Effizienz auf dem Prüfstand

Der Betrieb von Getriebemotoren erfolgt häufig zusammen mit Frequenzumrichtern. Doch wo liegt der für die Erzielung einer hohen Energie-Effizienz optimale Arbeitspunkt? Untersuchungen an der Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel sind dieser Frage auf den Grund gegangen.

Der Betrieb von Getriebemotoren erfolgt häufig zusammen mit Frequenzumrichtern. Doch wo liegt der für die Erzielung einer hohen Energie-Effizienz optimale Arbeitspunkt? Untersuchungen an der Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel sind dieser Frage auf den Grund gegangen.

Getriebemotoren sind die typischen Antriebe in der Fördertechnik. In Logistikzentren sind oftmals mehrere hundert Transportbänder im Dauereinsatz – jeweils ausgestattet mit einem kleinen Antrieb, der meist in Teillast betrieben wird. Der Stückzahlschwerpunkt dieser Antriebe liegt im Bereich unterhalb von 1,1 kW, wobei der Getriebemotor eine Drehzahl von 60 bis 200 Umdrehungen pro Minute liefern muss. Das Problem dabei: Gerade kleine Antriebe mit Asynchronmaschinen, die in Teillast betrieben werden, weisen einen schlechten Wirkungsgrad auf. Ergo führt die hohe Anzahl der Antriebe, deren Auswahl meist anhand der Investitionskosten erfolgt, zu hohen Energiekosten.

In der Vergangenheit war es üblich, Getriebemotoren für die vorhandene Netzfrequenz auszulegen. Die Festlegung auf die starre Netzfrequenz führt aber dazu, dass der Motor in diesem Arbeitspunkt zu betreiben ist; eine Variation der Drehzahl ist direkt nicht möglich. Anders sieht es aus, wenn – wie immer häufiger der Fall – dem Motor ein Frequenzumrichter vorgeschaltet ist: Durch Variation von Frequenz und Spannung ist die Drehzahl einstellbar und der Antrieb kann definiert beschleunigen und verzögern. Mit Blick auf die allgegenwärtige Energie-Debatte sehen sich die Anwender bei der Auslegung des Antriebssystems mit folgenden Fragen konfrontiert:

  • Wo liegt der optimale Arbeitspunkt für einen hohen Wirkungsgrad von Standard- Getriebemotoren?
  • Mit welchen Maßnahmen lässt sich eine Optimierung des Wirkungsgrades unter Verwendung von Standardkomponenten vornehmen?
  • Wie verhält sich der Wirkungsgrad eines Antriebsstranges im Teillastbereich?
  • Welchen Einfluss haben die Komponenten (Getriebe, Motor, Frequenzumrichter) auf den Systemwirkungsgrad?

Der Messaufbau

Um Antworten auf diesen Fragen zu erhalten, hat die Fachhochschule Braunschweig/ Wolfenbüttel einen Prüfstand zur Beurteilung des System-Wirkungsgrades – sprich dem Verhältnis zwischen aufgenommener elektrischer Leistung und abgegebener mechanischer Leistung – von Antriebssystemen aufgebaut. Im Detail besteht der Prüfstand aus dem Getriebemotor- Prüfling, der entweder direkt aus dem Netz oder über einen Frequenzumrichter, einem Gerät vom Typ 8400 Stateline des Anbieters Lenze, gespeist wird. Über eine Drehmoment-Messwelle ist der Prüfling an die Lastmaschine gekoppelt. Mit Hilfe zweier Leistungsmessgeräte wurden im Rahmen der Untersuchungen die netzseitige Leistung, die elektrische Leistung zwischen Umrichter und Prüfling sowie die mechanische Leistung aus Drehzahl und Drehmoment erfasst. Die Steuerung des Prüfablaufs erfolgte halbautomatisch mit Hilfe einer Labview-Anwendung.

Den Ausgangspunkt für die Untersuchung bildeten Getriebemotoren, die jeweils aus einem zweistufigem Stirnradgetriebe und einer Standard-Asynchronmaschine in den Baugrößen 71, 80 und 90 sowie in unterschiedlichen Effizienzklassen bestehen. Die mechanische Schnittstelle auf der Abtriebsseite mit einer Drehzahl von 100 Umdrehungen pro Minute und einer mechanischen Leistung von 1100Wist einheitlich, so dass die Getriebemotoren untereinander austauschbar sind. Dennoch sind die Antriebe verschieden groß hinsichtlich der mechanischen Abmessungen beziehungsweise ihrer Masse.

Messungen bei Netzfrequenz

Aus der Leerlaufmessung einer Asynchronmaschine lässt sich zunächst der Leistungsbedarf ablesen, der für die Bewegung ohne Lastmoment erforderlich ist. Der Leistungsbedarf hängt einerseits vom Maschinentyp ab, andererseits signifikant von der Netzspannung, welche die Magnetisierung in der Maschine bestimmt. Der Leerlaufstrom einer Asynchronmaschine dieser Baugröße beträgt 30 bis 40 % des Nennstroms. Dies hat zur Folge, dass hier bereits erhebliche Ständer-Kupferverluste und Eisenverluste auftreten.

Messungen bei Netzfrequenz an fünf unterschiedlichen Motoren (M1 bis M5) haben gezeigt, dass die Leistungsaufnahme der Getriebemotoren im Leerlauf stark differiert. Der schlechteste der getesteten Motoren (M1, Baugröße 90, Effizienz- Klasse 2) benötigt 240 W Leerlaufleistung, während der beste Motor (M5, Baugröße 90, Effizienz-Klasse 1) sich mit 150Wbegnügt. Das Getriebe erfordert für seinen Betrieb eine mechanische Leistung von 30 W.

Aus der Erkenntnis heraus, dass die Leistungsaufnahme einer leer laufenden Asynchronmaschine in hohem Maße von der Netzspannung abhängt, stellt sich die Frage, wo die optimale Netzspannung für den jeweiligen Arbeitspunkt liegt. Im Teillastbereich ist eine Absenkung der Netzspannung um 10 bis 30 % sinnvoll, da sich dadurch die Magnetisierungsverluste sowie die Ständer-Kupferverluste, die durch den hohen Magnetisierungsstrom hervorgerufen werden, deutlich verringern lassen. Für Volllast ist allerdings eine ausreichend hohe Spannung (bei 50 Hz die Nennspannung) für die volle Magnetisierung erforderlich, damit der Motor nicht kippt.