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Antriebe, Druckluft, Pumpen & Produktionsanlagen

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Kleiner Effizienz-Riese

Text: Dirk Schmitz, Grundfos
Große Motoren weisen von Hause aus gute Wirkungsgrade auf. Umso erstaunlicher ist die Entwicklung eines Kompaktmotors, der bei einer Leistung bis 2,2 kW die Wirkungsgradanforderungen der Super-Premium Efficiency IE4 noch übertrifft. Auch „intelligente“ Regelungstechniken beherrscht der Zwerg, den es zudem als „Renewable“-Variante gibt.

Elektromotoren, die zum Antrieb von Kompressoren, Zentrifugen, Pumpen, Ventilatoren und Linearachsen dienen, sind in Europa inzwischen für rund zwei Drittel des industriellen Stromverbrauchs verantwortlich – sie sind in jeder Anlage ein zentraler Kostenfaktor. Dabei ist der Kaufpreis des Motors die kleinste Position: Gerade einmal 2,5 Prozent der Kosten über die gesamte Lebensdauer entfallen auf den Kauf, 96 Prozent dagegen verschlingt der Stromverbrauch.

Permanentmagnet-Motoren sparen Energie

Die Dominanz der Betriebskosten hat mittlerweile auch Auswirkungen auf das Design der in Industrieanlagen eingesetzten Motoren. Weit verbreitet sind Drehstrom-Asynchronmotoren („Normmotor“). Daneben etablieren sich auch Permanentmagnet-Synchronmaschinen.

Permanentmagnet-Motoren zeichnen sich generell durch einen sehr hohen Motorwirkungsgrad aus: Der Motor benötigt für die Magnetisierung seines Rotors keine zusätzliche Energie – temperaturstabile Hochleistungsmagnete sorgen stattdessen für die permanente Magnetisierung. Durch die hohe Energiedichte des Rotors kann der Kupfer-Stator wesentlich kleiner ausgeführt werden, was die Ressourcen schont.

Permanentmagnet-Motoren verbrauchen aufgrund dieser Besonderheiten bis zu 30 Prozent weniger Antriebsenergie als ein herkömmlicher Asynchronmotor. Darüber hinaus arbeitet der Motor äußerst leise. Eine weitere Besonderheit: Permanentmagnet-Motoren, die als Synchronmaschinen mit einem Frequenz­umformer zusammenarbeiten, büßen gerade im meist beanspruchten Teillastbereich kaum an Wirkungsgrad ein – anders als ältere Asynchronmotoren, die hier oft einbrechen.

Die Anforderungen von IE4 übertroffen

Grundfos nutzt die Permanentmagnet-Motortechnik bei seinem MGE-Motor der 3. Generation, derzeit bis zu einer Leistung von 2,2 kW: Diese Motoren übertreffen sogar zusammen mit dem integrierten Frequenzumformer deutlich die Anforderungen der Energieeffizienzklasse Super Premium Efficiency IE4 (gemäß IEC TS 60034-31 Ed.1).

Die Wirkungsgradforderung der IE4 bezieht sich allein auf den Motor. Der zum Betrieb des Permanentmagnet-Motors zwingend erforderliche Frequenz­umformer – der den Wirkungsgrad des Gesamtantriebs stets etwas mindert – ist bei den IE4-Angaben anderer Motor-Hersteller in aller Regel nicht berücksichtigt.

Obwohl beim MGE-Motor der Frequenzumformer integriert ist und somit zwangsläufig bei Leistungsmessungen mit erfasst wird, liegt bei der Grundfos-Lösung der Wirkungsgrad immer noch über IE4. Als OEM-Maschinen- und Anlagenbauer oder Betreiber ist es deshalb wichtig, die richtigen Wirkungsgrade miteinander zu vergleichen. Wie bisher sind MGE-Motoren mit vorprogrammierten Regelungsarten ausgestattet – beispielsweise ist ein Betrieb unter Konstantdruck möglich, ebenso unter Proportionaldruck. Alternativ hält die Pumpe ein konstantes Niveau oder eine konstante Temperatur.

Diese vordefinierten Regelungs­arten ermöglichen es dem Betreiber, die Pumpe den üblichen Anwendungen ohne Umstände anzupassen. Neu sind dabei Zusatzfunktionen. Dazu gehören das Befüllen einer Rohrleitung unter verringerter Förderleistung ohne Gefahr eines schädlichen Druckstoßes, das Abschätzen des Volumenstroms auf der Basis der Drehzahl und des Energieverbrauchs sowie das Abschätzen der spezifisch benötigten Energie in kWh/m3 auf Basis des Förderstroms.

Motoren in der „Renew­able“-Variante

Der neue MGE-Motor ist zudem als „Renewable“-Version verfügbar: In dieser Ausführung kann der Motor direkt an Solarzellen oder Batterien mit Gleichstrom angeschlossen werden. Der Motor optimiert seine Drehzahl permanent in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Leistung, „Maximum Power Point Tracking“ (MPPT) genannt.

Das bedeutet: Der Motor arbeitet stets an einem Betriebspunkt, bei dem das Produkt aus Strom und Spannung ein Maximum erreicht. Dieser optimale Betriebspunkt hängt von der Bestrahlungsstärke, der Temperatur und dem Typ der Solarzellen ab.

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