120 Hertz-Drehstrom-Motoren haben Vorteile

Für nordamerikanische Netze sind 60 Hertz verbreitet, 87 Hertz gelten als beliebte Frequenz in Pumpen und Lüftern. Der Vorteil: Höhere Frequenz bedeutet mehr Drehzahl und mehr Leistung. Nicht zuletzt weil auch der Wirkungsgrad eines klassischen vierpoligen Drehstrommotors bei etwa 120 Hertz am höchsten ist, hat der Spezialist für Antriebs- und Automatisierungstechnik Lenze den Nennpunkt der umrichteroptimierten Variante genau hier gelegt.

Geregelte Antriebe sind seit Jahren auf dem Vormarsch. Etwa 30 bis 40 Prozent der neu installierten Achsen sind heute mit einem Frequenzumrichter zur elektronischen Regelung ausgestattet. Die Zukunft verspricht weiteres Wachstum – nicht zuletzt als Folge der ErP-Richtlinie, die ab 2015 den Einsatz eines IE2-Motors mit Frequenzumrichter als Alternative zum IE3-Motor vorschreibt. Mit Umrichtern ist es möglich, die abgegebene Leistung exakt an den tatsächlichen Bedarf einer Applikation anzupassen – um so den Energieverbrauch zu senken. In der breiten Masse der Applikationen werden die Geräte kombiniert mit herkömmlichen Drehstrom-Asynchronmaschinen. Sie sind im Vergleich zu den kostspieligeren Servomotoren deutlich billiger, auf 50- oder 60-Hertz-Netze ausgelegt und üblicherweise lediglich durch verstärkte Wicklungsisolationen fitgemacht für den Umrichterbetrieb.

Um die Vorteile des Frequenzumrichterbetriebs voll auszuschöpfen, hat Lenze die L-force Drehstrommotoren der MF-Reihe auf 120 Hertz ausgelegt. Hintergrund: Der Wirkungsgrad eines klassischen vierpoligen Drehstrommotors ist bei etwa 100 bis 120 Hertz am höchsten. Es gibt noch weitere Vorteile: Je höher die Frequenz, desto größer ist der Drehzahlstellbereich. Die höhere Drehzahl steigert ihrerseits noch die Leistungsausbeute. Dass diese Steigerung mechanisch gut zu beherrschen ist, lässt sich daraus ableiten, dass ein zweipoliger Motor an einem 60-Hertz-Netz etwa die gleiche Drehzahl liefert wie ein vierpoliger Motor bei 120 Hertz.

Kompakt, variabel, dynamisch, effizient
Gegenüber herkömmlichen Drehstrommotoren ergibt sich bei Lenzes MF-Motoren ein deutlicher Performancezuwachs – unter anderem durch hohe Energieeffizienz sowie eine servoähnliche Kompaktheit und Dynamik. Die umrichteroptimierten Motoren der MF-Reihe im Leistungsbereich von 0,55 bis 22 Kilowatt können aufgrund der gestiegenen Drehzahl um bis zu zwei Baugrößen kleiner ausfallen als ein herkömmlicher Drehstrommotor gleicher Leistung. Sie bringen beispielsweise in der Baugröße 71 eine Nennleistung von 1,5 Kilowatt. Zum Vergleich: Ein herkömmlicher Drehstrommotor muss für dieselbe Leistung in der Baugröße 90 gewählt werden.

Zweiter Vorteil: Der Grundstellbereich hat sich mit 1:24 (5:120 Hertz) im Vergleich zum Standard-Drehstrommotor mehr als verdoppelt. Auf einen kostspieligen Fremdlüfter kann daher meist verzichtet werden, denn in einem Großteil des Stellbereichs lassen sich die MF-Motoren auch mit dem Eigenlüfter ausreichend kühlen. Weiterer Pluspunkt: Durch die kleinere Achshöhe der neuen Reihe reduziert sich das Massenträgheitsmoment im Vergleich zu einem auf den Netzbetrieb optimierten Motor. Damit liegt das neue Mitglied der Antriebs- und Automatisierungsplattform L-force in seiner Dynamik zwischen Servo- und herkömmlichem Drehstrommotor. Das niedrige Trägheitsmoment reduziert den Energieverbrauch bei Drehzahländerungen zusätzlich. Wie Servomotoren sind die Drehstrommotoren MF weltweit von keiner Effizienzregulierung betroffen. Besondere Länderspezifika müssen daher beim Export nicht berücksichtigt werden. Die Wirkungsgrade der neuen Baureihe sind mit denen der Effizienzklasse IE2 allerdings vergleichbar.

Die mehr als doppelt so hohe Nenndrehzahl macht entsprechend höhere Getriebeübersetzungen erforderlich, um eine Applikation mit der gleichen Drehzahl wie bislang betreiben zu können. Die L-force-Getriebe bieten hier den Vorteil, dass diese Kompensation oft ohne zusätzliche Getriebestufe realisierbar ist. Das Übersetzungsverhältnis von bis zu 1:60 in einer zweistufigen Ausführung ist nur möglich, weil das Getriebeeingangsritzel per Kegelpressverband – eine Spezialität von Lenze – kraftschlüssig in die Motorausgangswelle gepresst ist und insofern deutlich kleiner ausfallen kann als ein auf der Welle platziertes Zahnrad.

Effizient im System
Damit sich die Vorteile in einem kompletten Antriebssystem vollständig als Nutzen erschließen lassen, kombiniert der Hersteller Getriebemotoren mit den passenden Umrichtern. Die zentralen und dezentralen Inverter Drives 8400 haben ihrerseits mit VFCeco auch noch eine intelligente Energiesparfunktion. Gerade im Teillastbetrieb wurden Drehstrommotoren bislang mit einem größeren Magnetisierungsstrom versorgt, als die Betriebsbedingungen es eigentlich erforderten. VFCeco passt dagegen die Magnetisierung der Last an und senkt den Energieverbrauch des Antriebssystems so um bis zu 30 Prozent. Die neuen Motoren nutzen die Chancen, die der immer mehr an Bedeutung gewinnende Betrieb mit Frequenzumrichtern bietet. Gegenüber herkömmlichen Drehstrommotoren ergibt sich ein deutlicher Performancezuwachs – in Form höherer Effizienz, größerer Dynamik, eines weit reichenden Stellbereichs sowie eines insgesamt kompakten Aufbaus. pb