Projekt 19823/01

Drehzahlvariabler Vakuumpumpenantrieb

Projektträger

PROTRONIC Innovative Steuerungselektronik GmbH
Eschenring 1
04828 Bennewitz
Telefon: 03425/813591

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die technischen und umweltrelevanten Ziele lassen sich wie folgt zusammenfassen:
· Energieeinparungen bis zu 50% durch Arbeitspunktanpassung,
· Beseitigung bzw. Minimierung der Schwebungsgeräusche,
· Einsatz preiswerter Standard-Asynchronmaschinen (ASM) ohne Anlauf- und Betriebskondensatoren und damit Wegfall der aufwendigen Blechabstimmung,
· Sicherung des spontanen Leistungsangebotes,
· starke Reduzierung von Pumpen- und Motorentemperatur und damit Erhöhung der Lebensdauer und
· Verbesserung des Endtotaldrucks der Pumpen durch eine niedrigere Öltemperatur.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1. Voruntersuchungen zu Einsparungspotenzialen bei Wechselstrommotoren mit variabler sinusförmiger Spannung (Stelltransformator)
2. Voruntersuchungen zu Einsparungspotenzialen bei Drehstromasynchronmaschinen mit variabler sinusförmiger Spannung (Stelltransformator)
3. elektrische Messungen bei Vakuum
4. akustische Messungen bei Vakuum
5. Frequenzumrichter mit Drehstrom-Asynchronmaschine
6. Konzeption des Leistungsteils des Frequenzumrichters
7. Signalverarbeitung
8. Funktionsaufbau und Messungen
9. Vergleich mit den Voruntersuchungen


Ergebnisse und Diskussion

Ein Drehstrom-Asynchronmotor hat gegenüber einem Wechselstrommotor wesentliche Vorteile beim Einsatz als Antrieb für Vakuumpumpen. Neben den erreichten Ergebnissen der Voruntersuchung mittels 3-Phasen-Stelltransformator ging es vor allem auch darum, eine 230/400V-Drehstrom-Asynchronmaschine am 1-Phasen Netz zu betreiben und die dafür notwendigen Mehrkosten zu minimieren. Dies ist nur durch die Anwendung eines SPM-Frequenzumrichters möglich.
Durch die Verringerung der Amplitude und der Frequenz der am Motor anliegenden Spannung war es möglich, eine wesentliche Reduzierung der Wirkleistung im Quasi-Leerlauf (bei aufgebautem Vakuum) zu erreichen. In dem für diese Pumpen-Motor-Kombination ermittellten optimalen Punkt bei f=30Hz, konnte eine Reduzierung der Wirkleistung um 45% gegenüber den Messungen bei fN=50Hz realisiert werden. Dies entspricht zwar nicht ganz dem Ziel von 50%, betrachtet man jedoch die gemessene Wirk-leistung des Wechselstrommotors bei der Nennspannung UN=230V als Grundlage, so sinkt der Wirkleis-tungsanteil sogar um 67%. Obwohl die gemessenen Schalldruckpegel bei Nennspannung und Nennfrequenz beim Einsatz der Drehstrom-Asynchronmaschine mit Frequenzumrichter durchschnittlich 3,3dB höher lagen als beim Einsatz des Wechselstrommotors, waren im sie optimalen Punkt bei f=30Hz durchschnittlich 2,2dB niedriger als die Minimalwerte und sogar durchschnittlich 4,5dB niedriger als die Messwerte im angegebenen optimalen Bereich von U=160V…180V beim Einsatz des Wechselstrommotors.
Wesentlich ungünstiger waren die Oberschwingungen im Motorstrom bei der Übermodulation im Frequenzbereich von ca. 42,5Hz bis 50Hz. Dieses Problem lässt sich jedoch durch die zusätzliche Verwendung einer PFC-Schaltung (power-factor-correction-Schaltung) wirkungsvoll reduzieren.
Probleme bereitet der Schweranlauf der Pumpe bei geringen Temperaturen und der damit verbundene starke Anstieg des Stromes. Durch das Anlaufsverfahren mit niedriger Frequenz und niedriger Spannung kann der Anlassstrom wesentlich verringert werden. Für den extremen Fall, dass über längeren Zeitraum ein großer Drehmomentbedarf besteht, kann es sein, dass die Ströme an die vorgegebenen Grenzen des SPM stoßen. Durch eine entsprechende Dimensionierung des SPM, d. h. durch Überdimensionierung bezüglich des Nennarbeitspunktes könnte dieses Problem umgangen werden. Dabei ist festzustellen, dass die Preisunterschiede zwischen dem verwendeten SPM und dem nächst größeren Modell relativ gering sind.
Auf Grund der störenden Nebengeräusche unterhalb der Frequenz von 30Hz wird der optimale Arbeitspunkt bei f=30Hz für die untersuchte Anwendung vorgeschlagen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse münden in die Produktion eines durch Frequenzumrichter gesteuerten Vakuumpumpenantriebes.


Fazit

Die Versuche haben gezeigt, dass vor allem eine sehr deutliche Verminderung der Geräuschemission durch den Einsatz eines Frequenzumrichters mit der untersuchten Motor-Vakuumpumpen-Kombination möglich ist. Weiterhin ist es gelungen, den Energiebedarf im Leerlauf zu reduzieren.

Übersicht

Fördersumme

25.000,00 €

Förderzeitraum

20.08.2002 - 01.09.2003

Internet

www.protronic-gmbh.de

Bundesland

Sachsen

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik