Die Planung entscheidet

Die elektrische Antriebstechnik dringt immer weiter in Bereiche jenseits der 250 kW vor, wie sie in den Branchen der Prozesstechnik vielfach anzutreffen sind. Schon kleine Fehler bei der Auslegung der Systeme...

Die elektrische Antriebstechnik dringt immer weiter in Bereiche jenseits der 250 kW vor, wie sie in den Branchen der Prozesstechnik vielfach anzutreffen sind. Schon kleine Fehler bei der Auslegung der Systeme treiben in diesen Leistungsdimensionen die Kosten unnötig in die Höhe – und dies über den kompletten Lebenszyklus.

Eine Zahl, die Bände spricht: Allein bei Pumpenantrieben könnten Anwender pro Jahr nach Studien des ZVEI und der Deutschen Energie-Agentur (dena) 15 Mrd. kWh Strom oder 1,2 Mrd. Euro einsparen. Denn eine exakt an den aktuellen Bedarf angepasste Drehzahl ermöglicht enorme Energie-Einsparungen: Wird die Drehzahl einer Pumpe im Durchschnitt um nur 20% abgesenkt, so sinkt der Strombedarf um 50 %. Ähnliches gilt für den Einsatz von High-Power-Drives in Anwendungen wie Extrudern oder Separatoren. Allerdings: Während kleine Antriebe noch relativ einfach auszulegen sind, stellen die im Prozess-Umfeld geforderten Leistungen in der Region von 250 kW und darüber wesentlich höhere Anforderungen an Planer und Betreiber. Bereits die Anschaffungskosten für Klimatisierung, Netzdrosseln und -filter sind bei diesen großen Antrieben enorm. Dies ist aber bei weitem nicht alles, zumal nach neuesten Untersuchungen die Initialkosten in der Life-Cycle-Betrachtung einer Maschine nur etwa 10% ausmachen. Viel mehr schlagen die Betriebskosten zu Buche, beispielsweise Aufwendungen für Energie, Wartung und Service. Dazu kommen die Energiekosten für ausreichende Klimatisierung der Antriebe. Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt ist das speisende Netz. Speziell der Betreiber muss sich diesbezüglich Fragen stellen wie: Ist das Netz bereits durch den Einsatz weiterer Frequenzumrichter vorbelastet? Liegen aktuelle Berechnungsdaten oder Mess-Ergebnisse zu einer Netzvorbelastung vor? Sind zusätzliche Maßnahmen zur Sicherung der Netzqualität für eine optimale Versorgung erforderlich?

Im ersten Schritt sollte ergo die Netzbelastung ermittelt werden – sei es durch Berechnung oder Messung im vorhandenen Netz. Zeigen sich tolerierbare Werte, kann der Anwender gegebenenfalls auf weitere Maßnahmen verzichten. Trotzdem sollte er mit Hilfe von Simulationssoftware die zukünftige Belastung des Netzes mit in die Überlegung einbeziehen, um Überraschungen im Nachhinein auszuschließen. Liegen die Werte außerhalb der Toleranz, so lassen sich Rückwirkungen etwa durch zusätzliche Filterelemente, wie sie beispielsweise bei Danfoss bereits serienmäßig in den Geräten integriert sind, begrenzen.

Da die Summe aller nichtlinearen Verbraucher stetig steigt, reichen geräte-interne Filtermaßnahmen oft nicht aus. Zur weiteren Reduzierung des negativen Einflusses auf die Netzqualität stehen dem Anwender verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung: Eine davon ist, passive Filter vor die Frequenzumrichter zu schalten. Alternativ kann ein geschicktes Zusammenfassen von Antrieben zu einer „Quasi-12-Puls“-Lösung helfen, das speisende Mittelspannungsnetz zu entlasten. „Quasi-12-Puls“ bezeichnet eine Verschaltung verschiedener Geräte, die normalerweise eine so genannte 6-Puls-Gleichrichterbrücke verwenden, in der Art, dass das Ergebnis einer 12-Puls-Gleichrichtung entspricht. Die derzeit effektivste und flexibelste Lösung stellen so genannte aktive Filter dar. Sie messen die Oberschwingungsbelastung permanent, berechnen einen Komplementärstrom und speisen diesen zum Eliminieren der Oberschwingungen in das Netz ein. Eine weitere Möglichkeit besteht im Aufstellen eines neuen, größeren Transformators, der ausschließlich zur Speisung der zusätzlichen Umrichterlast dient. Die jeweils optimale Lösung kann auch eine Kombination der beschriebenen Maßnahmen sein.

Bei der Auswahl eines Herstellers und des passenden Modells gilt es, nicht nur die reinen Leistungsdaten, sondern auch den Aufbau des Frequenzumrichters sowie die Serviceleistungen mit zu berücksichtigen. Maßgeblichen Einfluss auf die Wartungsintervalle haben die eingesetzten Komponenten, die im Frequenzumrichter lange und störungsfrei arbeiten sollen. Neben der Leistungselektronik sind in diesem Kontext auch Hilfsaggregate, wie beispielsweise Lüfter, ein wesentlicher Faktor. Fragen, die es in diesem Zusammenhang abzuklären gilt: Sind alle Komponenten, die gewartet werden müssen, bekannt? Wie groß sind die Intervalle? Lassen sich die Komponenten einfach erreichen und ausbauen? Bei Danfoss beispielsweise sind Gleich- und Wechselrichter so aufgebaut, dass sich die modularen Baugruppen von vorne entnehmen und austauschen lassen – ohne Spezialwerkzeug oder größere Demontage-Arbeiten. Nicht zuletzt zählt mit Blick auf die Ersatzteilhaltung, wie variantenreich die Geräteserie aufgebaut ist. Lassen sich bestimmte Baugruppen in mehreren Serien verwenden? Gibt es Standardteile, die weltweit leicht erhältlich sind? Denn je nach Einsatzort der Anlage kann es sein, dass womöglich Spezialteile erst aufwendig zum Standort transportiert werden müssen. Standardbauteile, für die Ersatzteile weltweit schnell und kostengünstig erhältlich sind, sind bei den High-Power-Lösungen daher vorzuziehen. gh