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Magnetlager und Direktantriebe steigern Wirkungsgrad bei Kompressoren

06.06.2008
Durch Wahl moderner, geschwindigkeitsgeregelter Direktantriebe in Verbindung mit Magnetlagern lässt sich der Wirkungsgrad bei Luft- und Kältekompressoren deutlich erhöhen. Die antriebsseitigen Leistungsverluste, die bei konventionellen Maschinen bei 15% liegen, lassen sich dadurch auf 6% senken.

Sucht man nach Einsparmöglichkeiten bei Kompressoren gibt es viele Lösungsansätze. Vielfach verwendete Schraubenkompressoren sind im Vergleich zu Turboverdichtern konstruktionsbedingt durch höhere Verlustleistungen gekennzeichnet.

In einer Modellrechnung, die ausschließlich auf einer Gegenüberstellung der Verlustleistungen beider Systeme beruht, lässt sich das energieseitige Einsparpotenzial von Schraubenkompressoren zu Turboverdichtern verdeutlichen.

Würde 10 % aller Schraubenkompressoren, die derzeit in Gebrauch sind (etwa 5 Mio.), durch Turboverdichter ersetzen, entspräche die Energieeinsparung (bei einer durchschnittlichen Leistung von 100 kW und einer Laufzeit von 12 Stunden an 365 Tagen im Jahr) einem jährlichen Verbrauchsäquivalent von etwa 5 Mio. europäischen Haushalten.

Auch die Wahl der richtigen Antriebstechnik bietet ein hohes Potenzial zur Energieeinsparung. Bei bisher verwendeten Motoren mit konstanter Drehzahl und ölgeschmierten Lagern liegen die Verluste antriebsseitig bei 15%. Verwendet man hingegen zum Antrieb einen Hochgeschwindigkeitsdirektantrieb mit variabler Drehzahl und Magnetlagerung, sinken diese die Verluste auf 6%.

Magnetlagertechnik bietet viel Einsparpotenzial

Die Magnetlagertechnik von SKF gehört zu den neuen Lösungenangeboten für Antriebe mit variabler Drehzahl, bei denen Schraubenkompressoren in Anwendungen mit Luft- und Kältekompressoren durch z Turbokompressoren ersetzt werden und im Normalfall eine Wirkungsgradsteigerung um 75 bis 85% erzielt wird.

Durch die geänderte Technik gibt es weitere Vorteile wie:

-niedrigeren Energieverbrauch,

-höhere Ausfallsicherheit,

-keinen Verschleiß von Lagerkomponenten und damit längere Nutzungsdauer,

-stark verringerte Wartung und

-kleinere Gerätegrundfläche.

Somit führt dieser Technikwandel zu niedrigeren Betriebskosten in Anwendungen wie Klimatechnik, industrieller Kältetechnik sowie in der Öl- und Gasindustrie:

Bei bisherigen Antrieben hat man geringe Drehzahlen und mechanische Vorschaltgetriebe. Dazu werden ölgeschmierte Lager benötigt. Die neue Technik basiert auf Verwendung moderner Direktantriebe, in denen das Kompressorrad an die Antriebswelle gekoppelt ist. Dazu werden Magnetlagerungskonzept eingesetzt.

Magnetlager können fast reibungsfrei arbeiten

Da es beim Einsatz von Magnetlagern nicht zu metallischem Kontakt kommt, tritt so gut wie keine Reibung und kein Lagerverschleiß auf. Lediglich die Reibung mit der umgebenden Luft führt zu sehr geringen mechanischen Verlusten. Bei der heute für Turbokompressoren eingesetzten konventionellen Technik mit konstanter Drehzahl und Vorschaltgetriebe sowie ölgeschmierten Lagern liegt der antriebsseitige Wirkungsgrad des Gesamtsystems bei 85%.

Zwar sind auch bei der neuen Technik mit modernen Direktantrieben und Magnetlagern Frequenzumrichterverluste mit einzurechnen, doch die möglichen Einsparungen führen dazu, dass der Wirkungsgrad trotzdem auf etwa 94% steigt. Im Vergleich zu konventionellen Techniken kann der antriebsseitige Wirkungsgrad damit um 9 bis 12 Prozentpunkte gesteigert werden.

Magnetlager arbeiten umweltschonend

Des Weiteren ist durch die moderne Motorelektronik eine Erhöhung des Drehzahlniveaus möglich. Zudem arbeiten Magnetlager auch ohne die sonst zur Reibungsminimierung notwendige Ölschmierung. Damit sind sie sehr umweltschonend.

Darüber hinaus können sie aufgrund der technisch ausgereiften Steuersysteme auch bei extrem hohen Drehzahlen sicher betrieben werden. Die kompakte Bauweise ermöglicht außerdem platzsparende und gewichtsoptimierte Konstruktionen.

Magnetlager jetzt für ein breiteres Einsatzspektrum verfügbar

In der Vergangenheit wurden Magnetlager nur bei ganz besonderen Anwendungen und im Bereich extrem hoher Drehzahlen verwendet. Nun eignen sie sich auch für ein breiteres Einsatzspektrum. Zu verdanken ist dies verschiedenen Entwicklungen von SKF, wodurch die Reglereinheiten verkleinert wurden, gleichzeitig aber die Leistung über das ursprünglich als möglich geltende Maß hinaus gesteigert wurde.

Das Magnetlagersystem selbst besteht aus drei Hauptelementen:

-dem Lagerstator und -rotor zur Erzeugung von Magnetkräften,um die Welle schweben zu lassen,

-den Positionssensoren zur Ermittlung der Wellenposition in fünf Achsen und

-dem Controller mit Steueralgorithmen zur Regelung des für den Magnetlagerstator erforderlichen Stroms, um die Welle in ihrer definierten Position zu halten.

Der Magnetlagerstator besteht aus einem Blechpaket, um das Kupferspulen gewickelt sind. Sie dienen dazu, eine Reihe von Nord- und Südpolen zu erzeugen. Wird an jeder Spule Strom angelegt, entstehen jeweils Anziehungskräfte, die die Welle innerhalb des Lagers schweben lassen.

Der Controller regelt den an die Spulen angelegten Strom so, dass die Welle genau mittig zentriert wird. Dazu wird das Signal der Positionssensoren überwacht. So ist sichergestellt, dass die Welle über den gesamten Betriebsbereich des Gerätes in der gewünschten Position gehalten wird.

Je nach Anwendung besteht üblicherweise zwischen Rotor und Stator ein Luftspalt von 0,2 bis 0,5 mm. In der Regel wird die Welle von einer anderen Quelle angetrieben, zum Beispiel von einer Turbine oder einem in die Wellenkonstruktion integrierten Motor.

Die heute zur Verfügung stehende Magnetlagertechnologie bietet ein breites Spektrum an Einsparungsmöglichkeiten für die Kompressorentechnik. SKF bietet dafür ein Gesamtlösungskonzept aus einer Hand.

Dipl.-Ing. Tilmann Haar ist Anwendungsingenieur bei der SKF GmbH in Schweinfurt.

Tilmann Haar | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/konstruktion/antriebsundsteuerungstechnik/articles/123530/

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