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Synchron-Reluktanzmotoren erreichen Effizienzklasse IE4

Text: Prof. Peter F. Brosch, Hochschule Hannover Fotos: KSB, AEG, Prof. Brosch
Die schon fast vergessene Technologie der Reluktanzmotoren tritt wieder in das Bewusstsein der Ingenieure. Mit Frequenzumrichtern und verbesserten Rotorblechen schaffen sie den Weg in die höchste Effizienzklasse.

Steigende Energie- und Werkstoffkosten lassen Antriebsingenieure nach neuen Lösungen für Antriebssysteme mit hohen Wirkungsgraden suchen. Fündig werden sie bei einem bis dato als Nischenlösung gehandelten Motor: dem sogenannten Reluktanzmotor. In den bisherigen Ausführungen hatte er den Makel, dass sowohl der Wirkungsgrad als auch der Leistungsfaktor sehr schlecht waren.

Erst jetzt macht das Überarbeiten des Rotordesigns durch Optimieren der Flusswege und Flusssperren aus dem "hässlichen Entlein" einen "stolzen Schwan" mit Effizienzklasse IE4 - zusammen mit dem speisenden Frequenz-umrichter ein idealer Antrieb für drehzahlveränderbare Aggregate.

Wirkungsweise des Reluktanzmotors

Der Reluktanzmotor ist ein Drehstrommotor mit einer verteilten Drehstromwicklung im Stator und einem wicklungs-losen, jedoch geblechten Rotor. Die Rotorbleche sind anisotrop aufgebaut, sodass für den magnetischen Fluss einerseits besondere Führungsstege und andererseits ausgeklügelte Flusssperren in der Blechkontur gestaltet sind, wie in der Abbildung auf Seite 199 links zu sehen. Dadurch sind die Flüsse in den magnetischen Achsen d und q unterschiedlich. Die Folge sind verschiedene Induktivitäten Ldin der d-Achse der Pole und Lqin der q-Achse in Richtung der Lücke.

Der Rotor stellt sich mit seinen Polen in Richtung des Rotor-Magnetfeldes ein. Dreht man die Pole aus dieser Lage herausgedreht, wirkt ein rückstellendes Drehmoment auf den Rotor. Dieses Reluktanzmoment hängt von der Differenz der Induktivitäten in der d- und q-Achse ab. Ausgeführte Motoren haben Verhältnisse von Ld/Lqvon etwa vier. Da in den Lücken der Rotorbleche quasi Eisenblech "fehlt", ist der Magnetisierungs-strombedarf etwas höher als im Vergleich dazu bei einem symmetrischen Rotor eines Asynchronmotors mit gleichem Rotordurchmesser.

Im stationären Betrieb durchsetzt die gegenseitig isolierten Rotorbleche ein Gleichfluss. Prinzipiell entstehen folglich in den Rotorblechen keine Verluste - abgesehen von den sehr geringen Wechselflussverlusten in den Zähnen nahe des Luft-spalts.

Die Abbildung auf Seite 199 rechts zeigt zum Vergleich zu der Neukonstruktion einen Standard-Rotor eines Reluktanzmotors mit eingefrästen Nuten im Rotor, die anschließend mit Aluminium ausgespritzt wurden. Durch diesen Kurzschluss-käfig ist ein Selbstanlauf des Motors direkt am 50-Hz-Netz möglich. Während beim neuen wicklungslosen Rotor nahezu keine Verluste entstehen, erzeugen Oberfelder in dem Rotor alter Bauart Verluste, die zu einem wesentlich schlechteren Wirkungsgrad führen. Auch der Magnetisierungsstrombedarf eines Motors mit solch einem Rotor ist erheblich höher [1].

Drehzahlvariabler Betrieb

Der beschriebene Synchron-Reluktanzmotor mit einem Rotor nach Abbildung oben links ist nicht für den direkten Betrieb am 50-Hz-Netz mit Selbstanlauf geeignet. Er ist für einen drehzahlveränderbaren Betrieb an einem Frequenzumrichter mit Spannungszwischenkreis (U-Umrichter) vorgesehen. Dabei läuft er nach der Synchronisation immer synchron zu dem mit der Speisefrequenz f im Luftspalt umlaufenden Drehfeld. Daher die Bezeichnung Synchron-Reluktanzmotor. Dieser unterscheidet sich in Aufbau und Betrieb stark vom geschalteten Reluktanzmotor und sollte nicht verwechselt werden.

Beim Einschalten des Motors über den angepassten speisenden Frequenzumrichter stellt sich der Rotor in die d-Feldachse ein und behält diese relative Position im Betrieb bei. Das vom Frequenzumrichter erzeugte umlaufende Drehfeld nimmt den Rotor - quasi an Gummifäden - mit. Nur bei Dreh-moment-überlastung fällt der Rotor außer Tritt.

Im Normal-betrieb ist die Drehzahl n des Rotors der Speisefrequenz f proportional. Der sich einstellende Polradwinkel hängt von der Belastung des Rotors ab. Das Kippmoment wird bei einem Rotorlastwinkel von Betrag Delta = 45° (elektrischer Winkel) erreicht. So lässt sich bei Betrieb mit einem Frequenzumrichter der ganze Drehzahlbereich von null bis in den Feldstellbereich hinein überstreichen.

Stromortskurve und feldorientierte Regelung

Die Stromortskurve zeigt alle bereits angesprochenen Eigen-schaften und kann aus der Spannungsgleichung des Stators des Synchron-Reluktanzmotors abgeleitet werden. Es ergibt sich ein relativ großer Magnetisierungsstrom. Bei Belastung des Motors stellt sich ein relativ großer Laststrom mit einem relativ schlechten Cos Phi ein - im Vergleich des Leistungsfaktors mit einem äquivalenten Asynchronmotor. Während der speisende Frequenzumrichter den Motorstrom aufbringen muss, wird der relativ große Magnetisierungsanteil intern vom Kondensator des Zwischenkreises geliefert. Der Netzstrom des Umrichters ist vom erhöhten Blindstrom nicht betroffen, jedoch belastet der Blindstrom die elektronischen Schalter des Wechselrichters im Frequenzumrichter.

Im Betrieb mit feldorientierter Regelung muss der Regelung des Frequenzumrichters die Lage der Rotorpole bekannt sein. Da Rotorlagegeber die Kosten und den Platzbedarf vergrößern, wird ein drehgeberloses Regelverfahren im Frequenz-umrichter vorgezogen, das auch ohne zusätzliche Signalleitungen zwischen Motor und Frequenzumrichter auskommt. Die Rotorlage für die Regelung kann dazu ausreichend genug über das Auswerten der Ströme bestimmt werden. Bei höheren Drehzahlen übernimmt dann die Spannungsauswertung die Lageerfassung. Durch eine geeignete Hysterese beim Umschalten erfolgt der Übergang von einem Verfahren zum anderen glatt sowohl beim Hochlauf als auch beim Bremslauf. Mit Standardumrichtern ist allerdings kein optimaler Betrieb möglich.

Motoren im Vergleichstest

Motoren mit unterschiedlicher Leistung wurden untersucht. Dabei lag das Hauptaugenmerk auf der Ermittlung des Wirkungsgrades. Dazu wurden die elektrischen Leistungen mit einem Analysator in einer Dreileistungsmesserschaltung ermittelt. Die abgegebene mechanische Leistung wurde aus den Messwerten an der Welle errechnet. Die direkte Ermittlung des Wirkungsgrades aus diesen Werten ist noch zulässig und somit aussagekräftig. Als Bremse wurde eine Gleichstrom-Pendelmaschine eingesetzt.

Das Wirkungsgrad-Kennfeld zeigte dabei einen langen Teillastbereich mit hohem Wirkungsgrad bei variabler Drehzahl auf, wie er für den Betrieb von Zentrifugal-Pumpen und Zentrifugal-Lüftern interessant ist.

Selten laufen Pumpen und Lüfter konstant mit einer Drehzahl. Der Wirkungsgradvergleich mit einem Standard-IE3-Motor verdeutlicht den Wirkungsgradgewinn gegenüber dieser Antriebsvariante, der sich besonders bei hohen Betriebsstundenzahlen des Aggregats immer positiver bemerkbar macht [2, 3]. Bei anderen Leistungen ergaben sich ähnliche Verhältnisse.

Energie- und rohstoffsparender Motor

Drehzahlvariable Antriebe mit Synchron-Reluktanzmotoren bringen Energieeinsparungen besonders auch im Teillastbereich. Bei Zentrifugalpumpen- und Lüfterantrieben amortisieren sich die Mehrkosten in wenigen Monaten.

Da diese Motoren im Rotor weder Kupfer oder Aluminium benötigen, aber auch kein kostentreibendes Magnetmaterial brauchen, sparen sie nicht nur Energie bei der Wandlung, sondern auch diese teuren Rohstoffe bei der Fertigung.

Literaturhinweise

[1] Brosch, Peter F.: Moderne Stromrichterantriebe, Vogel Verlag Würzburg, 5. Auflage 2008

[2] http://fluidfuture.ksb.com

[3] Lendenmann, H. et al.: Motoren mit Zukunft, ABB Technik, 1/11, S. 56-61

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