Energieeffizienz Synchronreluktanzmotor senkt Energiekosten deutlich

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Energieverluste bei Motoren lassen sich um bis zu 50 % senken, wenn IE2-Motoren durch IE5-Synchronreluktanzmotoren ersetzt werden. Eine Anwendung beim Lebensmittelhersteller Campbell Australia zeigt, was möglich ist.

• Synchronreluktanzmotoren von ABB sind nun auch in Effizienzklasse IE5 erhältlich und können den Energieverbrauch im Vergleich zum Einsatz von klassischen Asynchronmotoren deutlich senken.

• In die Kälteanlage eines Lebensmittelherstellers wurde lediglich ein Antriebssystem mit IE3-Synchronreluktanzmotor eingesetzt. Das konnte die Energiekosten um 14 % senken.

• Außerdem ließen sich der Lärm sowie die Betriebstemperatur verringern und Überlastströme senken.

Das Thema Energieeffizienz rückt weltweit immer stärker in den Vordergrund. Deshalb suchen Hersteller und Betreiber von Industrieanlagen nach neuen Lösungen, mit denen sie ihren Energieverbrauch senken können. Die kostengünstigste Variante besteht häufig darin, hocheffiziente Niederspannungs-Elektromotoren mit einem drehzahlgeregelten Antrieb zu kombinieren. Vor diesem Hintergrund führte ABB im Jahr 2011 seine magnetfreien Synchronreluktanzmotoren (SynRM) ein.

Fallstudien in Industrieanlagen belegen, dass der Energieverbrauch mithilfe des SynRM-Konzepts je nach Anwendung um bis zu 25 % reduziert werden kann. Das war jedoch nur der Anfang, denn einige Industriesegmente fordern bereits eine Energieeffizienz, die über IE4 hinausgeht. Deshalb hat ABB die SynRM-Technologieplattform auf die Ultra-Premium-Energieeffizienzklasse IE5 erweitert. Dank dieser Weiterentwicklung können die Motorverluste um weitere 20 % gesenkt werden. Die IE5-Synchronreluktanzmotoren reduzieren die Energieverluste um bis zu 50 % im Vergleich zu den IE2-Motoren und ermöglichen damit einen weitaus niedrigeren Energieverbrauch als die herkömmlichen Asynchronmotoren. Derzeit sind die IE5-SynRM-Motoren von ABB mit einer Ausgangsleistung von 5,5 bis 315 kW und in den Baugrößen IEC 132-315 erhältlich.

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Keine Rotorverluste durch spezielles Rotordesign

Herkömmliche Asynchronmotoren sind mit einem Käfigläufer ausgestattet, in dessen Stäben der Strom induziert wird. Die Endringe stellen einen Kurzschluss her, wodurch hohe Ströme fließen können. Die dadurch entstehende Erwärmung führt zu Verlusten, die rund 40 % der gesamten Energieverluste des Motors ausmachen können. Beim SynRM-Motor wird hingegen auf einen Käfigläufer verzichtet, sodass es im Rotor keinen Stromfluss gibt – und damit auch keine Rotorverluste. Darüber hinaus enthält der SynRM-Motor keine Magnete oder Werkstoffe mit Seltenen Erden, sodass ein umweltfreundliches Design möglich ist.

Die Funktionsweise des Synchronreluktanzmotors basiert auf einem magnetischen Feld, das vom Stator erzeugt und vom drehzahlgeregelten Antrieb gesteuert wird. Der Rotor richtet sich an den Magnetfeldlinien aus. Der Frequenzumrichter bringt das Statorfeld zum Rotieren, sodass sich der Rotor darum dreht und ein Drehmoment erzeugt. Des Weiteren überwacht er die Position des Rotors, um sicherzustellen, dass dieser kontinuierlich synchron läuft. Aufgrund der Bedeutung drehzahlgeregelter Antriebe sollten IE5-SynRM-Motoren immer als Teil eines kompletten Motor- und Antriebspakets spezifiziert werden.

Da die Energieverluste gering sind, laufen IE5-SynRM-Motoren kühler als Asynchronmotoren. Wird die Temperatur um lediglich 10 °C verringert, kann die Lebensdauer der Wicklungen verdoppelt werden. Eine Senkung der Betriebstemperatur um 15 °C verdoppelt dagegen die Laufzeit der Lagerschmierung. Mit dieser Konstruktion werden auch die Motorengeräusche reduziert, was zu einem angenehmeren Arbeitsumfeld führt. Hinzu kommt, dass der magnetfreie Rotor eine einfache Wartung ermöglicht.

Die IE5-Synchronreluktanzmotoren können in zahlreichen anspruchsvollen Industrieanwendungen eingesetzt werden und erlauben bei jeder Drehzahl eine präzise Steuerung und eine hohe Effizienz, selbst bei Teillasten. Sie eignen sich deshalb sehr gut für den Ersatz von herkömmlichen Asynchronmotoren in Pumpen, Lüftern und Kompressoren sowie für anspruchsvollere Anwendungen wie Strangpressen, Mischaggregate, Winden und Förderanlagen.

Ökodesign

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Campbell Australia startet Energiesparprogramm am Standort Shepparton

Wie stark ein Paket aus Synchronreluktanzmotor und Frequenzumrichter von ABB den Energieverbrauch und die CO₂-Emissionen reduzieren kann, zeigt das Beispiel von Campbell Australia, auch wenn es sich in diesem Fall „nur“ um IE3-SynRM-Motoren handelt. An seinem Standort Shepparton im Bundesstaat Victoria produziert der Lebensmittelhersteller seit fast 60 Jahren Suppen, Brühen und Fertigmahlzeiten für australische Haushalte. Das Unternehmen engagiert sich zudem tatkräftig für Nachhaltigkeit und will den Energieverbrauch am Standort bis zum Jahr 2025 um 20 % senken.

Im Rahmen eines Energiesparprogramms in Shepparton machte der ABB-Partner A1 Electric Motors das Unternehmen auf ein Paket aus Synchronreluktanzmotor und Frequenzumrichter aufmerksam. Es konnte festgestellt werden, dass die SynRM-Technologie von ABB erheblich zur Verwirklichung des ehrgeizigen Nachhaltigkeitsziels des Werks beitragen könnte. Aus einer Kosten-Nutzen-Analyse gingen detailliert die Einsparungen beim Projektmanagement und den Investitionskosten sowie die erwartete Amortisationszeit im Zusammenhang mit der Installation der SynRM-Technologie hervor. Nach einer Bewertung der Kälteanlage wurde beschlossen, zur Validierung der geschätzten Energieeinsparungen einen SynRM-Motor von ABB einzubauen. Das Erstprojekt umfasste einen effizienten IE3-Synchronreluktanzmotor mit 72 kW, einschließlich der mechanischen und elektrischen Installation.

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Energiekosten gesenkt und Lärm gemindert

Die Kälteanlage in Shepparton ist rund um die Uhr in Betrieb. Unter diesen Bedingungen lässt sich der Energieverbrauch mit SynRM-Technologie besonders stark senken. Über einen Zeitraum von zwölf Monaten wurden regelmäßig Analysen durchgeführt. „Die Energiekosten sanken nachweislich um 14 %, während ich mit einer Reduktion um etwa 6 bis 7 % gerechnet hatte“, sagt Mark Hyland, Environmental and Safety Manager bei Campbell Australia. Insgesamt wurden Energiekosten in Höhe von fast 15.000 Australischen Dollar (etwa 9160 Euro) jährlich eingespart und zusätzlich CO₂-Emissionen im Umfang von etwa 131 t pro Jahr vermieden (Auf Grundlage des Emissionsfaktors für Strom in Victoria von 1,16 kg CO₂e/kWh, Quelle: National Greenhouse Accounts Factor, Juli 2018).

Neben dem niedrigeren Energieverbrauch brachte die Maßnahme weitere Vorteile mit sich, wie eine erhebliche Lärmminderung, eine geringere Betriebstemperatur, einen sanfteren Maschinenlauf und reduzierte Vibrationen. „Die Einsparungen und die hohe Leistung waren sofort erkennbar und bei der Inbetriebnahme sanken die Überlastströme von 125 auf 110 A“, so Hyland.

Der Erfolg des Projekts veranlasste Campbell, am Standort Shepparton einen zweiten Kältemittelverdichter mit einem 55-kW-Synchronreluktanzmotor und einem ACS580-Frequenzumrichter nachzurüsten. Zwei weitere Verdichter folgten, sodass insgesamt vier Kältemittelverdichter mit der SynRM-Technologie von ABB ausgestattet wurden. Mark Hyland: „Nach dem erfolgreichen Pilotprojekt war für uns klar, dass wir weitere Synchronreluktanzmotoren einbauen würden. Denn die Energiepreise steigen, wir können unser Nachhaltigkeitsziel leichter erfüllen und eine zentrale Komponente unserer Infrastruktur arbeitet jetzt absolut zuverlässig.“

* Ralf Peschel ist Product Marketing Manager IEC Low Voltage Motors bei der ABB Automation Products GmbH, Ladenburg.

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