Energiesparen ohne Nebenwirkungen IE2-Motoren mit Sinus-Frequenzumrichtern verhalten sich EMV-neutral

Jörg Westhoff, Igel Electric: »Die Sinus-Frequenzumrichter-Technik eliminiert konsequent die Störungsursache, so dass die angeschlossenen Motoren mit einem in der Frequenz veränderbaren Sinussignal versorgt werden.«
Jörg Westhoff, Igel Electric: »Die Sinus-Frequenzumrichter-Technik eliminiert konsequent die Störungsursache, so dass die angeschlossenen Motoren mit einem in der Frequenz veränderbaren Sinussignal versorgt werden.«

Zur Drehzahlregelung und damit Effizienzsteigerung von Elektromotoren bieten sich Frequenzumrichter an. Herkömmliche Frequenzumrichter mit PWM (Pulse-Width Modulation) verursachen aber EMV-Probleme. Igel Electric hat daher Frequenzumrichter im Portfolio, die ein reines Sinussignal ausgeben und folglich die Energieeffizienz steigern, ohne die Neu- oder Nachinstallation von EMV-Schutzkomponenten zu erfordern.

Spätestens seit dem letztjährigen Beschluss der Bundesregierung zur Energiewende ist allen Verbrauchern bewusst, dass die Energiepreise in naher Zukunft deutlich steigen werden. Passend dazu trat am 16. Juni 2011 die erste Stufe der EU-Verordnung 640/2009 zur Energieeffizienzsteigerung von Elektromotoren in Kraft. Gemäß der Verordnung dürfen Drehstrom-Asynchronmotoren mit Käfigläufer und Leistungen von 0,75 bis 375 kW seit Juni 2011 in der EU nur noch in Verkehr gebracht werden, wenn sie mindestens der internationalen Energieeffizienzklasse IE2 entsprechen. Die nächste Stufe gilt vom 1. Januar 2015 an: Ab diesem Datum ist die Effizienzklasse IE3 für Leistungen von 7,5 bis 375 kW vorgeschrieben, ab dem 1. Januar 2017 für den ganzen von der Verordnung erfassten Leistungsbereich von 0,75 bis 375 kW. IE2-Motoren dürfen ab der zweiten Stufe jeweils nur noch mit Drehzahlregelung eingesetzt werden.

»Weil eine Drehzahlregelung im Teillastbetrieb zusätzlich Energie spart, wird ein Großteil der Anwendungen mit der zweiten Variante ‚IE2-Motor mit Drehzahlregelung‘ ausgestattet werden«, prognostiziert Jörg Westhoff, Geschäftsführer von Igel Electric. »Angesichts des Aufwärtstrends bei den Energiekosten ist zu erwarten, dass viele Anwender eine Drehzahlregelung weit vor dem 1. Januar 2015 zusammen mit den seit 2011 vorgeschriebenen IE2-Motoren einsetzen.«

Probleme bei der Drehzahlregelung mit Frequenzumrichtern

Prinzipiell gibt es viele Möglichkeiten, die Drehzahl eines Elektromotors zu regeln. »Aus technischer und kommerzieller Sicht wird in den meisten Fällen der Frequenzumrichter die bevorzugte Lösung darstellen«, erläutert Westhoff. »Weil es zwei Mittel gibt, die Energieeffizienz zu erhöhen, nämlich neue Regularien oder steigende Energiepreise, werden in vielen Fällen Frequenzumrichter erstmals in die Anlage integriert.«

In herkömmlichen Frequenzumrichtern mit PWM wird die Ausgangsfrequenz aus Rechteckimpulsen mit variabler Impulslänge zusammengesetzt. Der Einbau derartiger Umrichter wirkt sich auf die betreffende Anlage allerdings nicht nur positiv aus: »Geräte auf PWM-Basis erzeugen ein breites Spektrum an Oberwellen, die auch unter dem Begriff ‚Harmonische‘ bekannt sind«, führt Westhoff aus. »Der Wert THD, also Total Harmonic Distortion, gibt den Level der gesamten Überlagerung mit Oberwellen an. Ohne geeignete Maßnahmen überschreiten Frequenzumrichter mit PWM sehr oft die Grenzwerte der Störausstrahlung und führen deshalb häufig zu Störungen oder Ausfällen der Anlagen.«

Gerade wenn ein Frequenzumrichter erstmals installiert oder nachgerüstet wird, kommen entsprechend hohe Investitionen im Bereich der Peripherie hinzu. Je nach Anlagenkonzeption und Kundenanforderung müssen folgende zusätzliche Komponenten integriert werden: geschirmte Motorleitungen, geschirmte Mess- und Regelleitungen, Ein- und Ausgangsfilter für den Umrichter, allstromsensitiver Fehlerstromschutzschalter sowie separate Kabelwege der Leistungskabel. Erforderlich ist zudem ein Erdungskonzept mit Spezialdurchführungen und Klemmen.

Diese Maßnahmen müssen Westhoff zufolge nicht unbedingt komplett umgesetzt, aber unter Umständen sogar noch ergänzt werden: »Sie zeigen die Komplexität des von Frequenzumrichtern verursachten EMV-Problems«, sagt er. »Generell ist davon auszugehen, dass bei einer Erstinstallation die Kosten der Peripherieanpassung im Vergleich zum reinen Produktpreis höher sind. Dies trifft speziell bei kleineren Leistungen bis 15 kW zu.«

Die erwähnten, parallel zum Einbau eines Frequenzumrichters nötigen Maßnahmen bekämpfen allerdings nicht die Ursache des Problems, also die Erzeugung der PWM, sondern nur ein Symptom: Sie dienen dazu, die Auswirkungen auf andere Anlagenteile unter den Grenzwert der Störeinstrahlung zu bringen. »Aus Sicht der Kostenoptimierung handelt es sich dabei um einen schwierigen Prozess, weil je nach Anlagenkonfiguration unter Umständen nicht alle Maßnahmen umgesetzt werden müssen«, legt Westhoff dar. »Wird jedoch aus Kostengründen auf eine eventuell wichtige Komponente verzichtet, kann es später zu undefinierten und schwer lokalisierbaren Fehlern kommen.«

Ein primäres Ziel wäre daher die Vermeidung der PWM. Lösungsansätze sind in der Mechanik oder bei Sondermaschinen zu finden. Beispiele sind Stellgetriebe, Dahlandermotoren, Fluidkupplungen und Gleichstrommotoren. »Diese Ansätze sind seit langem bewährt, bergen jedoch auf der Anwenderseite neue Probleme in puncto Wartung und Genauigkeit«, sagt Westhoff.