Von Falko Wiehle

Blick in das Pumpenhaus einer Kläranlage: Große Leistungen erfordern eine entsprechende Kühlung. Hier gut erkennbar die Lüftungsleitungen für die sieben Frequenzumrichter, die in einer Zwischenpumpstation innerhalb des Klärwerks ihren Dienst versehen.

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?

Eine optimale Auslegung des Antriebssystems erfolgt grundsätzlich von der Arbeitsmaschine zum Netz hin. Dabei ist eine genaue Kenntnis der Prozesse, der Unwägbarkeiten und der wirklich notwendigen Reserven wichtig. Nur so kann der Anwender eine Überdimensionierung des gesamten Antriebs aufgrund „ausreichender“ Reserven in den verschiedenen Auslegungsstufen vermeiden. In der Praxis passiert dies vor allem dann, wenn in der Auslegungsphase die Abstimmung zwischen elektrischer und mechanischer Planung nicht hinreichend erfolgt. Die Folgen sind höhere Anschaffungskosten, höhere Vorhaltungskosten für Energie und Klimatisierung sowie überdimensionierte und damit teurere Kabel und Kabeltrassen. In vielen Fällen entstehen zusätzlich noch höhere Kosten durch die Auswahl eines zu großen Motors. An dieser Stelle ist demnach eine enge Zusammenarbeit von Betreiber und Anlagenbauer gefordert. Nur der Betreiber kennt seinen tatsächlichen Bedarf. Zu den verfahrenstechnischen Unwägbarkeiten gehören beispielsweise Kennlinienstreuungen von Arbeitsmaschine und Motor. Im extremsten Fall – oberes Kennlinienband bei der Maschine und unteres Kennlinienband beim Motor oder auch umgekehrt – können ein unzureichender Drehmomentverlauf oder eine Überlastung die Folge sein.

Die Motor-Auswahl

Nach Eingabe aller relevanten Größen zur Bestimmung der Netzauslastung gibt die HCS-Software, die Danfoss als Online-Version bereitstellt, ein Ersatzschaltbild des Netzes mit den berechneten Strom- und Spannungswerten an kritischen Punkten aus. Die grafische Aufbereitung hilft bei Eingabe und Auswertung.

Für die korrekte Auswahl des Motors ist das von der Arbeitsmaschine benötigte Drehmoment entscheidend. Dafür sind auf die prozessbedingt geforderte Leistung alle Zuschläge wie Lagerreibung, Kupplungsverluste oder externe Lüfter aufzuschlagen. Über die Betriebsdrehzahl ergibt sich schließlich das erforderliche Motormoment. Wichtig dabei: Je nach Anwendung und Maschine muss der Anwender das Spitzen- oder Losbrechmoment mit beachten. Mit Hilfe der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie sowie unter Ausnutzung der Motorkennlinie und der Stromreserven des Frequenzumrichters – was gleichbedeutend mit der Überlastfähigkeit ist – lässt sich der genaue Bedarf ermitteln und mit einem Sicherheitszuschlag belegen.

Netzbetrieb und Betrieb am Frequenzumrichter unterscheiden sich voneinander. Dabei sind die Einflüsse des Frequenzumrichterbetriebs abhängig vom gewünschten Drehzahlbereich, dem Einsatz von Fremdlüftern und der Art der Belastung. Beispielsweise erhöht der Frequenzumrichterbetrieb die Temperaturen in den Motorwicklungen, bedingt durch eine nicht sinusförmige Speisung, und ebenso die Taktfrequenz sowie daraus resultierende zusätzliche Ummagnetisierungsverluste. In manchen Fällen bewährt sich der Einsatz eines kostengünstigen Fremdlüfters, um sich die Auswahl der nächstgrößeren Motorstufe zu ersparen.

Der Querschnitt der Motorkabel richtet sich in erster Linie nach dem erforderlichen Motorstrom. Allerdings spielen auch hier weitere Faktoren mit hinein. So beeinflussen die Art und die Umgebung der Verlegung ebenfalls den Querschnitt; etwa wenn es darum geht, negative Effekte durch erhöhte Umgebungstemperaturen und verminderte Wärmeabgabe auszugleichen. Auch die Leitungslänge wirkt sich auf den Querschnitt aus, um Spannungsabfall aufgrund des Leitungswiderstands möglichst gering zu halten. Zur Berücksichtigung dieser Einflüsse lassen sich die einschlägigen Reduktionsfaktoren heranziehen, die in der DIN VDE 0298 aufgeführt sind. In der Praxis haben sich Gesamtreduktionsfaktoren zwischen 0,7 und 0,64 bewährt. Ein weiterer wichtiger Aspekt in diesem Zusammenhang: Die Auslegung von Kabeln erfolgt in der Regel auf Strom und Spannung als Sinusgrößen; hierfür ist die Verlustwärme der Kabel berechnet. Beim Betrieb am Frequenzumrichter kommen jedoch höherfrequente Anteile zur Grundschwingung hinzu – die Kabel erwärmen sich dementsprechend stärker.

Die Grenzwerte der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) bestimmen schließlich den Einsatz von geschirmten oder ungeschirmten Kabeln. Bei großen Querschnitten und/oder langen Leitungswegen sind die Betreiber natürlich bestrebt, möglichst ungeschirmte Kabel zu verwenden. Daher haben sich in der Praxis Sinusfilter bewährt. Durch Filterung der Taktfrequenz und Bereitstellung sinusförmiger Spannung zwischen den Phasen haben diese einen positiven Einfluss auf erforderliche Kabelquerschnitte. Bei Retrofitprojekten kann die Verwendung von Sinusfiltern den Verbleib bereits vorhandener Kabel und Motoren erlauben.

Die Frequenzumrichter-Auslegung

Im Gegensatz zum Motor, der immer nach dem geforderten Drehmoment auszulegen ist, erfolgt die Auswahl des Frequenzumrichters stets nach dem Strom und nicht nach der Leistung! Grundsätzlich gilt, dass der erforderliche Motorstrom als Dauerstrom verfügbar sein muss. Daneben sind notwendige Stromreserven einzuplanen. Auch sie sind von einer Reihe Faktoren abhängig. Dazu zählt in erster Linie der Drehmomentverlauf der Last. Hier gilt es, das Startmoment ebenso in die Überlegungen mit einzubeziehen wie Besonderheiten des Lastspiels (pulsförmige oder gleichmäßige Lasten). Auch die Leitungslängen zum Motor spielen eine Rolle. So reduziert ein Spannungsabfall am Kabel das verfügbare Motormoment ebenso, wie ein Spannungsabfall an eventuell erforderlichen Sinus- oder du/dt-Filtern.

Beim Thema Klimatisierung ist hauptsächlich der Faktor Wirkungsgrad beziehungsweise Teillastwirkungsgrad der Frequenzumrichter bei den großen Leistungen für die Kosten verantwortlich: Bei einem Gerät mit 1 MW und einer Verlustleistung von beispielsweise 2% bedeutet dies, dass ständig 20 kW abgeführt werden müssen. Bereits ein um 0,5% besserer Wirkungsgrad sorgt daher für erhebliche Kostenreduktion – sowohl mit Blick auf die Anschaffung des Klimageräts als auch hinsichtlich der laufenden Kosten für Energie und Wartung.

Die Netzbelastung

Ein Nachteil des verstärkten Einsatzes von Umrichtern sind deren Rückwirkungen auf das speisende Netz durch nichtlineare Stromaufnahme. Die daraus resultierenden Verzerrungen der Sinusform des Versorgungsnetzes werden als Netzrückwirkung oder auch Oberschwingungen bezeichnet. Für die Beurteilung der Netzqualität sind die Frequenzen bis 2,5 kHz relevant, entsprechend der 50. harmonischen Oberschwingung. Weiterhin ist zu bedenken, dass das Übertragungsnetz, die Transformatoren oder auch Kompensationsanlagen für die Nennfrequenz des Netzes – zum Beispiel 50 Hz – berechnet und ausgelegt sind. Höherfrequente Schwingungen führen zu höheren Bezugskosten für elektrische Energie, Mehraufwand durch höhere Blindleistungsbelastung und der Notwendigkeit der Überdimensionierung von Komponenten und Anlagenteilen. Zudem belasten sie Kabel, Leitungen und Geräte.

Aktive Filter lassen sich im jeweiligen Segment frei platzieren ”“ ein großer Vorteil gegenüber passiven Lösungen, die direkt am Frequenzumrichter angebracht sein müssen.

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.

Der Service-Aspekt

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.

Autor

Falko Wiehle ist Projektmanager Kundenlösungen und Großantriebe bei Danfoss, Offenbach.