Energieeinsparung bei Elektromotoren. Der erzielbare Wirkungsgrad von Motoren steigt mit zunehmender Leistungsgröße.
Zudem hat das gewählte Motorkonzept und die effektive Belastung Einfluss auf den Wirkungsgrad.
Drehstrom- Synchronmotoren mit Permanentmagneten erzielen einen höheren Wirkungsgrad als Drehstrom-Käfigläufermotoren.
Hier wird die Erregerleistung durch die eingebauten Magnete gedeckt und nicht dem Netz entnommen. Vergleich der Wirkungsgrad-Kennlinien A und B Bei der Auswahl der Motoren für die Fördertechnik ist neben der Bemessungsleistung und des Wirkungsgrads im Bemessungspunkt auch der Verlauf der Kennlinie des Wirkungsgrads im Teillastbereich zu beachten. In folgenden Bild wird der Wirkungsgradverlauf für zwei verschiedene Motoren mit einem Wirkungsgrad von 90 Prozent im Bemessungspunkt PM 15 kW mit den Kennlinien A und B verglichen. Bei einem Beispiel mit jährlich 900 Stunden Volllast, 1.800 Stunden Teillast mit 7,5 kW und 3.600 Stunden Teillast mit 3,75 kW ergibt sich beim Kennlinientyp B eine jährliche Einsparung von ca. 4.500 kWh und damit ca. 450 € (bei 0,10 €/kWh). Nach einer freiwilligen Vereinbarungen der EU werden die Wirkungsgrade von 2- und 4-poligen Normmotoren im Bereich von 1,1 bis 90 kW klassifiziert und mit einem eigens entwickelten Logo in Katalogen sowie auf dem Leistungsschild gekennzeichnet.
Verbesserung der Energieeffizienz: Unter dem Gesichtspunkt der Energieeinsparung sollen Antriebsregelungen durch Stromrichter überall dort eingesetzt werden, wo die Last von der Drehzahl abhängt und eine bestimmte Mindest-Jahresbetriebsdauer erreicht wird. Damit wird der Motor thermisch entlastet und seine Lebensdauer verlängert.
Automatisierung mit Steuer- und Regeltechnik ist ein wesentlicher Schlüssel zur Effizienzverbesserung in der Antriebstechnik.
Die Energieeinsparung durch den Einsatz von Stromrichtern kann bei Teillastbetrieb und zusammen mit intelligenter Steuerung 30 – 50 Prozent betragen.
Die Investitionen amortisieren sich aufgrund der gesamten Energieeinsparung meist in kurzen Zeiträumen bis unter einem Jahr.
Minimierung von Leerlaufverlusten Der Energieverbrauch von elektrischen Antrieben bei Volllast errechnet sich aus der Motor-Nennleistung multipliziert mit der Betriebszeit. Bei vielen Anwendungen in der Fördertechnik wechselt der Betrieb zwischen Volllast, Teillast und Leerlauf.
Auch im Leerlauf nimmt der Motor elektrische Energie auf, die sich aufgrund der Leerlaufverluste des Motors bei abgekuppeltem Getriebe der Förderanlage ergeben.
Wenn die Förderanlage eine Abkupplung nicht erlaubt, können sich die Leerlaufverluste der Anlage leicht verdoppeln. Je nach Beschaffenheit und Volumen des Förderguts, Beschickung und Transportgeschwindigkeit wird der elektrische Antrieb zeitweise nur mit einem Teil seiner Bemessungsleistung ausgelastet. Durch Sensorik und Steuerungstechnik können Betriebszustände und Fördergut überwacht werden. Zur Minimierung der Leeerlaufverluste können elektrische Antriebe automatisch abgeschaltet oder über Frequenzumformer in der Drehzahl zurückgefahren werden.
Energieeinsparung durch Drehzahlregelung. In Antriebsaufgaben mit periodischer Beschleunigung und Bremsung liegen große Potenziale zur Energieeinsparung und Vermeidung von Verlusten durch Einsatz eines Frequenzumformers.
Ein Frequenzumrichter erlaubt eine fast verlustfreie Drehzahl und Drehmomentenregelung und kann beim Hochlaufen die Frequenz kontinuierlich mit der Rotordrehzahl steigern.
Die Berücksichtigung eines hohen Anfahrmoments erfordert die Auswahl des Motors mit einer höheren Nennleistung, als wenn die Anwendung nur im stationären Betrieb erfolgen würde. Frequenzumrichter steigern die Leistungsausbeute bei dynamischen Anwendungen.
Mit besonderen Umrichtern kann die Bremsenergie elektrischer Maschinen wieder ins Netz zurückgespeist werden. Energierückspeisung spart elektrische Energie und Kosten für zusätzliche Kühlung. Bei fachgerechter Anwendung kann diese Art der Drehzahlsteuerung zu besserer Prozess-Steuerung, weniger Verschleiß mechanischer Bauteile, geringerem Geräuschpegel und erheblichen Energieeinsparungen führen.
Besondere Aufmerksamkeit verlangt die erforderliche Begrenzung von Oberwellen-Rückwirkungen auf das Netz.
Drehzahlveränderliche Antriebe sollten nicht in Anlagen zur Anwendung kommen, die größtenteils bei voller Last laufen.
Energieeinsparung im Antriebssystem. Der Wirkungsgrad des Antriebssystems hängt von vielen Einflussgrößen ab:
Größe und Auslegung des Motors
relative Auslastung des Motors
relative Frequenz des Motors
Arbeitsprinzip des Umrichters
relative Auslastung des Umrichters
relative Frequenz des Umrichters
Im Vergleich der möglichen Antriebssysteme (z. B. mechanischeVerstellgetriebe, Gleichstrommaschinen ode r Drehstrommotoren mit Frequenzumrichter) ist der Gesamt-Wirkungsgrad entscheidend.
Der Wirkungsgrad des Umrichters beläuft sich üblicherweise auf 90 bis 95 Prozent. Bei Umrichterspeisung vermindert sich der Motor-Wirkungsgrad um bis zu etwa 5 Prozentpunkte. Bei einem Vergleich der Anschaffungskosten zwischen konventioneller Lösung mit polumschaltbarem Motor für zwei Drehzahlen (1:6) und Kombination aus Frequenzumrichter und Motor unter Berücksichtigung der erforderlichen gleichwertigen Steuer- und Schaltgeräte sowie Motorschutz ergeben sich keine nennenswerten Mehrkosten. Wirkungsgrad von Getrieben. In vielen Anwendungsfällen in der Fördertechnik muss eine Drehzahluntersetzung erfolgen. Dies kann mit Zugmittel- oder Zahnradgetrieben erfolgen. Bei der Optimierung des Gesamt-Wirkungsgrads von Förderanlagen darf der Wirkungsgrad von Getrieben nicht vernachlässigt werden. Bei Drehzahlen zwischen 700 bis 3.000 Umdrehungen/min sind Zugmittelgetriebe in der Anschaffung am kostengünstigsten. Empfindlichkeit gegen Schmutz und Feuchtigkeit, ein zu installierender Berührungsschutz sowie Geräuschemissionen und der besondere Wartungsaufwand sprechen gegen diese Form der Kraftübertragung.
Zahnradgetriebe stellen eine Alternative hierzu dar. Bei der Hintereinanderschaltung mehrerer Untersetzungen multiplizieren sich die Wirkungsgrade der einzelnen Stufen zum Gesamt-Wirkungsgrad.
Innerhalb der Zahnrad-Getriebe zeichnen sich Stirnrad- und Kegelradgetriebe durch geringere Verluste gegenüber Schneckengetrieben aus. Schneckengetriebe können auf Grund der Einbaubedingungen erforderlich werden, wenn sich die Antriebsachsen mechanisch bzw. anlagenbedingt kreuzen. Bei sehr hohen Untersetzungen ergeben sich größere Preisvorteile für Schneckengetriebe.
Die Abbildung 1 zeigt die Wirkungsgrade von Stirnradgetrieben im Vergleich zu Schneckengetrieben, bezogen auf ihre Bemessungsleistung. Daraus ergibt sich, dass die Verwendung eines verlustarmen Getriebes noch größere Energieeinsparung als die Verwendung eines Energiespar-Motors ergibt, wenn dazu die konstruktiven Voraussetzungen gegeben sind. Kompakte Antriebe mit Motor, Frequenzumrichter und direkt angebautem Getriebe erlangen aufgrund ihrer Vorteile bei der Montage und Installation immer mehr Bedeutung.
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung. Auswahl von Motoren in Neuanlagen. Die meisten Hersteller bieten listenmäßig Motoren in Normalausführung, d.h. in der eff2-Effizienzklasse an. Motoren der Klasse eff1 kosten ca. 20 bis 25 Prozent mehr. Für die Berechnung der Amortisation