Energieeffizienz bei Asynchronmotoren mit Frequenzumrichter und ohne

Effizienz des Frequenzumrichters

Energieeffizienz bei Asynchronmotoren mit Frequenzumrichter und ohne

Aufgrund gesetzlicher Vorgaben steigen die Anforderungen an die Energieeffizienz von Drehstrommotoren in den letzten Jahren kontinuierlich an. 

Synchron- und Asynchronmotoren unterscheiden sich in der Arbeitsweise des Rotors. Bei einem Asynchronmotor, auch Drehstrommotor genannt, folgt der Rotor dem Stator Drehfeld zeitverzögert, also asynchron. Es entsteht hier ein sogenannter Schlupf, die Drehzahl ist etwas geringer als die berechnete Drehzahl aus Netzfrequenz und Anzahl Poolpaare. Asynchronmotoren werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, z. B. Werkzeugmaschinen, Pumpen, Elektrofahrzeugen und Lüftern. Beim Synchronmotor folgt der Rotor der vorgegebenen Frequenz und dem magnetischen Drehfeld im Stator synchron. Dies wird durch den Einsatz von Permanentmagneten (Selbsterregung, z. B. magnetisierter Ferrit-Zylinder als Läufer) oder elektromagnetische Fremderregung (mit Feldspule auf dem Läufer, Stromzufuhr über Schleifringe) im Läufer erzeugt. Ein Vorteil von Synchronmotoren ist die konstante Betriebsfrequenz, wodurch sie sich gut für Anwendungen eignen, bei denen eine stabile Drehzahl notwendig ist. Synchronmotoren werden als Antrieb für Fahrzeuge, Züge, Schiffe und in industriellen Anwendungen genutzt.

Ein Frequenzumrichter ist ein Gerät, das die Drehzahl eines Drehstrommotors regulierbar machen kann. Dieser sorgt für den Antrieb eines Elektromotors, indem er Frequenz und Spannung variiert. Der Umrichter wird einem Motor vorgeschaltet, um eine veränderbare Wechselspannung zu erzeugen. Wird ein Motor direkt ans Netz angeschlossen, ergibt sich die Drehzahl aus der Netzfrequenz. Wird der Motor über einen Frequenzumrichter angeschlossen, so kann über die Änderung der Ausgangsfrequenz die Drehzahl des Motors verändert werden. Zusätzlich kann unter anderem auch der Anlaufstrom geregelt und Beschleunigungs- oder Verzögerungsrampen umgesetzt werden.

Für die Anpassung der Drehzahl sprechen einige Gründe, wie beispielsweise die Einsparung von Energie und Verbesserung der Energieeffizienz von verschiedenen Systemen. Die Drehzahlregelung für die Anpassung an bestimmte Prozessanforderungen sowie die mechanische Belastung einer Maschine zu reduzieren, um deren Lebensdauer zu verlängern.

Einer der Hauptvorteile von Frequenzumrichtern ist, dass dieser die Leistung des anzutreibenden Geräts entsprechend an den Energiebedarf anpassen kann, und unterstützt damit beim Energiesparen und den Energieverbrauch zu reduzieren. Frequenzumrichter werden häufig bei der Steuerung von Pumpen, Verdichtern und Lüftern eingesetzt.

Ob ein Motor mit oder ohne Frequenzumrichter effizienter ist, hängt ganz vom Anwendungsfall ab. Im Betrieb folgt die Motordrehzahl des Asynchronmotors der Versorgungsfrequenz. Unter starker Belastung fällt die Drehzahl des Motors jedoch ab. Das angelegte Drehfeld bleibt zwar konstant, woraus sich jedoch eine Verschlechterung des Wirkungsgrades ergibt. Beim Anfahren eines Motors ist das Drehmomentverhalten nicht optimal und es entstehen extreme Stromspitzen. Die Drehzahl und das Drehmoment lassen sich nicht kontinuierlich den Gegebenheiten anpassen. Ein Frequenzumrichter erzeugt aus der angelegten Wechsel- oder Drehspannung zunächst eine Gleichspannung und wandelt diese dann wieder mit einer beliebigen Frequenz in Wechsel- oder Drehstrom zurück. Dadurch ist der Anwender in der Lage, einen Antrieb von 0 bis zur Nenndrehzahl stufenlos zu regeln und den tatsächlichen Anforderungen anzupassen. In den folgenden Anwendungsbeispielen lassen sich deutliche Kosteneinsparungen erreichen:

• Bedarfsgesteuerte Pumpen
• Förderanlagen mit variabler Liefermenge
• Lastabhängige Kompressoren oder Lüftersteuerungen, die den Verunreinigungsgrad berücksichtigen

je nach Anwendung, können Energiekosten eines Motors durch einen Wechsel auf einen Frequenzumrichter halbiert werden. Dies hängt ganz vom Anwendungsfall ab. Bei Pumpen und Lüftern ist der Einsatz davon meistens die bessere Entscheidung, da durch die Drosselsteuerung bei einigen Anwendungen hohe Energieverluste entstehen. Konstant drehende Antriebe stellen immer die maximal benötigte Fördermenge bereit. Der tatsächliche Bedarf wird über Ventile geregelt und nicht benötigte Energie geht verloren. Mit einem Frequenzumrichter kann die Motordrehzahl an die Fördermenge, die tatsächlich benötigt wird, angepasst werden. Durch den drehzahlvariablen Betrieb kann eine Energieeinsparung von 50 % erreicht werden.