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Bild: Drehzahlstarter DE1 - Eaton

| von Kathrin Irmer

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Die Energieeffizienzklassen für Elektromotoren von IE2 über IE3 und IE4 bis hin zu IE5 werden in der Branche intensiv diskutiert. Eines steht dabei fest: Der Bedarf an Frequenzumrichtern wird steigen. Vielerorts wird deshalb bereits das Ende für Schütze und Motorstarter ausgerufen. Doch haben diese wirklich ausgedient?
Bislang gab es vor allem zwei Alternativen, um elektrische Antriebe effizient zu schützen und zu schalten: den Motorstarter und den Frequenzumrichter. Der Motorstarter bietet eine kostengünstige Lösung mit einfacher Handhabung und hoher Zuverlässigkeit, aber begrenzter Funktionalität. Der Frequenzumrichter hingegen wartet mit der Möglichkeit der variablen Drehzahlregelung und mit viel Funktionalität auf. Das geht jedoch mit einer höheren Komplexität einher, die höhere Investitionen und in der Regel fundierte Antriebstechnik-Kenntnisse des Anwenders erfordern. Welche Lösung die „richtige” ist, lässt sich nur individuell für jeden Anwendungsfall und unter Berücksichtigung des gesamten Systems entscheiden.

Um die Energieeffizienz von Elektromotoren auf das Niveau der Wirkungsgradklasse IE3 zu heben, mussten die Motorenhersteller einige konstruktive Veränderungen vornehmen. Viele dieser Maßnahmen beeinflussen die elektrischen Eigenschaften des Motors, sodass diese weniger ohmschen Widerstand haben und infolgedessen die Einschaltströme steigen. Das heißt, dass sich gleichzeitig die Anforderungen an die Schaltgerätetechnik wie Schütze und Motorschutzschalter ändern. Doch welche Optionen hat der Anwender?

Motoransteuerung im Zeitalter von IE3

Bild: Motor mit IE3 – Eaton

 

Ob Direktstart, Stern-Dreieck-Starter oder Softstarter – alle drei Motorstartvarianten zielen darauf ab, die hohen Anlauf- und Stoßströme der Drehstrommotoren mit ihren störenden Spannungseinbrüchen im Netz und starken Stoßmomenten in der Mechanik sicher zu handhaben. Die bislang wichtigste Alternative hierzu ist der Frequenzumrichter. Dieser ermöglicht eine stufenlose Drehzahlregelung des Drehstrom-Asynchronmotors und verhindert außerdem hohe Stromspitzen im elektrischen Netz und stoßartige Belastungen in den mechanischen Teilen von Maschine und Anlage. Seit kurzem gibt es jetzt noch eine dritte Alternative – den Drehzahlstarter. Dieser schließt eine bislang bestehende Lücke: Sind Frequenzumrichter für viele Anwendungen wie Pumpen oder Lüfter hinsichtlich Komplexität und Funktionalität häufig überdimensioniert, bieten klassische Motorstarter keine Mög­lichkeit zur Drehzahlregelung. Genau in diesem Zwischenbereich stellen die neuen Drehzahlstarter (Speed Starter) eine ideale Lösung dar:

  •  Start von Motoren in Anwendungen mit konstanter Drehzahl, die kein reduziertes Startmoment zulassen, in denen aber der hohe Einschaltstrom und die hohe mechanische Beanspruchung beim direkten Start nicht akzeptabel sind.
  •  Anwendungen mit konstanter Drehzahl, die aber eine Frequenz erfordern, die nicht der Nennfrequenz entspricht (z.B. schnell laufende Motoren für die Werkzeuge in der Holzindustrie).
  •  Häufig startende Motoren, in denen der hohe Einschaltstrom beim Direktstart am Netz zu einer Überhitzung des Motors führen würde.
  •  Einfache Anwendungen in den Fällen, wo bisher ein Motorstarter eingesetzt wurde, aber aus Gründen der Energieeffizienz eine variable Drehzahl erforderlich ist. Anwendungen, in denen die bisherigen Low-End-Frequenzumrichter immer noch zu komplex sind.
    Wann passt welcher Motorschutz?

Die Komplexität von Maschinen und Anlagen nimmt stetig zu. Die sich häufig ändernden Normen und Richtlinien – gerade auch im Bereich Energieeffizienz – machen es Anwendern schwer, immer den Überblick zu behalten. Daher besteht bei der Auswahl von Motorschutz- bzw. Motorregelungstechnik die Gefahr, dass Systeme falsch ausgelegt oder überdimensioniert werden, besonders im Lichte der veränderten elektrischen Eigenschaften von hocheffizienten IE3-Motoren. Viele Anwender stellen sich deshalb die Frage, für welche Applikation ist welche Steuerung am besten geeignet.

Motorstartervarianten (v.l.n.r): Direktstarter, elektronischer Direktstarter, Stern/Dreieck-Starter, Softstarter, Drehzahlstarter (Speed Starter), Frequenzumrichter

Bild: Drehzahlstarter – Eaton

 

Folgende Übersicht soll Hilfestellung bieten:
1. Schütze und Motorschutzschalter stellen auch in Zukunft die beste und energieeffizienteste Lösung für Anwendungen mit fester Drehzahl oder geringen Schalthäufigkeiten dar, wobei unbedingt deren Tauglichkeit für IE3-Motoren zu überprüfen ist. Denn Tests haben gezeigt, dass die in der DIN EN 60947-4-1 derzeit spezifizierten Grenzwerte für Schütze und Motorstarter im Zusammenspiel mit IE3-Motoren vielfach nicht ausreichen. Das heißt, das Schutzelement löst unter Umständen bereits während des standardmäßigen Motoranlaufs aus, auch wenn kein Fehler oder Kurzschluss vorliegt. Um dies zu vermeiden, sollten die Anlauffaktoren (Anlaufspitzenstrom zu Betriebsstrom) nicht mehr nur wie derzeit vorgeschrieben einen Faktor acht abdecken können, sondern mindestens einen Faktor zehn (dabei auch Fertigungstoleranzen der Motoren beachten).

  • Der Direktstart ist am besten für Antriebe an starken Netzen geeignet, die hohe Anlaufströme zulassen und wo die Applikation ein hohes Anlaufmoment verträgt. Installation und Handhabung sind einfach, es handelt sich um einen besonders kostengünstigen Motorstarter.
  • Die Stern-Dreieck-Schaltung eignet sich aufgrund eines reduzierten Anzugsmoments für Antriebe mit kleinem oder erst mit der Drehzahl steigendem Lastmoment wie bei Pumpen und Lüftern. Sie wird auch dort eingesetzt, wo der Antrieb erst nach dem Hochlauf belastet wird, beispielsweise bei Pressen und Zentrifugen. Installation und Handhabung sind einfach, es handelt sich um eine Motorstarterlösung mittlerer Komplexität.
  • Der Softstarter erlaubt ebenfalls nur einen Anlauf mit reduziertem Moment, bietet jedoch den Vorteil einer stufenlosen Spannungsanpassung, sodass der bei Stern-Dreieck übliche Umschaltstoß in Strom und Drehmoment entfällt. Installation und Handhabung sind einfach.

2. Elektrische Steuerung der Motordrehzahl mithilfe eines Frequenzumrichters ist die beste Wahl bei Applikationen mit variabler Drehzahl beziehungsweise sich stark verändernder Last. Zur Installation und kundenspezifischen Konfiguration sind oft tiefere Kenntnisse der Antriebstechnik notwendig und es handelt sich um die komplexeste und damit auch kostenintensivste Lösung zur Motorsteuerung. Aufgrund der Eigenschaft, in vielen Fällen für einen besseren Gesamtwirkungsgrad der Anlage zu sorgen und somit deren Energieeffizienz zu erhöhen, kommen Frequenzumrichter zunehmend auch bei einfachen Anwendungen zum Zuge. Doch Vorsicht: Bei vielen Anwendungen wie Pumpen oder Lüftern besteht die Gefahr der Überdimensionierung hinsichtlich Komplexität und Funktionalität.

 3.  Die neue Geräteklasse der Drehzahlstarter (Speed Starter) lässt sich so einfach handhaben wie ein Motorstarter, bietet aber gleichzeitig die Möglichkeit der variablen Drehzahlregelung. Indem sie die Vorteile von Frequenzumrichtern und Motorstartern vereinen, bieten die leicht zu installierenden Geräte eine kosteneffiziente und zuverlässige Alternative, um gerade Anwendungen mit bisher konstanter Drehzahl energieeffizienter zu machen. Die Drehzahlstarter stellen eine ideale Lösung für Anwendungen dar, die nur eine begrenzte Funktionalität aber eine variable Drehzahl erfordern sowie für Anwendungen mit konstanter Drehzahl, in denen eine Motorstarterlösung nicht ausreicht.

Autoren: Heribert Joachim, Senior Project Manager Drives, Eaton und Kathrin Irmer

 

 Checkliste für den Einkauf von Steuer- und Regelgeräten für Motoren

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Handelt es sich um eine Anwendung mit fester oder variabler Drehzahl?

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Wie hoch sind die Anlaufströme des Motors beim Direktstart (Achtung: höhere Effizienzklassen bedeuten in der Regel höhere Anlaufströme)?

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Mit welchem Ablauffaktor (Anlaufspitzenstrom zu Betriebsstrom) muss gerechnet werden?

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Sind die genauen Bemessungsdaten des Motors bekannt (Spannung, Strom, Leistung, Wirkungsgrad, Effizienzklasse)?

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Um welchen Motorentyp handelt es sich (Asynchronmotor, Synchronmotor, Permanentmagnetmotor, Reluktanzmotor)?

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Kann beim Start eines Motors, der mit konstanter Drehzahl läuft, ein reduziertes Anlaufmoment akzeptiert werden?

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Wie sind die Umgebungsbedingungen (z.B. Schutzartklasse, EMV, Vibrationen)?

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In welcher spezifischen Applikation soll der Motorschutz/die Motorsteuerung eingesetzt werden, d.h. wie viel Funktionalität ist wirklich erforderlich?

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Gibt es spezielle Anforderungen zur Steuerung und Bedienung?


Einkaufsführer in Zusammenarbeit mit Eaton:

Eatons Geschäftsbereich Elektrotechnik bietet Produkte und Engineering-Dienstleistungen zur Energieverteilung, sicherer und unterbrechungsfreier Stromversorgung, Maschinen- und Gebäudeautomatisierung, Anlagen- und Motorschutz, Beleuchtungs-, Sicherheits- und Kabelmanagement sowie Komponenten für raue Umgebungsbedingungen und explosionsgefährdete Bereiche an. Eaton ist ein Energiemanagement Unternehmen und erzielte im Jahr 2013 Umsätze in Höhe von 22 Mrd US-Dollar. Eaton bietet energieeffiziente Lösungen, die seinen Kunden dabei helfen, elektrische, hydraulische und mechanische Energie effizienter, sicherer und nachhaltiger zu nutzen. Eaton beschäftigt etwa 103.000 Mitarbeiter und beliefert Kunden in mehr als 175 Ländern. Weitere Informationen unter: www.eaton.de