Welcher Frequenzumrichter passt zu Ihrem Motor?
Motortechnologie – höchste Effizienz durch optimale Ansteuerung
In den letzten Jahren hat sich bei der Entwicklung der Motortechnologie viel getan. Nicht zuletzt durch gesetzliche Anforderungen an den Mindestwirkungsgrad von Elektromotoren in Anlagen haben sich neben den klassischen Standard-Asynchron- auch Permanentmagnet- und Synchron-Reluktanzmotoren im Markt etabliert. Gerade die letztgenannten Motortypen zeichnen sich durch höchste Energieeffizienz aus – benötigen aber, wenn man von einigen Sonderbauformen absieht – grundsätzlich einen Regler, um sie am dreiphasigen Netz zu betreiben. Dabei gilt es, die Motorparameter immer so optimal einzustellen, damit die Motoren jederzeit im bestmöglichen Betriebspunkt laufen. Die NTT Global Data Centers EMEA GmbH setzt bei den Pumpen auf diese Synchron-Reluktanzmotoren, die eine sehr hohe Energieeffizienz bieten. Gerade in der vorliegenden Anwendung kann der Betreiber von Rechenzentren neben der Kostensenkung durch Umrichterbetrieb eine weitere Kostenreduzierung erreichen.
Gesamtpaket oder optimierte Komponenten?
Einige Motorhersteller bieten ihre Motoren nur in Kombination mit einem eigenen Frequenzumrichter an mit der Begründung, dass diese Kombinationen den bestmöglichen Wirkungsgrad und damit maximale Effizienz bieten. Doch auch individuell zusammengestellte Pakete aus Motor und Frequenzumrichter können mindestens gleichwertige, wenn nicht sogar bessere Effizienzwerte erreichen.
Danfoss bietet beispielsweise als unabhängiger Hersteller von Frequenzumrichtern hochwertige Regelalgorithmen, die mit allen am Markt befindlichen Motoren Spitzenwerte bei der Energieeffizient erreichen. Dabei unterstützt jeder der Danfoss Frequenzumrichter alle am Markt gängigen Motortechnologien.
Maximale Energieeffizienz erfordert optimierte Steueralgorithmen
Prinzipiell lassen sich fast alle Motoren mit einer fest programmierten Kurve antreiben, die die notwendige Spannung für eine Drehzahl bzw. Frequenz vorgibt, die sogenannte U/f-Kennlinie. Allerdings garantieren nur speziell auf die jeweilige Motortechnologie angepasste Regelalgorithmen die Effizienzvorteile der einzelnen Technologien. Denn erst mit diesen Algorithmen lässt sich in jedem Betriebspunkt der Betrieb auch bei wechselnden Lasten optimieren.
Und genau dies ist dann die Herausforderung, wenn nur ein Frequenzumrichtertyp die verschiedenen Motortechnologien für alle Lastfälle, in allen Leistungsbereichen und Arbeitspunkten optimal antreiben soll. Wie lässt sich ein Regelalgorithmus dafür optimieren, welche Informationen benötigt er und nach welchen Strategien soll Spannung und Frequenz für maximale Effizienz des Motors ausgelegt sein? Hier ist das Know-how des Herstellers der Steuerelektronik gefragt.
Stand der Technik zur Kontrolle von Motoren sind heute Vektorregelungen. Die Verfahren berechnen zu jedem Zeitpunkt auf Basis von Strom- und Spannungsvektoren, wie der Motor optimal zu bestromen ist. Je nach Konzept und benötigter Regeldynamik orientieren sich die Regelverfahren, vereinfacht ausgedrückt, am Spannungsverlauf im Stator oder dem Stromverlauf im Rotor. Zusätzlich benötigen die Kontroller eine Regelstrategie, die das Motorverhalten beeinflusst.
Automatische Motoranpassung ist der Schlüssel
Die große Unbekannte beim Betrieb von Motoren sind für den Umrichter die Motordaten. Ausreichend sind für einen sicheren Betrieb, neben der Eingabe des Motortyps, die Typenschilddaten. Sie geben nicht nur Auskunft über die zur Frequenz gehörige Drehzahl, sie geben auch Grenzen vor, die der Anwender im Betrieb beachten muss. So dient beispielsweise der Strom nicht nur zur Bestimmung des Drehmoments. Der Umrichter muss ihn auch begrenzen, um eine Überlastung des Motors zu vermeiden.
Typenschilddaten für Drehstromasynchronmotoren sind vielen Anwendern geläufig und stellen keine Herausforderung bei der Programmierung dar. Schwieriger ist da schon die Handhabung von Typenschilddaten für PM-Motoren. Zum einen sind die Daten und deren Zweck beim Nutzer oft nicht bekannt, zum anderen geben Motorhersteller die Daten teilweise unterschiedlich an.
Für eine wirklich optimale Steuerung des Motors ist die Eingabe der Typenschilddaten in diesem Fall nicht ausreichend.
Der Grund: Jeder Hersteller benutzt unterschiedliches Material, seine Motoren unterliegen Fertigungstoleranzen, erfordern unterschiedliche Magnetisierung und selbst bestimmte Motordaten werden von Herstellern unterschiedlich interpretiert. Dazu kommt noch die Auslegung der Motoren auf unterschiedliche Arbeitspunkte. All dies beeinflusst die sogenannten erweiterten Motordaten, die sich wiederrum auf die Qualität der Motorsteuerung auswirken, haben die Punkte doch Einfluss auf die Strom-/Spannungswerte, die der Motor für einen optimalen Betrieb braucht.
Für einen unabhängigen Herstellern von Antriebstechnik wie Danfoss heißt das in der Praxis, dass er in seinen Geräten genau diese Varianzen ausgleichen bzw. eliminieren muss. Dazu setzt Danfoss auf die Automatische Motor-Anpassung (AMA). Dabei misst der Frequenzumrichter im Stillstand den angeschlossenen Motor aus. Das bereits seit Jahren verfügbare Messverfahren für Drehstromasynchronmotoren wurde jetzt um Strategien für PM- und Synchronreluktanzmotoren erweitert. Das Verfahren misst jeden Motor nach Eingabe einiger grundlegender Typenschilddaten innerhalb von 3 Sekunden aus. So arbeitet der Motor stets höchst energieeffizient und der Anwender spart so Energie und senkt seine Kosten.
Vorteile für den Anwender - ein Frequenzumrichter für alle Technologien
Für den Anwender bietet es große Vorteile, alle Motortypen mit nur einer Plattform antreiben zu können. Denn sonst laufen er und der Bediener in Gefahr, eine sehr heterogene Systemlandschaft einsetzen zu müssen. Was in der Praxis einen erhöhten Schulungsaufwand für Konstrukteure, Bediener sowie Wartungspersonal bedeutet. Und auch die Lagerhaltung für die unterschiedlichen Systeme treibt die Kosten. Es ist daher vorteilhaft, alle Motortypen mit nur einem Frequenzumrichter ansteuern zu können da dies den gerade beschriebenen Mehraufwand deutlich reduziert. Im gesamten Leistungsbereich können Anlagenbetreiber damit auf eine einheitliche Bedienung, gleiche Schnittstellen, gleiche Erweiterungen und bewährte, zuverlässige Technik vertrauen. Die Ersatzteilhaltung in ihren Anlagen vereinfacht sich, ebenso die Wartung, und der Schulungsaufwand sinkt.