Motoren für Pumpensysteme

Motoren für
Pumpenantriebe.
Welche Motoren sind für Pumpenantriebe geeignet?
+ Lebenszykluskosten von Pumpenantrieben.
Welche Motoren sind für
Pumpenantriebe geeignet?
Da Pumpen in einer Vielzahl von Bauformen für eine Vielzahl un-
Bei Synchronmotoren gibt das Stromnetz den Takt vor.
terschiedlicher Anwendungen eingesetzt werden, gibt es auch eine
Das Funktionsprinzip von Synchronmotoren ist recht leicht ver-
entsprechende Vielfalt an Antriebslösungen. So gibt es für mobile
ständlich und eignet sich daher am besten für eine Einführung in
Anwendungen batteriebetriebene Gleichstrommotoren, für freiste-
die Welt der Drehstrommotoren. Im einfachsten Fall besteht ein
hende Bewässerungsanwendungen dieselbetriebene Pumpaggre-
Synchronmotor aus einem drehbar gelagerten Permanentmag-
gate und für explosionsgeschützte Anwendungen pneumatische
neten, dem „Rotor“ bzw. „Läufer“. Dieser sitzt in einem Käfig mit
Motoren.
drei Kupferwicklungen, dem „Stator“. An diese Wicklungen wird je
eine Phase des Stromnetzes angeschlossen. Aufgrund des phasen-
Der überwiegende Teil der Pumpenantriebe in Industrie und Ge-
verschobenen, sinusförmigen Spannungsverlaufs der drei Phasen
werbe besteht jedoch aus netzbetriebenen Elektromotoren. Hier
beim Drehstrom wird in den Statorwicklungen ein Magnetfeld er-
dominieren die Drehstrom-Asynchronmotoren. Eine deutlich ge-
zeugt, dessen Ausrichtung (Nord- und Südpol) sich mit der Netz-
ringere Verbreitung haben zurzeit noch Synchronmotoren, z.B.
frequenz im Stator dreht. Der magnetische Rotor folgt diesem Ma-
Permanentmagnet-Motoren und so genannte elektrisch kommu-
gnetfeld.
tierte Motoren (EC-Motoren).
Spannungsverlauf der drei Phasen beim Drehstrom
Je nachdem, ob die Motoren auf der „trockenen Seite“, also außerhalb der Rohrleitung installiert sind, oder sich im Fördergut befinden, unterscheidet man Trocken- bzw. Nassläufer. Die überwiegende Zahl der größeren Pumpen in Industrie und Gewerbe sind
Trockenläufer. Es gibt jedoch auch die "nasse" Variante. Hier befindet sich der stromdurchflossene, statische Teil zwar auch außerhalb
des Förderguts, der gesamte sich drehende Teil ist jedoch innerhalb
des Förderguts untergebracht. Man spricht auch von „Spaltrohrmotoren“. Da diese Bauform ohne Wellendurchführungen und damit
auch ohne dynamische Dichtungen auskommt, muss sie deutlich
seltener gewartet werden. Sie kommt zum einen dort zum Einsatz,
wo die Pumpen ohne regelmäßige Wartung auskommen sollen,
z.B. bei Heizungsumwälzpumpen und zum anderen dort, wo aus
Synchronmotoren drehen sich also mit der Netzfrequenz. Tatsäch-
Sicherheitsgründen Leckagen unbedingt vermieden werden müs-
lich können sie auch nur in diesem Zustand ein Moment (Drehkraft)
sen, z.B. bei explosionsfähigem oder giftigem Fördergut.
erzeugen. Kommt ein Synchronmotor aus dem Takt, z.B. weil er zu
stark belastet wird, bricht das Drehmoment schlagartig zusammen.
Im Folgenden werden zunächst die Funktionsweise und Besonder-
Aus diesem Grund benötigen sie auch zum Anfahren eine Anlauf-
heiten der für Pumpen relevanten Motortypen erläutert. Anschlie-
hilfe, z.B. einen Frequenzumrichter. Die Trägheit des Rotors wäre
ßend werden Hinweise darauf gegeben, wie durch eine voraus-
zu hoch, um ihn aus dem Stillstand auf Netzfrequenz zu beschleu-
schauende Auswahl der Antriebe die Lebenszykluskosten von Pum-
nigen.
pensystemen minimiert werden können.
Die oben beschriebenen „permanenterregten“ Motoren unterliegen einer wesentlichen Einschränkung. Permanentmagneten stehen zu vertretbaren Investitionskosten nur für kleine Leistungen
zur Verfügung. Dies führt dazu, dass in größeren Leistungsklassen
überwiegend eine Variante anzutreffen ist, die ohne Permanentmagneten auskommt. Hier wird das Rotormagnetfeld elektrisch
erregt, indem einer Wicklung auf dem Rotor über Schleifkontakte
Gleichstrom zugeführt wird. Durch die Schleifringläufer sind
diese Motoren jedoch weniger robust und auch immer noch relativ
teuer.
EnergieEffizienz lohnt sich
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Synchronmotor
Die Bezeichnung Asynchronmotor rührt daher, dass sich der Rotor
nicht synchron mit dem Statormagnetfeld dreht, sondern etwas
langsamer läuft. Man spricht von einem „Schlupf“. Dieser Schlupf
hängt von der Last auf der Motorwelle ab. Je nachdem, wie die Statorwicklungen aufgebaut sind, spricht man von zwei-, vier-, sechsoder mehrpoligen Motoren. Es können immer nur ganze Polpaare,
also geradzahlige Polzahlen auftreten. Die Synchrondrehzahl des
Motors entspricht der Netzfrequenz geteilt durch die Polpaarzahl.
Ein üblicher zweipoliger Pumpenmotor hat eine Synchrondrehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute bei 60 Hz (=3000/min).
Zusammen mit dem Schlupf ergibt sich im Auslegungspunkt eine
Nenndrehzahl von 2900/min. Die meisten Industriepumpen werden alternativ auch noch mit einem vierpoligen Motor und einer
Drehzahl von 1450/min angeboten. Mit polumschaltbaren Motoren
lassen sich verstellbare Drehzahlen respektive Leistungsstufen realisieren. Je nach Ausführung haben polumschaltbare Motoren in
Synchronmotoren: kompakt, gut regelbar und sehr effizient.
beiden Stufen das gleiche Drehmoment oder in der unteren Stu-
Synchronmotoren haben einige entscheidende Vorteile gegenüber
fe ein geringeres Drehmoment. Letztere entsprechen besser dem
anderen Motorbauarten. Sie haben einen sehr hohen elektrischen
Drehmomentenverlauf von Pumpen. Sie werden mit der Bezeich-
Wirkungsgrad, auch im Teillastbetrieb. Ihre Leistungsdichte, also
nung „Für Pumpen- und Lüfteranwendungen“ versehen und sind
das Verhältnis von Leistung zu Volumen, ist höher als bei anderen
zu bevorzugen.
Motoren. In Verbindung mit Frequenzumrichtern ist eine präzise
Regelung möglich, weshalb sie oft als Antriebe für Dosierpumpen
Asynchronmotor
verwendet werden. Die hohe Energieeffizienz hat ihren Preis: Synchronmotoren sind in der Anschaffung meist teurer als entsprechende Asynchronmotoren. In der Ausführung als Schleifringläufer sind sie auch etwas weniger robust. Dennoch macht sich in vielen Fällen die Mehrinvestition durch die Energiekosteneinsparung
bald bezahlt.
Zurzeit haben Synchronmotoren bei Pumpenmotoren nur eine
sehr geringe Verbreitung. Es ist jedoch anzunehmen, dass sich dies
mit steigenden Energiepreisen und zugleich sinkenden Preisen für
Frequenzumrichter ändern wird. Insbesondere permanenterregte
Synchronmotoren können hier aufgrund ihres hohen elektrischen
Wirkungsgrades bei zugleich geringen Instandhaltungskosten insbesondere bei hohen Laufleistungen deutliche Vorteile in Bezug
auf ihre Lebenszykluskosten haben.
Ein Asynchronmotor läuft der Netzfrequenz hinterher.
Auch der Asynchronmotor besteht aus einem Stator und einem Ro-
Asynchronmotoren sind preiswert, robust und weit verbreitet.
tor (Läufer) mit Kupferwicklungen. Im Gegensatz zum Synchron-
Asynchronmotoren lassen sich preiswert herstellen und sind – ohne
motor sind die Enden der Läuferwicklungen jedoch kurzgeschlos-
Schleifringe – fast wartungsfrei. Ein Betrieb am Drehstromnetz ist
sen und werden in den allermeisten Fällen nicht auf Schleifringe
meist ohne Anlaufhilfe möglich. Aufgrund dieser Vorteile sind die
geführt. Durch das Wechselfeld im Stator wird im Läufer berüh-
weit überwiegende Zahl der heute eingesetzten Drehstrommo-
rungslos ein Strom „induziert“ und damit ein Magnetfeld aufge-
toren Asynchronmaschinen. Diese weite Verbreitung sorgt dafür,
baut.
dass der Anwender aus einem großen Angebot verschiedener Lieferanten auswählen kann.
EnergieEffizienz lohnt sich
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Um die Kompatibilität der angebotenen Motoren zu gewährleis-
Oberhalb von 132 kW beginnt der Bereich der „Transnormmo-
ten, wurden viele Eigenschaften in internationalen Normen festge-
toren“. Hier werden die Abmessungen aus der IEC 60072 entnom-
legt. Europaweit sind z.B. für Motoren bis 132 kW die Leistungsstu-
men. Diese sind aber keinen Leistungsstufen zugeordnet, so dass
fen und die zugehörigen Abmessungen in der EN 50347 festgelegt.
bei diesen Maschinen teilweise nicht einmal die Baureihen des glei-
Man spricht hier von „Normmotoren“. Es werden insbesondere die
chen Herstellers problemlos austauschbar sind.
Achshöhe und die Wellenenden-Abmessungen genormt, so dass
bei Trockenläuferpumpen in diesem Leistungsbereich die Motoren
EC-Motoren bestimmen ihren Takt selber.
problemlos gegen die eines anderen Herstellers ausgetauscht wer-
Elektronisch kommutierte oder EC-Motoren ergänzen die positiven
den können.
Eigenschaften von Synchronmaschinen um die Fähigkeit, sich an
die Last anzupassen. Sie sind wie Synchronmotoren aufgebaut, besitzen jedoch zusätzlich eine Leistungselektronik. Abhängig von
Normmotor
der Rotorposition wird das Drehfeld so gesteuert, dass es dem Rotor stets vorauseilt. Der Drehstrom wird beim Erreichen einer bestimmten Rotorposition weitergeschaltet. Da der Rotor selbst das
Drehfeld steuert, ist stets das volle Drehmoment verfügbar. Bei
Überlastung nimmt die Drehzahl ab, das Drehmoment bricht nicht
zusammen.
EC-Motoren sind auch unter dem Namen „Brushless-DC Motor“
(BLDC) bekannt. Sie zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad -auch im Teillastbereich-, durch hohe Leistungsdichte und
durch eine gute Regelbarkeit aus. Diesen Vorteilen im Betrieb stehen jedoch höhere Anschaffungskosten gegenüber. Zurzeit werden
EC-Motoren im Leistungsbereich bis 2 kW und dort überwiegend
für Pumpen mit Spaltrohrmotor (Nassläufer) eingesetzt. Den größten Kostenvorteil haben sie derzeit beim Einsatz als geregelte Heizungsumwälzpumpen.
Energy+ Pumps
Energy+ Pumps
Das EU-Projekt „Energy+ Pumps“ will den Markt für Heizsysteme mit hocheffizienten Pumpen vorantreiben. Ziel ist es, weitere Hocheffizienzpumpen auf den Markt zu bringen und eine
Massennachfrage zu erreichen, die den Stückpreis der Pumpen
senken kann. Langfristig sollen so die hocheffizienten Umwälzpumpen zum europäischen Standard werden.
Um diese Ziele zu erreichen führt das Projekt unter anderem
Das Projekt „Energy+ Pumps“ ist Bestandteil des Intelligent En-
die wichtigsten Akteure am Markt zusammen. Dies sind die
ergy-Europe Programms der Europäischen Kommission und
Pumpen- und Heizungshersteller, die Heizungsinstallateure
wird europaweit von zehn Partnern aus neun Ländern umge-
und die Käufer von Umwälzpumpen, sowohl Eigentümer von
setzt. Die Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) ist einer der
großen Gebäudebeständen als auch private Hausbesitzer.
Partner und steht Ihnen für Informationen unter
[email protected] zur Verfügung.
EnergieEffizienz lohnt sich
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Lebenszykluskosten von Pumpenantrieben.
Die Auswahl des Pumpenantriebs sollte unter dem Gesichtspunkt
Energieverluste von Motoren
erfolgen, welche Alternative über die Lebensdauer des Motors am
wirtschaftlichsten ist. Bei Motoren haben die Anschaffungskosten
einen eher geringen Einfluss auf die Lebenszykluskosten. Auch die
Installationskosten unterscheiden sich kaum, solange es sich um
Normmotoren handelt. Bei Transnormmotoren sollte jedoch darauf geachtet werden, dass die Anschlüsse von Motor und Pumpe zusammenpassen.
Die Folgekosten übertreffen die Anschaffungskosten eines Motors
oft schon im ersten Jahr. Asynchronmotoren haben eine durchschnittliche Lebensdauer von 12 Jahren im Bereich unter 7,5 kW,
16 Jahren im Bereich zwischen 7,5 und 75 kW und etwa 20 Jahren bei Leistungen größer als 75 kW. Angesichts dieser hohen
Lebensdauer bestimmen die Wartungs- und vor allem die Energiekosten die Summe der Lebenszykluskosten. Durch hocheffiziente Motoren können die Energiekosten gesenkt werden.
Die Effizienzklasse ist entscheidend.
Der elektrische Wirkungsgrad eines Pumpenantriebs wird durch
Energieverluste an verschiedenen Stellen bestimmt. Der Wider-
,Eine Orientierung gibt die Klassifizierung nach der freiwilligen
stand in den Kupferdrähten führt zu einer Erwärmung der Motor-
Vereinbarung zwischen der Europäischen Kommission und
wicklung. Diese Wärmeenergie muss abgeführt werden und kann
dem Komitee der Hersteller von elektrischen Maschinen und
nicht mehr für den Pumpenantrieb genutzt werden. Wenn bei der
Leistungselektronik (CEMEP). Sie teilt Motoren im Leistungsbe-
Kupferwicklung an Material gespart wird, sind die Verluste höher.
reich zwischen 1,1 kW und 90 kW in Effizienzklassen ein. Dabei
Eisenverluste entstehen durch die periodische Ummagnetisierung
wird nach Baugröße und Polzahl differenziert. Für Motoren,
des Stators (so genannte „Hystereseverluste“). Auch in der Rotor-
die mit hoher Auslastung laufen, bietet die Klasse „eff 1“ einen
wicklung entsteht Wärme. Obwohl die Rotorwicklung oft aus Alu-
hohen Wirkungsgrad. Für Anwendungen mit geringeren Be-
minium besteht, spricht man auch hier von Kupferverlusten. Rei-
triebsstundenzahlen reicht die Klasse „eff 2“. Motoren der
bungsverluste entstehen durch Lagerreibung. Hier kann auch die
Klasse „eff 3“ entsprechen nicht mehr dem Stand der Tech-
Energie für den Betrieb des Lüfters hinzugezählt werden.
nik und sollten nicht mehr eingesetzt werden. Befindet
Art, Nennleistung und Belastung der Motoren entscheiden über
kann das ein Hinweis darauf sein, dass der Motor nach
die Verluste von Elektromotoren im Dauerbetrieb. Mit steigender
CEMEP-Nomenklatur in die „Effizienzklasse“ eff 3 fällt.
sich im Katalog oder auf dem Typenschild keine Angabe,
Nennleistung nehmen die relativen Verluste ab: Große Motoren
haben wesentlich bessere Wirkungsgrade als kleine. Die Streuung
Effizienzklassen nach CEMEP-Vereinbarung für 4-polige Motoren
der Wirkungsgrade von verschiedenen Motoren einer Leistungsklasse nimmt ebenfalls mit wachsender Leistung ab. Da die meisten
Pumpenmotoren aber viele Stunden am Stück laufen, ist jeder Prozentpunkt Wirkungsgrad bares Geld wert. Bei der Auswahl eines
,
Motors sollte nicht allein dem Werbeversprechen des Herstellers
Vertrauen geschenkt werden, sondern tatsächlich verglichen werden, wie hoch der angebotene Wirkungsgrad im Verhältnis zu dem
bestmöglichen ist. Hierbei ist es wichtig zu wissen, dass die möglichen Wirkungsgrade von der Baugröße des Motors abhängen.
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Im internationalen Vergleich sind die europäischen Anforde-
Für Industriemotoren wird Zuverlässigkeit empfohlen.
rungen an die Energieeffizienz elektrischer Antriebe wenig ambi-
Da die in den internationalen Normen spezifizierten Eigen-
tioniert. Im Gegensatz zu Europa gibt es in den USA und Kanada
schaften in vielen Fällen noch nicht ausreichend für den Einsatz
Mindestanforderungen für auf dem nordamerikanischen Markt
in der Industrie sind, haben wichtige Anwender aus der Che-
eingesetzte Motoren. Diese wurden in den Vereinigten Staaten be-
mie, der Kraftwerkstechnik und anderen Industriezweigen den
reits 1997 mit dem Energy Policy Act (EPAct) und in Kanada durch
Arbeitskreis Elektrische Antriebstechnik gegründet, welcher in
den Energy Efficiency Act verabschiedet. Auch im oberen Qualitäts-
seiner VIK-Empfehlung VE1 „Drehstrom-Asynchronmotoren“
segment sind die Nordamerikaner anspruchsvoller als die Europäer.
die industriellen Anforderungen in Bezug auf Handhabbarkeit
Die Motoren der Klasse NEMA Premium Motor Efficiency Standard
und die betriebstüchtige, zuverlässige Ausführung beschreibt.
haben einen besseren Wirkungsgrad als die europäischen eff 1-Motoren. Beim Vergleich amerikanischer und europäischer Normen
Im Interesse minimaler Lebenszykluskosten empfiehlt es sich
ist weiterhin zu beachten, dass - aufgrund unterschiedlicher Mess-
für industrielle Anwender, Motoren generell nach der VIK-
vorschriften - insbesondere im unteren Leistungsbereich die ame-
Empfehlung zu beschaffen. Viele Hersteller bieten entspre-
rikanischen Motoren effizienter sind als europäische mit einem
chende Motoren mit günstigen Lieferzeiten und nur geringen
gleich hoch angegebenen Wirkungsgrad.
Mehrpreisen an. In den meisten Fällen ist es empfehlenswert,
sich auf einen einheitlichen, hohen Standard festzulegen, da
der Aufwand einzelfallspezifischer Ausschreibungen und einer
Ersatzteilvorhaltung für verschiedene Motorstandards zumindest bei den kleineren und mittleren Leistungsklassen nicht gerechtfertigt ist.
Motor Challenge Programme
Motor Challenge Programme
Das „Motor Challenge Programme“ (MCP) ist ein Projekt der Europäischen Kommission mit dem Ziel, Industrieunternehmen
Die Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) ist natio-
zu motivieren, den energetischen Wirkungsgrad ihrer elek-
nale Kontaktstelle für dieses Programm. Wenn Sie als
tromotorisch betriebenen Systeme zu verbessern und so dem
Partner oder Unterstützer daran teilnehmen möchten,
durch Treibhausgasemissionen verursachten Klimawandel ent-
nehmen Sie bitte Kontakt zu uns auf. Nähere Informati-
gegenzuwirken. Druckluftsysteme stellen wegen ihrer weiten
onen zum MCP finden Sie auf unserer Internetseite unter:
Verbreitung einen Schwerpunktbereich des MCP dar.
www.system-energieeffizienz.de/motorchallenge.
Am „Motor Challenge Programme“ kann jedes Unternehmen – unabhängig von der Branchenzugehörigkeit – teilnehmen, das im Einklang mit den Zielen des MCP die Energieeffizienz seiner elektromotorischen Anwendungen
steigern und damit Verbrauch und Kosten senken will.
EnergieEffizienz lohnt sich
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Kampagne „Energieeffiziente
Systeme in Industrie und Gewerbe“.
Die Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“ wird von
der dena in Zusammenarbeit mit den Fachverbänden Pumpen + Systeme sowie
Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik des VDMA (Verband Deutscher
Maschinen- und Anlagenbau e.V.) umgesetzt. Unterstützt wird die Kampagne
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) sowie von
zahlreichen Partnerunternehmen und -institutionen.
Partner:
Sulzer Pumps
Die Kampagne ist Bestandteil der Initiative EnergieEffizienz. Die Initiative EnergieEffizienz wird getragen von der dena sowie den Unternehmen der Energiewirtschaft EnBW Energie Baden- Württemberg AG, E.ON AG, RWE AG und Vattenfall Europe AG. Sie wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi).
Eine Initiative von:
Gefördert durch das:
Impressum:
Informationsblätter zu
Pumpensystemen
Sind Sie an der Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“
interessiert? Dann nehmen Sie Kontakt mit uns auf.
Die Kampagnenleitung erreichen Sie zum Beispiel per E-Mail unter:
[email protected]
Oder Sie füllen auf der Internetseite www.system-energieeffizienz.de
das Formular unter der Rubrik „Kontakt“ aus.
Herausgeber:
Deutsche EnergieAgentur GmbH (dena)
Energieeffizienz im
Elektrizitätsbereich
Chausseestraße 128a, 10115 Berlin
Kontakt:
Tel: +49 (0)30 72 61 65- 600
Tel: +49 (0)30 72 61 65- 699
E-Mail: [email protected]
Internet:
www.system-energieeffizienz.de
www.dena.de