Bild 1a. Je besser die Regelstrategie des Umrichters, desto genauer ist seine Regelung und umso höher sind die Einsparungen. Eine reine U/f-Kennlinie führt – gerade im Teillastbetrieb – zu wesentlich schlechteren Ergebnissen als eine Vektorregelung.

© Danfoss

Generell gilt: Je besser die Regelstrategie des Umrichters, desto genauer ist seine Regelung und umso höher sind die möglichen Einsparungen. Zum Beispiel führt eine reine U/f-Kennlinie - gerade im Teillastbetrieb - zu wesentlich schlechteren Ergebnissen, als eine Vektorregelung.

Dies beruht darauf, dass einfache U/f-Regelungen oft nicht die aktuelle Lastsituation berücksichtigten, da sie keine zusätzliche Strommessung durchführen.

Anders bei höherwertigen Regelungen: Sie erfassen den aktuellen Motorstrom und können so auf die Lastsituation schließen beziehungsweise auf sie reagieren. Insgesamt führen also die höherwertigen Regelverfahren zu einer höheren Energie-Effizienz der Antriebe, erhöhen aber gleichzeitig den Gerätepreis.

An dieser Stelle zeigt es sich, dass der günstigste Umrichter bei einer wirtschaftlichen Betrachtung nicht zwangsläufig die günstigste Entscheidung ist. Schlussendlich kommt es wieder auf das Lastprofil der Anlage an: Je kürzer der Motor unter Volllast bei Nenndrehzahl betrieben wird, desto weniger rechnen sich günstige Regelverfahren (Bilder 1a und 1b).

Bild 1b. In Danfoss-Umrichtern ist die AEO-Regelung implementiert. Das Verfahren optimiert den Aufnahmestrom des Motors gemäß der momentanen Drehzahl und der gegebenen Last und liefert nur die tatsächlich zur Magnetisierung und dem Lastbetrieb des Motors benötigte Energie.

© Danfoss

Falle 4: Einschränkungen beim Drehzahlregelbereich

Ein weiterer Punkt, der den Erfolg einer Drehzahlregelung in puncto energieeffiziente Auslegung verhindern kann, kommt aus dem Prozess. Beispielsweise müssen Pumpen, die Gemische aus Feststoffen und Flüssigkeiten pumpen, einen Mindestdurchfluss erreichen, damit sich der Feststoff nicht in den Leitungen und Pumpen absetzt.

Dies hängt von der Art der Stoffe, deren Konzentration und dem fördernden Medium ab. Wählt der Anwender in einer solchen Anwendung die Drehzahl zu klein, um die Antriebe möglichst sparsam zu betreiben, kann es zur Sedimentation kommen.

In diesem Fall sind in regelmäßigen Intervallen Spülungen, Wartungen oder sonstige Servicemaßnahmen nötig, die eine eventuelle Einsparung bei der Energie schnell zunichte machen. Noch schlimmer sieht es aus, wenn ungeplante Ausfälle aufgrund von Beschädigungen und ablagerungsbedingter Systemausfälle dazu kommen. Ergo müssen die Betreiber und Anlagenbauer die Prozesse sehr genau unter die Lupe nehmen, inwieweit das Medium eine Drehzahlreduzierung zulässt.

Falle 5: Das Wirkungsgrad-Optimum bei Strömungsmaschinen

Bei Pumpen und Lüftern bestimmt der Betriebspunkt der Anlage die Energie- Effizienz des Systems. Dabei ist es gerade bei Strömungsmaschinen wichtig, dass die Antriebe im optimalen Betriebspunkt arbeiten.

Bild 2. Im Kennlinien-Diagramm sind neben der Pumpenund Anlagenkennlinie einige Wirkungsgradkennlinien dargestellt. Sowohl durch Drosselregelung als auch durch Drehzahlregelung bewegt sich der Arbeitspunkt aus dem Wirkungsgrad-Optimum heraus.

© Danfoss

Der Grund: In vielen Anwendungen von Lüftern und Pumpen ist die Drehzahl kubisch mit der Leistungsaufnahme gekoppelt, und schon kleine Absenkungen haben enorme Auswirkungen auf den Energie-Hunger. Allerdings steht die Auslegung solcher Systeme dazu im krassen Gegensatz. Denn Pumpen und Lüfter sind meist auf die Maximal-Anforderung des Systems ausgelegt und laufen daher zu einem Großteil der Zeit im Teillastbereich.

Beispiele sind wieder die Klimaanlagen, die ja auch am heißesten Tag des Jahres noch für ein angenehmes Klima sorgen sollen. Hersteller solcher Maschinen haben dies inzwischen erkannt und bringen Lösungen auf den Markt, deren Wirkungsgrad- Optimum bei 70 bis 80 % der Maximal- Auslastung liegt. Dies sorgt in der Folge für einen besonders energiesparenden Betrieb. Noch problematischer ist es, wenn die Unterschiede zwischen Maximallast und Teillastbetrieb noch größer sind.

Laufen die Systeme häufig nur bei 30 bis 50 % der maximalen Auslastung, sollten Maschinenbauer und Betreiber über eine Kaskadierung in der Anlage nachdenken, damit alle Pumpen und Lüfter jeweils im optimalen Betriebspunkt arbeiten können. Selbst bei einer Nachrüstung kann sich eine solche Kaskadierung häufig innerhalb kurzer Zeit amortisieren, da die Optimierung erhebliche Einsparungen mit sich bringt (Bild 2).

Bild 3. Trotz gleicher Leistungsdaten und gleichem Wirkungsgrad unterscheiden sich die beiden Frequenzumrichter deutlich beim Energieverbrauch. Genaues Hinsehen macht sich also in barer Münze bezahlt.

© Danfoss

Falle 6: Überdimensionierung des Motors

Eine optimale Auslegung erfolgt grundsätzlich von der Maschine zum Netz hin und erfordert umfangreiche Kenntnisse über den Prozess und die Anwendung. Nur so kann der Anwender eine Überdimensionierung des gesamten Antriebs aufgrund „ausreichender" Reserven in den verschiedenen Auslegungsstufen vermeiden. Denn jede unnötige Überdimensionierung schlägt sich negativ in den Wirtschaftlichkeitsberechnungen nieder.

In der Praxis passiert dies vor allem, wenn Elektriker und Mechaniker bei der Auslegung nicht ausreichend kommunizieren oder bei bestehenden Anlagen nicht auf Veränderungen bei den Prozessen achten. In vielen Fällen entstehen durch die Wahl eines zu großen Motors höhere Kosten. Der Grund dafür liegt darin, dass Motoren ihr Wirkungsgrad-Optimum in der Regel im Nennpunkt haben. Bei reduzierter Last sinkt der Wirkungsgrad ab, wobei die Absenkung von der Motorauslegung und der Motorleistung abhängt.

So reduziert sich der Wirkungsgrad im Teillastbereich bei großen Leistungen langsamer als bei kleinen. Erreicht nun ein Motor im Nennpunkt der Anlage einen Wirkungsgrad von lediglich 77 % anstelle von 80 %, führt dies über die Lebensdauer zu erheblichen Mehrkosten. Allerdings ist zu beachten, dass in Sonderfällen eine Überdimensionierung durchaus Sinn haben kann und den Wirkungsgrad für bestimmte Arbeitspunkte verbessert. Dazu zählen zum Beispiel Anlagen, die ein extrem hohes Losbrechmoment erfordern (s. Bild 3).

Falle 7: Rückspeisung wird überschätzt

Rückspeisefähige Frequenzumrichter können generatorische Energie ins Versorgungsnetz zurückspeisen. So verlockend dies auch im ersten Augenblick erscheint und so erstaunlich es klingt: In den meisten Fällen ist der Einsatz von Bremswiderständen wirtschaftlich und ökologisch sinnvoller, als die Nutzung der im Bremsbetrieb erzeugten Energie. In der Regel überschätzen Betreiber meist den Anteil der erzeugten generatorischen Energie.

Bild 4. Drehstrommotoren werden generatorisch, wenn sie schneller drehen als ihr speisendes Netz. Bei Umrichterbetrieb tritt dieser Betriebszustand hauptsächlich bei Verzögerungsrampen auf.

© Danfoss

Maximal kann generatorische Energie nur zu 50 % der Betriebszeit entstehen - und zwar dann, wenn das System bremst. In „normalen" Anwendungen - also beim Antreiben einer Maschine - ist diese Bedingung nur während 10 bis 20 % der gesamten Laufzeit erfüllt. Abhängig von vielen Faktoren, wie der Höhe der Zwischenkreisspannung, der Motorgeschwindigkeit, den Reibungsverlusten und dem Trägheitsmoment, lässt sich die erzeugte Energie berechnen.

Dabei ist zu beachten, dass die erzeugte Energie mit der Drehzahl abnimmt. Obwohl der Wirkungsgrad eines Drehstrom-Asynchronmotors sowohl im motorischen als auch generatorischen Betrieb gleich bleibt, steht nicht die komplette an der Motorwelle eingespeiste Energie zur Abgabe ins Netz zur Verfügung. Ursache hierfür sind Verluste im Motor, auf den Kabeln und im Umrichter. Um generatorische Energie zurück ins Netz speisen zu können, benötigen rückspeisefähige Umrichter aktive, gesteuerte Gleichrichter - so genannte Wechselrichter.

Deren Verluste können bis zu 25 % höher sein, als bei vergleichbaren Geräten mit ungesteuertem Gleichrichter, und sind sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb wirksam. Allein um die zusätzlichen Verluste im motorischen Betrieb auszugleichen, muss der Antrieb zwischen 20 und 30 % der Zeit generatorisch arbeiten. Außerdem müssen die aktiven Gleichrichter auch im Stillstand des Motors aktiv sein. Dies erfordert einen höheren Standby- Strom. 

Damit nicht genug: Die rückspeisefähigen Umrichter erzeugen durch die Ansteuerung des Gleichrichters zusätzliche Oberschwingungen, die das Netz belasten. Und nicht zuletzt müssen für eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung die höheren Kosten für rückspeisefähige Umrichter in Betracht gezogen werden (Bild 4).

Falle 8: Netzrückwirkungen

Die Gleichrichterschaltung im Eingang des Frequenzumrichters mit der nachfolgenden kapazitiven Glättung führt zu einer impulsförmigen Stromaufnahme, die nicht länger sinusförmig ist, sondern sich aus der Grundwelle und Vielfachen der Grundwelle zusammensetzt. Diese Vielfachen werden als harmonische und zwischen harmonische Oberschwingungen bezeichnet, im Frequenzbereich bis 2 kHz auch als Netzrückwirkungen. Das Problem mit den Oberschwingungen: Sie erzeugen einen höherfrequenten Blindstrom, der Trafos und Leitungen zusätzlich belastet.

Werden Umrichter als „netzrückwirkungsfrei" bezeichnet, bedeutet dies aber nicht, dass sie zwangsläufig keine Oberschwingungen größer 2 kHz erzeugen. Da sich Strom- Oberschwingungen über die Netzimpedanz als Spannungs-Oberschwingungen im Netz ausbreiten können, bergen sie die Gefahr, Kapazitäten und Induktivitäten im Netz zum Schwingen anzuregen. Problematisch wird dies, wenn eine Oberschwingung die Resonanzfrequenz eines solchen Schwingkreises trifft. Dies kann bis zur Zerstörung von Bauteilen führen.

Kommen nur wenige Verbraucher zum Einsatz, die das Netz mit Oberschwingungen belasten, stellt dies oftmals kein Problem dar. Steigen die Belastungen aber mit der Anzahl der eingesetzten Verbraucher, so kann dies für den Anwender teuer werden. Neben Kosten für Anlagenstörungen kommen Maßnahmen zur Identifizierung und Behebung der Probleme hinzu. Frequenzumrichter mit einem vollwertigen Zwischenkreis erzeugen die meisten Oberschwingungen im genormten Frequenzbereich bis 2 kHz, was Maßnahmen zur Bekämpfung vereinfacht.

Schwieriger ist dies, wenn die Oberschwingungen nicht bei bestimmten Vielfachen der Netzfrequenz, sondern breiter gestreut auftreten, was beispielsweise bei Umrichtern mit so genanntem schlanken Zwischenkreis auftritt oder bei einer nicht sinusförmige Rückspeisung ins Netz. Dies erfordert teure Maßnahmen in Form von aktiven Filtern, die die augenblickliche Situation im Netz erfassen und entsprechende Komplementärströme einspeisen.

Für Oberschwingungen in dem Frequenzbereich von 2 bis 9 kHz sind in den Normen momentan nur Empfehlungen enthalten. Dies führt dazu, dass mit dem Oberbegriff „Netzrückwirkungen" oft nur der Bereich von 0 bis 2 kHz verbunden wird.

Falle 9: Softstarter bei Volllastbetrieb

Auch bei Motoren, die die gesamte Zeit unter Volllast laufen, ist ein sanfter Anlauf oder Stopp erwünscht. Häufig setzen Betreiber dann Softstarter ein, da sie günstiger sind als Frequenzumrichter und zudem eine geringe Drehzahlverstellung zulassen. Allerdings rechnen sich Energiespar-Strategien bei Thyristor-Ansteuerungen nur, wenn die Last längere Zeit unter 45 % fällt.

Bei Industrie-Anwendungen ist dies in der Regel selten der Fall und somit eine realistische, auf Zeiträume von einem bis zwei Jahre begrenzte Payback-Zeit nicht wahrscheinlich. Die Gründe dafür liegen in den relativ hohen Verlusten der Thyristoren, die auch bei Volllast des angeschlossenen Motors auftreten. Daher ist meist eine Übergabe der Last an das Netz nach dem Hochfahren des Antriebs wesentlich effektiver, denn typisch liegen die Verluste eines Softstarters im Bypass-Betrieb nur bei wenigen Watt. Zudem erzeugt das permanente Ansteuern hohe Oberschwingungen mit den im vorhergehenden Abschnitt beschriebenen Auswirkungen.

Ein weiterer Nachteil der Softstarter ist die Absenkung der Motorspannung. Damit sinkt zugleich die Drehzahl, was aufgrund der Schlupfsteuerung eventuell einen Spareffekt im System hervorruft, beispielsweise bei einer Pumpe. Der aus der Spannungsabsenkung resultierende höhere Strom erwärmt allerdings den Motor stärker, was dessen Lebensdauer herabsetzen kann. In diesem Fall rechnet sich eher ein Frequenzumrichter. Zusammenfassend lässt sich festhalten: Die Durchführung von Energiespar- Projekten in Anlagen birgt neben vielen Chancen auch erhebliche Fallstricke, die den Erfolg eines solchen Projekts schmälern können.

Die in diesen Beitrag aufgeführten Beispiele stellen nur eine kleine Auswahl davon dar. Sie machen aber deutlich, dass für effektive Maßnahmen die Rahmenbedingungen einer Anlage betrachtet werden sollten. In diesem Kontext kann es sich demnach durchaus lohnen, externe Spezialisten in diesem Bereich zu Rate zu ziehen. Danfoss Solutions beispielsweise bietet zusätzlich noch eine Möglichkeit, diese Lösung zu finanzieren und aus den Einsparungen heraus zu amortisieren.

Autor: Michael Burghardt ist Produktmanager bei Danfoss in Offenbach/Main.