Genaue Analyse entscheidet über den Erfolg

Der Autor: Michael Burghardt Product Manager, Danfoss, VLT Antriebstechnik

Bei durchschnittlichen Steigerungsraten der Energiepreise von ca. 12 % pro Jahr in der letzten Dekade, erreichen diese Kosten den gleichen Stellenwert, wie die häufig angeführten Personalkosten und übersteigen diese bereits 2015, sollte sich dieser Trend fortsetzen. Und damit kommt dem Energieverbrauch vor allem für Unternehmen mit einer energiehungrigen Produktion eine strategische Bedeutung zu. So können Energiesparprojekte – in Abhängigkeit von Zielsetzung, Dauer und Renditebetrachtung – erheblichen Einfluss auf die Gesamtbilanz eines Unternehmens haben, und damit auch auf dessen wirtschaftlichen Erfolg. Energieeinsparungen im Bereich von 15 bis 25 % können in der Gewinn- und Verlustrechnung deutlich zu Buche schlagen.

Dennoch kommt es bei der Energieoptimierung von Antrieben immer wieder vor, dass die durchgeführten Maßnahmen keinen durchschlagenden Erfolg bringen. Dies kann viele Ursachen haben, meist liegt es jedoch an einer fehlerhaften Analyse der Ausgangslage.

Eine einfache Lösung wäre, alle Motoren in einer Anlage mit Frequenzumrichtern auszustatten. Dabei sollte der Anwender aber das Last- und Arbeitsprofil des einzelnen Motors kennen. Wie lange läuft er im Teillastbetrieb? Ein Frequenzumrichter verschlechtert die Energieeffizienz bei Motoren, die permanent unter Volllast laufen. Denn auch er benötigt Energie und erzeugt geringe Wärmeverluste, die hier aber keinen Vorteil bringen. Insgesamt steigt also der Energiebedarf des Antriebssystems, bestehend aus Umrichter und Motor. Vorteilhafter ist es dann, dort einen Softstarter mit Bypass zu installieren. Nach dem Hochfahren geht der Softstarter in Stand-by und verbraucht kaum zusätzliche Energie. Allerdings wirkt sich in den weitaus meisten Fällen die Drehzahlregelung einer Anwendung energiesparend aus.

Um die richtigen Maßnahmen zu identifizieren, benötigt der Anwender korrekte Anlagendaten. Dabei helfen Systeme, die im laufenden Betrieb ein Lastprofil für jeden Antrieb aufzeichnen. Wie lange eine solche Analyse laufen muss, hängt stark von der Anwendung ab. Bei Prozessen, die in einem bestimmten Rhythmus immer gleich ablaufen (sollen), kann der Anwender den Erfassungszeitraum auf wenige Zyklen beschränken und erhält trotzdem zuverlässige Daten.

Anders bei Anwendungen, die situationsabhängig sind. Typische Beispiele dafür wären eine Gebäudeklimatisierung oder auch ein Abwasserpumpwerk, beides stark wetterabhängig. Die Klimatisierung erreicht ihre Spitzenlast bei extrem heißem Wetter im Sommer, während die Pumpanlage bei starken Regenfällen am Maximum arbeitet. Sind im Analysezeitraum diese Extremfälle nicht aufgetreten, können die Daten verfälscht sein, was zu einer falschen Auslegung oder Auswahl ungeeigneter Komponenten und damit zu schlechterer Energieeffizienz führen kann.

Kommt ein Frequenzumrichter zum Einsatz, entscheidet auch die angewandte Regelstrategie über die Energieeffizienz. Generell gilt: Je besser seine Regelstrategie, desto genauer ist seine Regelung und damit umso höher die möglichen Einsparungen. Beispielsweise führt eine reine U/f-Kennlinie – gerade im Teillastbetrieb – zu wesentlich schlechteren Ergebnissen als eine Vektorregelung. Dies beruht darauf, dass einfache U/f-Regelungen oft die aktuelle Lastsituation nicht berücksichtigten, da sie keine zusätzliche Strommessung durchführen.

Anders ist es bei höherwertigen Regelungen. Sie erfassen den aktuellen Motorstrom und schließen so auf die Lastsituation und reagieren darauf. Insgesamt führen höherwertige Regelverfahren zu einer höheren Energieeffizienz der Antriebe. Es zeigt sich an dieser Stelle, dass der günstigste Umrichter bei einer wirtschaftlichen Betrachtung nicht zwangsläufig die bestmögliche Entscheidung ist. Je kürzer der Motor unter Volllast bei Nenndrehzahl betrieben wird, desto weniger rechnen sich günstige Regelverfahren.

Eine optimale Auslegung erfolgt grundsätzlich von der Maschine zum Netz hin und erfordert umfangreiche Kenntnisse über Prozess und Anwendung. Nur so kann der Anwender eine Überdimensionierung aufgrund „ausreichender“ Reserven in den verschiedenen Auslegungsstufen vermeiden. Denn jede unnötige Überdimensionierung schlägt sich negativ in den Wirtschaftlichkeitsberechnungen nieder. In der Praxis passiert dies vor allem dann, wenn der elektrische und mechanische Part bei der Auslegung nicht ausreichend kommunizieren oder bei bestehenden Anlagen nicht auf Veränderungen bei den Prozessen achten. In vielen Fällen entstehen dann höhere Kosten durch die Auswahl eines zu großen Motors.

Der Grund dafür liegt darin, dass Motoren ihr Wirkungsgradoptimum im Nennpunkt haben. Bei reduzierter Last sinkt der Wirkungsgrad ab, wobei das Absinken von Motorauslegung und -leistung abhängt. So reduziert sich der Wirkungsgrad im Teillastbereich bei großen Leistungen langsamer als bei kleinen. Erreicht nun ein Motor im Nennpunkt der Anlage nur 77 % Wirkungsgrad anstelle von 80 %, bedeutet das über die Lebensdauer nicht unerhebliche Mehrkosten. In Sonderfällen kann jedoch eine Überdimensionierung Sinn machen und den Wirkungsgrad für bestimmte Arbeitspunkte verbessern.

Auch bei Motoren, die permanent unter Volllast laufen, ist ein sanfter Anlauf oder Stopp erwünscht. Häufig setzen dann Betreiber Softstarter ein, die günstiger sind als Frequenzumrichter. Daneben lassen auch sie eine geringe Drehzahlverstellung zu. Allerdings rechnen sich Energiesparstrategien bei Thyristoransteuerungen nur, wenn die Last längere Zeit unter 45 % fällt, was in der Regel bei Anwendungen in der Chemie selten der Fall ist und somit eine realistische Payback-Zeit nicht wahrscheinlich ist. Die Gründe dafür liegen in den relativ hohen Verlusten der Thyristoren, die auch bei Volllast des Motors auftreten. Daher ist meist eine Übergabe der Last an das Netz nach dem Hochfahren des Antriebs wesentlich effektiver, denn typisch liegen die Verluste eines Softstarters im Bypass-Betrieb nur bei wenigen Watt. Zudem erzeugt das permanente Ansteuern hohe Oberschwingungen. Werden Anlagen häufig im Teillastbereich betrieben, kann sich eine Regelstrategie dennoch rechnen. Meistens sind in diesen Fällen aber Umrichter, die Spannung und Frequenz regeln, wirtschaftlicher.

Ein weiterer Nachteil der Softstarter, der sich auch in der Energieeffizienzbetrachtung auswirkt, ist die Absenkung der Motorspannung. Damit sinkt zugleich die Drehzahl, was aufgrund der Schlupfsteuerung eventuell einen Spareffekt im System hervorruft, beispielsweise bei einer Pumpe. Der aus der Spannungsabsenkung resultierende höhere Strom erwärmt jedoch den Motor stärker, was dessen Lebensdauer herabsetzen kann. In diesem Fall empfiehlt sich ein Frequenzumrichter.

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