: Amt für amtl. Veröffentlichungen
3. DIN EN 60034­30­1 (VDE 0530­30­1):2014­12 Drehende elek­trische Maschinen – Teil 30­1: Wirkungsgrad­Klassifizierung von netzgespeisten Drehstrommotoren (IE­Code). Berlin-Offenbach: VDE VERLAG
4. ABB Motion, Ladenburg.