Projekt 27349/01

Weiterentwicklung eines adaptiven Reglers für den energieeffizienten Betrieb asynchroner Elektromotore im Teillastbereich

Projektträger

MK - Regler GmbH, Gesellschaft zur Forschung, Entwicklung, industriellen Fertigung und Vertrieb von elektronischen und elektromechanischen Baugruppen
Blohmstr. 37 - 61
12307 Berlin
Telefon: 030/26079814

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Asynchronmotoren sind in Baureihen, die verschiedenen Leistungsstufen entsprechen, eingeteilt und werden üblicherweise auf das durch die Maschinenkonstruktion vorgegebene Spitzenlastmoment ausgelegt. Mit Ausnahme von speziellen Betriebsarten, in denen kurze Überlastungen der Maschinen durch lange Pausen oder Ausschaltungen kompensiert werden, entsteht aus diesen willkürlich gewählten Baureihen eine konstruktionsbedingte Auslegungsreserve. Asynchronmaschinen haben neben ihren überwiegend positiven natürlich auch negative Eigenschaften. Eine dieser negativen Eigenschaften ist, dass der Strom der fließt um die Maschine im Teillastbereich zu drehen, quadratisch größer ist, als für den Teillastbereich eigentlich nötig wäre. Es entsteht im Bezug auf die Nennleistung und den für den Nenn-betrieb notwendigen Strom, eine Diskrepanz zwischen Strom und Leistung, die durch eine geeignete Beeinflussung des technischen Systems, zurückgeführt werden soll.
Effiziente Energieverwendung ist ein wichtiges Instrument zum Klimaschutz.
Denn für die Erzeugung einer Kilowattstunde elektrischen Stroms werden etwa drei Kilowattstunden Primärenergie (Kohle, Erdöl) verbraucht.
Und 960 kWh entsprechen 1 Tonne CO2!
Ziel unseres innovativen Ansatzes war es, durch eine effizientere Technik die gleiche Energiedienstleistung bei geringerem Energieaufwand zu erreichen.
Die wesentliche Zielsetzung im Vorgänger-Projekt Nr. 26662-21 war, ein Energiespargerät für Drehstrom-Asynchronmotoren zu entwickeln, welches in der Lage ist, im Teillastbetrieb des Motors wirtschaftlich Energie (Schein-, Blind- und Wirkleistung) einzusparen. Im Rahmen dieses Projektes konnte die Problematik der Schwingungsneigung des Motors softwaremäßig gelöst werden und die Oberwelleproblematik als vernachlässigbar eingestuft werden.
Aus den gewonnen Erkenntnissen des Vorgänger-Projekts Nr. 26662-21 ergaben sich folgende Maßnahmen, die im Projekt Nr. 27349 erfolgreich umgesetzt wurden: Netzmessfähigkeit im Bypass-Betrieb, um abhängig von der Lastbeaufschlagung und dem sich ergebenden Einsparpotential automatisch zwischen Netzbetrieb und Motorkontroller-Betrieb umzuschalten, sowie der Einsatz eines Displays mit Tastatureingabe zur Kundenseitigen Eingabe von Motordaten und die Schaffung einer Kommunikationsmöglichkeit via PROFIBUS. Weiterhin sollte der mögliche Einsatz von Scheibenthyristoren verifiziert werden. In Feldtests sollten die Einsatzmöglichkeiten bei verschiedenen Anwendungen getestet werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenBei dem durchzuführenden Projekt Nr. 27349 handelt es sich um die Weiterführung des Projektes Nr. 26662-21.
Die Netzmessfähigkeit wurde durch Hardware- und Softwareadaptionen erreicht. Das Modul wurde um Display und Taster erweitert und die Software um die Parametrierungsfähigkeit erweitert. Ebenso wurde die Kommunikationsmöglichkeit via PROFIBUS hardware- und softwaremäßig erfolgreich umgesetzt. Der Einsatz von Scheibenthyristoren erwies sich als nicht zielführend. Feldtests wurden bei verschiedenen Anwendungen erfolgreich durchgeführt und führten zu verschiedenen softwareseitigen Anpassungen.
In Zusammen mit unserem Kooperationspartner IAL wurden gemeinsame Entwicklungsarbeiten in den Kernbereichen Hardware, Software Engineering sowie der Optimierung des Regelverfahrens durchgeführt. Die Arbeiten waren in insgesamt 10 Arbeitspakete, mit entsprechenden methodischen Verfahren, Projektleistungen und Meilensteinen, strukturiert.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen der Fördermaßnahme der DBU wurde ein elektrisches Regelgerät für Drehstrom-Asynchronmotoren, zur Lastabhängigen Energieoptimierung, entwickelt und bis zur Marktreife geführt.
Das Gerät besteht aus einem Drehstromsteller mit Thyristoren, der Elektronik mit Reglereinheit, Bauteilen und Schaltungen zur erforderlichen Messwertaufnahme und der Spannungsversorgung.
Zur Integration in einen bestehenden Industrieprozess und dem damit verbundenen Signalverkehr (Start, Stopp, Störung etc.) ist eine entsprechende Anzahl von Ein- und Ausgängen berücksichtigt und programmiert worden. Display und Taster ermöglichen dem Kunden die optimale Parametrierung. Optional kann der Motorkontroller via PROFIBUS in eine übergeordnete Steuerung eingebunden werden.
Das Gerät ist leistungsfähiger als Sanftstarter, da es neben der ebenfalls enthaltenen Sanftstart-Funktion auch die Leistungsaufnahme im laufenden Betrieb optimiert.
Das Gerät kann aufgrund seiner technischen Eigenschaften bei Asynchronmotoren eingesetzt werden, für die Frequenzumrichter technisch bedingt nicht einsetzbar sind.

Als kurzes Beispiel zur Darstellung des Potentials einer Energieoptimierung:
Ein 15kW Motor einer Spritzgussmaschine verbraucht in 4160 Betriebsstunden bei einer durchschnittlichen effektiven Wirkleistung von 60% der Nennleistung 37.440 kWh pro anno. Eine 10-prozentige Einsparung würde in diesem Falle einen Minderverbrauch von 3744 kWh an Endenergie bedeuten, oder etwa 11.200 kWh an Primärenergie.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Ergebnisse und Produktprofil wurden durch Artikel in Fachzeitschriften und auf Webportalen sowie in der Unternehmenskommunikation durch Printmaterial und Website verbreitet.


Fazit

Durch die im DBU-Projekt Nr. 27349 umgesetzten Arbeitspakete konnte das Produkt marktgerecht weiterentwickelt werden. Durch die Schaffung der Netzmessfähigkeit ist gewährleistet, dass der Energieverbrauch mit Motorkontroller nie größer ist als ohne. Durch die Eingabemöglichkeit via Display und Taster können die für die optimale Regelung erforderlichen Werte direkt vom Endanwender eingegeben werden. Die optionale PROFIBUS-Anbindung ermöglicht die Integration in übergeordnete Steuerungen. Energieeinsparungen sowie daraus resultierende Umweltentlastungen lassen sich mit dem Gerät wirtschaftlich realisieren.