Asynchronmotoren gehört die Welt: Ganze neun von zehn eingesetzten Motoren sind derzeit in Asynchrontechnik ausgeführt. Wo Motoren als Arbeitsmaschine dienen, wie an Pumpen, Lüftern und Kompressoren, dürfte der Anteil vermutlich sogar noch größer sein. Denn hier ist das Wissen um die genau Lage der Läufers, also die Positionierung der Achse, nicht erforderlich. Darauf, dass je nach Belastung des Motors die Drehzahl leicht absinkt, hat sich die Maschinenbaubranche inzwischen eingestellt. Nur dort, wo Motoren als sogenannte Servoantriebe Positionieraufgaben übernehmen, hat sich der Synchronmotor durchgesetzt. Bei diesem ist die Drehzahl über die Belastung stabil. Genauer betrachtet ist aber nicht nur die Drehzahl stabiler, sondern darüber hinaus auch der Wirkungsgrad des Motors. Konventionelle Synchronmotoren benötigen allerdings zur Magnetisierung des Läufers Permanentmagnete mit hoher Leistungsdichte sowie eine Ansteuerelektronik zur Regelung der Drehzahl - den Frequenzumrichter. Für die Mehrheit der Anwendungen in der Prozessindustrie war dieser Antrieb daher lange zu teuer. Doch seit einigen Jahren kann man auf dem Markt Veränderungen beobachten: Da das Regeln der Drehzahl von Motoren im nachgelagerten Prozess bis zu 60Prozent Energieeinsparung bringen kann, werden zunehmend auch die vergleichsweise günstigen Asynchronmotoren mit Frequenzumrichtern ausgestattet, obwohl diese ohne Elektronik am Spannungsnetz anlaufen können. Ein Nachteil des Synchronmotors ist damit also aufgehoben. Je größer die Nennleistung des Motors, desto mehr Magnetwerkstoffe sind jedoch notwendig. In den letzten 15Jahren hat sich der Synchronmotor deshalb im unteren Leistungsbereich durchgesetzt. So findet man heute unterhalb von etwa 4kW kaum noch Heizungsumwälzpumpen mit Asynchronmotor.
Kritischer Faktor Seltene Erden
Die guten Eigenschaften des Permanentmagnet-Synchronmotors sind allerdings nicht ohne weiteres auf den Leistungsbereich bis 45kW übertragbar: Zu groß wird die Menge an hochwertigem Magnetmaterial auf Basis sogenannter Seltener Erden. Problematisch an diesem Werkstoff sind nicht nur seine Verfügbarkeit und die damit einhergehenden Preissteigerungen, sondern auch deren stark umweltbelastende Gewinnung in den Ursprungsländern. Eine wenig bekannte Alternative gewinnt daher an Bedeutung. Die steigende Nachfrage nach hocheffizienten Motoren durch neue Vorschriften zum Mindestwirkungsgrad (Klasse IE2 seit Juni 2011 bzw. IE3 ab Januar 2015/2017), der starke Preisanstieg für Seltene Erden bedingt durch die hohe Nachfrage im Bereich Elektromobilität und Windkraftanlagen sowie der weiter wachsende Bedarf an geregelten Antrieben verhilft einem eigentlich alten Wirkprinzip zur Renaissance: Im März 2012 lief bei KSB die Serienproduktion des Synchronreluktanzmotors Supreme an. Im Unterschied zu konventionellen Synchronmotoren enthält der Antrieb keine Magnetwerkstoffe. Da die neuen Antriebe nicht mehr auf störanfällige Rotorlagesensoren angewiesen sind, sind sie nun genauso robust und zuverlässig wie geregelte Asynchronmotoren. Durch niedrigere Temperaturen im Rotor ist die Lebensdauer ihrer Lager darüber hinaus sogar höher. Ein weiterer Vorteil: Durch ihre zu Asynchronnormmotoren kompatiblen Hauptabmessungen und Befestigungspunkte sind die neuen Synchronreluktanzmotoren des deutschen Pumpenherstellers ohne Mehraufwand überall dort wirtschaftlich einsetzbar, wo heute die eigentlich netzanlauffähigen Asynchronmotoren über Drehzahlregler betrieben werden.
Rotor aus Blech statt teures Kupfer
Der bereits im Jahr 2009 als Prototyp auf der Hannover-Messe präsentierte Antrieb ist mit einem vierpoligen Rotor ausgerüstet. Dieser besteht lediglich aus einem Blechpaket und kommt ohne den Anlaufkäfig der Asynchronmotoren aus teureren Materialien wie Aluminium oder Kupfer aus. Zur Führung der Feldlinien sind seine Rotorbleche mit einem patentierten sogenannten Flusssperrenschnitt versehen. In Kombination mit dem Drehzahlregelsystem Pumpdrive sind Drehzahlen von 0 bis zu 4.200Umdrehungen pro Minute standardmäßig möglich. Der Hauptvorteil liegt jedoch in der Effizienz: Der Wirkungsgrad am Nennpunkt liegt auf dem Effizienzniveau IE4 der IEC/CD 60034-30 Ed.2. Im Gegensatz zu Asynchronmotoren hat der Synchronreluktanzmotor auch dann noch einen guten Wirkungsgrad, wenn er nicht mit voller Leistung läuft. Und genau dieser Betriebszustand kommt in der Realität erfahrungsgemäß sehr häufig vor. Denn viele Antriebe arbeiten während des geregelten Betriebs hauptsächlich mit abgesenkter Drehzahl.
Im Chemiepark spart der Synchronreluktanzmotor schon jetzt Energie
Gutes Beispiele sind auch in der Praxis bereits vorhanden. So treibt bei Infraserv Höchst zur Versorgung mit Betriebswasser ein 18,5-kW-Synchronreluktanzmotor die neue Chemienormpumpe MegaCPK an. Nur im seltenen Spitzenlastfall wird tatsächlich die Maximalfördermenge der Pumpe von rund 28m³/h benötigt. Die motormontierte Drehzahlregelung senkt den Förderstrom meistens auf 3 bis 5m³/h ab. „Damit sinkt natürlich auch die Leistungsaufnahme“, freut sich Ivonne Haferland von Infraserv Höchst. „Bei derart starker Teillast kommt es aber natürlich darauf an, dass der Wirkungsgrad des Motors auch bei abgesenkter Drehzahl gut ist. Genau hier liegt der Unterschied zum Asynchronmotor“, erklärt sie. „Während der Wirkungsgrad eines konventionellen Induktionsmotors bei etwa 5m³/h auf circa 78Prozent abfällt, hat der Supreme-Motor noch mindestens 88Prozent Wirkungsgrad.“ Im Durchschnitt liege die Motoreffizienz 13Prozent über der des Asynchronmotors. „Durch die Drehzahlregelung und den Motor mit stabilem Wirkungsgradverlauf sparen wir in Summe 73Prozent der Pumpenenergie ein“, so Haferland weiter. „Das entspricht einer Einsparung von 68,3 MWh pro Jahr und unterstützt unsere Bemühungen zur Steigerung der Energieeffizienz ideal.“
