Experten bewerten Motorkonzepte für Pumpen und Kompressoren

Hartmann (Kaeser Kompressoren): Es ist nicht richtig, dass moderne Asynchronmotoren mit Wirkungsgradklasse IE4 eine mangelnde Energieeffizienz haben. Hier werden Wirkungsgrade erzielt, die im Maximalpunkt nahe bei Synchronmotoren liegen. Im Vergleich zu Synchronmotoren muss man darüber hinaus beachten, dass Synchronmotoren nur an einem Frequenzumrichter betrieben werden und im Frequenzumrichter durch Wärmeverluste auch Wirkungsgradverluste von 3 bis 6 % (je nach Qualität des Frequenzumrichters) auftreten. Dies muss man natürlich bei einem Vergleich der Systeme beachten. Demzufolge wird es hier zukünftig eine Änderung geben. Um einen korrekten Vergleich zu haben, wird es zukünftig entsprechend der Norm EN50598 für Antriebe, die am Frequenzumrichter betrieben werden, einen sogenannten System-Wirkungsgrad geben: IES Power Drives System Efficiency. Hier wird dann die gesamte Verlustleistung des Antriebssystems mit berücksichtigt. Natürlich ist richtig, dass geregelte Synchronmotoren, insbesondere im Teillastbereich, durch die Frequenzregelung gegenüber am Netz betriebenen Asynchronmotoren, Vorteile haben. Dieser Vorteil kann jedoch nur dann genutzt werden, wenn ein Kompressor sehr viel im Teillastbetrieb läuft.

Pauly (KSB): Bei vielen Pumpenanwendungen sind geregelte Synchronmaschinen heute Stand der Technik. Moderne und preiswerte Frequenzumrichter ermöglichen es, die Motorenleistung dem tatsächlichen Bedarf anzupassen. Allerdings ist der Einsatz von Synchronmaschinen mit Permanentmagneten auf kleine Leistungen begrenzt.

Terörde (HS Osnabrück, IMT): Beim Betrieb der Asynchronmaschine fließen in den Aluminium- bzw. Kupferstäben des Rotors Ströme. Dadurch ergeben sich Stromwärmeverluste. Durch den sogenannten Schlupf einer Asynchronmaschine entstehen zusätzlich noch Eisenverluste (Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste) im Rotor. Im Rotor einer Synchronmaschine entstehen dagegen quasi überhaupt keine Verluste. Insbesondere für Anwendungen mit hohen Leistungen und Drehzahlen, wie zum Beispiel Turbokompressoren, ist die Synchronmaschine zurzeit die bessere Alternative.

elektro AUTOMATION: Synchronmotoren benötigen Magnete (Stichwort Seltene Erden). Daher sind sie ab 10 kW Leistung unwirtschaftlich. Sind Hybridformen aus Reluktanz- und PM-Synchronmaschine eine möglicher Weg, die Vorteile beider Motorprinzipien zu vereinen?

Bacht (Atlas Copco Kompressoren): Wir setzten ölgekühlte Synchronmotoren mit integrierten Permanentmagneten (iPM) bis zu einer Leistung von 110 kW ein. Den Hauptvorteil sehen wir in der guten Regelbarkeit, der sehr hohen Effizienz und dem hohen Startmoment. Letzteres ermöglichst es uns, auch gegen Druck anzufahren und unnötige Druckluftverluste zu vermeiden. Für Hybridformen sehen wir derzeit keine Notwendigkeit.

Hartmann (Kaeser Kompressoren): Permanent-erregte Synchronmotoren haben Rotoren aus Eisen und Seltene-Erden-Magnetmaterial. Demzufolge hat man hier eine hohe Abhängigkeit vom Marktpreisniveau der Seltenen Erden und natürlich das Risiko der Beschaffung. Es lassen sich Rotoren nur mit einem Spezialwerkzeug ausbauen aufgrund der Magnetkräfte und die Antriebe sind empfindlich gegen Übertemperaturen; dadurch entsteht die Gefahr der Endmagnetisierung der Magnete. Die bereits verfügbare Alternative sind Synchron-Reluktanz-Motoren. Diese haben kein Aluminium, Kupfer oder Seltene-Erden-Magnetmaterial im Läufer verbaut, sondern der Läufer besteht aus profilierten Blechen. Dies macht diesen Antrieb robust und servicefreundlich, wie man es von Asynchronmaschinen her kennt. Dagegen sind die Regeleigenschaften eines solchen Antriebs mit denen von Synchronmotoren absolut vergleichbar. Die Firma Kaeser setzt Synchron-Reluktanz-Motoren in seinen Schraubenkompressoren im Bereich 18,5 bis 90 kW bereits ein und erzielt hiermit im Teillastbereich eine Wirkungsgradverbesserung von bis zu 10 % gegenüber geregelten Anlagen mit Asynchronmotoren. Dadurch hat Kaeser eine Top-Eingruppierung mit IES2 in der Energieeffizienznorm EN 50598.

Pauly (KSB): Theoretisch wäre der LSPM-Motor (Line Start Permanent Magnet) eine technisch interessante Lösung. Allerdings stehen diese Antriebe heute nur mit kleinen Leistungen zur Verfügung. Sie bieten im Vergleich zu anderen Motorenbauarten noch keine wirtschaftlichen Vorteile.

Terörde (HS Osnabrück, IMT): Dem muss ich leider widersprechen: Eine hohe Effizienz wird insbesondere bei mittleren bis hohen Leistungen interessant. Bei niedrigen Leistungen sind häufig die geringeren Investitionskosten ausschlaggebend, da die absolute Energieeinsparung hier deutlich geringer ist. Hybridformen aus Reluktanz- und Synchronmaschinen werden häufig mit etwas günstigeren Magneten (i.e. Ferrite) ausgestattet und nutzen zusätzlich zur Kraftwirkung der Magneten die Reluktanzkraft, das heißt die anziehende Kraftwirkung von Magnetfeldern auf Eisen. Diese Kraftwirkung kann allerdings auch bei den meisten PM-Synchronmaschinen aufgrund von Rotor-Unsymmetrien genutzt werden. Durch Nutzung der Reluktanzkraft lassen sich die Verluste nochmal deutlich reduzieren.

elektro AUTOMATION: Eine dritte Variante um Pumpen und Kompressoren anzutreiben sind Synchron-Reluktanzmotoren. Welche Vor- beziehungsweise Nachteile weist dieses Motorkonzept in diesem Zusammenhang auf?

Bacht (Atlas Copco Kompressoren): Der Synchron-Reluktanzmotor ist zwar einfach aufgebaut, ist jedoch aufgrund seiner Drehmomentkennlinie als Kompressorantrieb nicht so gut geeignet wie der Permanentmagnetmotor. Der PM-Motor hat unter anderem Vorteile bei Leistungsdichte, Leistungsfaktor und Wirkungsgrad. Außerdem kann er bei der maximalen Drehzahl punkten und bietet ein konstantes Drehmoment über den gesamten Drehzahlbereich. Lediglich bei den Kosten für die Magnete sowie im Aufbau und Service liegt der Synchron-Reluktanz-Motor vorn.

Hartmann (Kaeser Kompressoren): Wie bereits im vorhergehenden Punkt angegeben, setzt die Firma Kaeser Synchron-Reluktanz-Motoren in seinen Schraubenkompressorenbereich 18,5 bis 90 kW bereits erfolgreich ein. Durch ein gemeinsames Entwicklungsprojekt mit der Firma Siemens wurden dabei die Synchron-Reluktanz-Motoren für den Kompressorbetrieb ertüchtigt, sei es hinsichtlich der Drehmomentkennlinie oder der mechanischen Standfestigkeit für Drehzahlen bis 4000/min. Wir können deshalb mit Gewissheit sagen, dass es im Kompressorbetrieb keinerlei Nachteile des Synchron-Reluktanz-Motors gibt. Die Vorteile habe ich der vorgehenden Frage ausführlich erläutert.

Pauly (KSB): Diese Motoren haben sicherlich als Pumpenantrieb das größte Potenzial. Sie sind ähnlich simpel aufgebaut wie Asynchronmotoren, brauchen keine seltenen Erden und haben auch im Teillastbetrieb noch einen guten Wirkungsgrad. Ein Nachteil ist, dass sie nicht netzstartfähig sind, was aber in der Praxis kein Problem darstellt, da viele Pumpenantriebsysteme ohnehin mit einem Frequenzumrichter arbeiten.

Terörde (HS Osnabrück, IMT): Synchron-Reluktanzmotoren sind im Vergleich zu PM-Synchronmaschinen einfacher im Aufbau und kostengünstiger. Da der Rotor nicht magnetisch ist, lassen sich Reluktanzmotoren leichter demontieren, um z.B. Lager zu wechseln. Nachteile dieser Motorform sind die geringere Leistungsdichte sowie die etwas geringere Energieeffizienz, wenn bei der PM-Synchronmaschine auch die Reluktanzkraft genutzt wird. Darüber hinaus ist die maximale Drehzahl geringer, was insbesondere für Turbo-Anwendungen wichtig ist.

elektro AUTOMATION: Würde eine weitere Verschärfung der Mindestwirkungsgradanforderungen in Richtung IE4 oder IE5, wie sie die IEC 60034–30 Ed. 2 andeutet, nicht zu einem technologischen Wandel hin zu Synchronmotoren beziehungsweise Synchron-Reluktanzmotoren führen?

Bacht (Atlas Copco Kompressoren): Der technologische Wandel findet zurzeit ohnehin aufgrund der höheren Effizienzanforderungen durch den Markt statt. Die Steigerung des Wirkungsgrades auf dem Weg in die jeweils nächsthöhere Klasse wird immer geringer. Die Effizienzsteigerung von IE4 nach IE5 wird nur dann kommen, wenn die Anforderungen mit Drehstrom-Asynchronmotoren erfüllt werden können.

Hartmann (Kaeser Kompressoren): Wie bereits angegeben, setzt die Firma Kaeser bei am Netz betriebenen Asynchronmotoren bereits Motoren mit Wirkungsgradklasse IE4 ein, obwohl aktuell erst IE3 vom Gesetzgeber verpflichtend ist. Ab wann tatsächlich IE4 in Kraft tritt, ist aktuell noch nicht abzusehen. Des Weiteren haben Asynchronmotoren mit Wirkungsgradklasse IE4 bereits eine so hohe Effizienz, dass sehr viel größere Verbesserungen nicht mehr möglich scheinen. Im Bereich von Kompressoren wird deshalb für Maschinen, die im Grundlastbetrieb arbeiten, mittelfristig weiterhin der Asynchronmotor mit Wirkungsgradklasse IE4 das Maximum an Effizienz darstellen. Parallel dazu, wo geregelte Kompressoren Sinn machen, wird es im Bereich bis etwa 90/110 kW sicherlich den Wandel hin zu Synchron-Reluktanz-Motoren geben.

Pauly (KSB): Ja, dem ist so! Diesen Wandel haben wir schon vollzogen. Unsere IE4- und IE-5-Motoren arbeiten alle nach den Synchron-Reluktanzprinzip.

Terörde (HS Osnabrück, IMT): Es wird häufig unterschlagen, dass Asynchronmotoren im Leerlauf bis etwa 1/3 der Nennlast die geringsten Verluste haben. Voraussetzung hierfür ist allerdings eine intelligente Ansteuerung. Bei Pumpen und Kompressoren ist der Betrieb mit Teillast allerdings eher die Ausnahme, sodass hier die Synchronmaschinen aufgrund der Energieeffizienz deutliche Vorteile haben. Ich gehe aber davon aus, dass auch in Zukunft alle Varianten aufgrund unterschiedlicher Anwendungen ihre Berechtigung haben. Bei Anwendungen mit konstanter Drehzahl und Last ist zum Beispiel eine Asynchronmaschine direkt angeschlossen an das Netz die erste Wahl, da hier die Verluste eines Frequenzumrichters wegfallen. Sobald die Anwendung unterschiedliche Drehzahlen erfordert bzw. Lasten vorgibt, ist dieses Konzept allerdings wieder unwirtschaftlich.

elektro AUTOMATION: Welche Möglichkeiten bieten beispielsweise integrierte Antriebe aus Motor, Frequenzumrichter und einem Mikrorechner zur Steuerung und Regelung als alternatives Motorkonzept für Pumpen und Kompressoren?

Bacht (Atlas Copco Kompressoren): Integrierte Antriebe aus Motor, Frequenzumrichter und einem Mikrorechner werden insbesondere bei kleineren Leistungen in Zukunft häufiger anzutreffen sein.

Hartmann (Kaeser Kompressoren): Integrierte Antriebe aus Motor und Frequenzumrichter mit einem PC als Steuerung ist bei Kompressoren der Firma Kaeser schon lange gang und gäbe mit dem Steuerungskonzept Sigma Control 2.

Pauly (KSB): Eine solche Kombination bieten wir seit über 20 Jahren für den Regelbetrieb an. Mit unserer neusten Antriebsvariante, dem KSB-MyFlow, stellen wir unseren Kunden zum ersten Mal einen Antrieb für Festdrehzahl-Anwendungen zur Verfügung, bei dem die Förderhöhe und Fördermenge nicht mehr durch eine mechanische Anpassung des Laufraddurchmessers, sondern über ein sogenanntes virtuelles „Impeller Trimming“ eingestellt werden kann.

Terörde (HS Osnabrück, IMT): Leider werden in der heutigen Zeit immer noch die Wirkungsgrade von Frequenzumrichter und Motor häufig separat betrachtet. Durch eine Abstimmung zwischen Motor und Frequenzumrichter lassen sich die Gesamtverluste des Antriebes deutlich reduzieren. Der zweite wichtige Punkt ist eine intelligente Regelung, wie die Ausnutzung der Reluktanzkräfte oder die Feldschwächung, um Eisenverluste zu reduzieren. Eine Reduzierung der Gesamtverluste um 10 bis 20 % ist hierbei ohne weiteres möglich. (Der Wirkungsgrad steigt hierbei allerdings nur um ca. 1 %, z.B. von 89 % auf 90 %). In Zukunft wird eine intelligente Regelung immer wichtiger, wobei auch der gesamte Prozess berücksichtigt werden sollte (Stichwort Industrie 4.0).

elektro AUTOMATION: Welche Rolle spielt der Ex-Schutz bei Motorkonzepten für Pumpen und Kompressoren?

Bacht (Atlas Copco Kompressoren): Für Kompressoren spielt der Ex-Schutz nur eine untergeordnete Rolle. Da Druckluft per se die Ex-Schutz-Anforderungen erfüllt, sind die Anwender bestrebt, die Drucklufterzeugung außerhalb des ex-geschützten Bereichs zu platzieren und die Druckluft in die gefährdeten Bereiche zu transportieren. Eine isolierte Betrachtung des Antriebsmotors in Hinblick auf den Ex-Schutz ist ohnehin nicht zielführend, da die gesamte Maschine einschließlich Schaltschrank, Sensoren, Nebenantrieben usw. die Anforderungen an den Ex-Schutz erfüllen muss.

Hartmann (Kaeser Kompressoren): Ex-Schutz spielt bei Kompressoren keine große Rolle.

Pauly (KSB): Die meisten Ex-Schutz-Motoren arbeiten nach dem Asynchronprinzip. Gemessen an ihren Stückzahlen spielen sie als Pumpenantrieb bei KSB eine untergeordnete Rolle. Der wirtschaftliche Aufwand, den man betreiben müsste, um die Leistungselektronik von Synchron-Reluktanzmotoren an den Ex-Schutz anzupassen, steht in keiner Relation zu den möglichen Einsparpotenzialen.

Terörde (HS Osnabrück, IMT): Ex-Schutz bei Motoren ist insbesondere in explosiven Umgebungen von Nöten , wie bei der Förderung/Verdichtung von Flüssigerdgas. Der Ex-Schutz lässt sich aber prinzipiell bei allen genannten Motor-Typen realisieren. Der Ex-Schutz des Frequenzumrichters ist deutlich aufwendiger.

Details zu Pumpen und Kompressoren hier.pro/w4r62

„Integrierte Antriebe aus Motor, Frequenzumrichter und einem Mikrorechner werden insbesondere bei kleineren Leistungen in Zukunft häufiger anzutreffen sein.“

„Im Bereich von Kompressoren wird für Kompressoren, die im Grundlastbetrieb betrieben werden, mittelfristig weiterhin der Asynchronmotor mit Wirkungsgradklasse IE4 das Maximum an Effizienz darstellen.“

„Synchron-Reluktanzmotoren haben sicherlich als Pumpenantrieb das größte Potenzial. Sie sind ähnlich simpel aufgebaut wie Asynchronmotoren, brauchen keine seltenen Erden und haben auch im Teillastbetrieb noch einen guten Wirkungsgrad.“

„Asynchronmaschinen sind sehr robust, relativ kostengünstig herzustellen und nahezu wartungsfrei. Die Asynchronmaschine ist der einzige Drehstrommotor der ohne weiteres direkt am Netz betrieben werden kann.“