Energieeffizienz steigern

Die Energiepreise steigen und mindern dadurch die Wirtschaftlichkeit von Unternehmen. Gleichzeitig liegen erhebliche Sparpotentiale brach: Auch in der metallverarbeitenden Industrie ließe sich die Energieeffizienz verbessern, indem man den hohen Verbrauch der Werkzeugmaschinen drosselt und den Verschleiß mindert. Insbesondere bei häufigen Lastwechseln bietet es sich daher an, die Motorleistung intelligent zu steuern. Der auf Phasenschnitt basierende „Powerboss“, den die Chambers GmbH in Deutschland vertreibt, führt dem Motor gerade genug Strom zu, um die jeweilige Aufgabe zu bewältigen und kann für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsfälle programmiert werden.

18. Februar 2014

Wird ein ungeregelter Elektromotor mit konstanter Drehzahl zyklischen Belastungen unterworfen, geht in der Phase der Teil- oder Leerlast zwischen 30 bis 50 Prozent der aufgewendeten Energie einfach verloren. Der Grund: Läuft ein Elektromotor unterhalb seiner Nennleistung, nimmt er mehr Strom auf als für die Magnetisierung nötig ist. Das verursacht entsprechende Mehrkosten, da die überschüssige Energie in Hitze, Vibrationen und Lärm umgewandelt wird. Erst nahe der Volllast erreicht ein typischer ungeregelter Drei-Phasen-Induktionsmotor einen annehmbaren Wirkungsgrad von 80 bis 96 Prozent.

Ein weiteres Problem sind die Stoßimpulse, die auf den Antriebsstrang einwirken und dadurch einen Großteil der Reparaturfälle bewirken. Gerade in der Startphase kann die Drehmomentsbelastung schlagartig den 3,5-fachen Wert eines Volllast-Einsatzes erreichen, so dass Ausfälle und Produktionsstopps quasi vorprogrammiert sind. Eine Stern-Dreieck-Schaltung senkt zwar den Anlaufstrom, ist jedoch weit davon entfernt, diesen zu optimieren und produziert darüber hinaus beim Umschalten von Stern- auf Dreieck-Schaltung eine äußerst schädliche Drehstromspitze. Auch Frequenzumrichter bringen, bei häufigen Pausen in der Belastung oder wenn die Geschwindigkeit konstant gehalten werden muss, wenig bis gar nichts.

Die EU hält Unternehmen jedoch nicht nur dazu an Energie zu sparen, indem sie überall Frequenzumrichter installieren, auch der Einbau neuer EEF-Motoren, die bei Volllast zwischen sechs und acht Prozent weniger Strom benötigen, wird forciert. Allerdings sind viele davon größer als die bisherigen Modelle mit der gleichen Leistung, so dass sie nicht in die vorhandenen Maschinen eingebaut werden können. Außerdem sind sie extrem teuer. Wenn der alte Motor bleibt und mit einem Powerboss, der für etwa ein Drittel des Preises von einem EEF-Motor zu haben ist, ergänzt wird, lassen sich 15 bis 20 Prozent sparen. „Die Investition, um EEF-Motoren als Ersatz zu installieren, ist rechnerisch nicht zu rechtfertigen, der Powerboss dagegen macht sich fast immer in 10 bis 18 Monaten bezahlt“, argumentiert Richard Chambers, der seit Jahrzehnten Unternehmen als Energiesparexperte berät. Bei neuen Maschinen, die werkseitig schon mit EEF-Motoren ausgestattet sind, macht der Powerboss ebenfalls Sinn, weil hier doppelt gespart wird.

Lastwechsel kassieren, Kosten senken

Um Schockbelastungen zu vermeiden, misst ein Mikrochip im Powerboss jede Hundertstelsekunde den tatsächlichen Energiebedarf und regelt die Stromzufuhr über Thyristoren. Dadurch lässt sich der Motor präzise steuern, Starkstromspitzen werden vermieden und bei jeder Lastminderung – auch wenn es sich nur um Sekundenbruchteile handelt – wird gespart. Insbesondere bei zyklischen Belastungen führt das zu einer Reduzierung der Bereitstellungsgebühr und senkt die Reparaturkosten. Außerdem sind zusätzliche Funktionen wie Sanftstart und -stopp über eine Zeitrampe von weniger als einer Sekunde bis über vier Minuten programmierbar. Auch ein dosierter Kickstart ist möglich.

Anders als mit einem Stern-Dreieck oder ganz ohne Zusatzinstallation entstehen keine Stromspitzen mehr, wodurch die Bereitstellungsgebühren und die Reparaturkosten sinken. Dies ist beim Starten noch wichtiger als im laufenden Betrieb. Bei häufigem An- und Ausschalten besteht somit keine Verschleißgefahr, sinnlose Stromverschwendung in längeren Leerlaufphasen wird vermieden und die Antriebsstränge werden geschont. „Bei Neuanschaffungen bietet sich der Einbau eines Powerboss ohnehin an, aber auch eine Nachrüstung kann als Ergänzung oder Ersatz der Stern-Dreieck-Schaltung und dergleichen sinnvoll sein“, meint Richard Chambers.

Die vorinstallierten Programme lassen sich bei Bedarf noch feiner einstellen oder ergänzen, so dass sich jede Funktion des Powerboss exakt der jeweiligen Aufgabe entsprechend programmieren lässt. Über die Sanftstopp-Funktion beispielsweise kann die Maschine statt mechanisch mittels Stromumkehr über eine gewünschte Zeit bis zum Stillstand gebremst werden – ganz ohne Verschleiß. Außerdem gibt es keine Probleme mit Steuerungscomputern, die auf dem gleichen Stromkreis liegen. Die Sparmöglichkeiten liegen bei zyklischer Arbeit fast immer im zweistelligen Bereich, in der Metallverarbeitung selten unter 15 Prozent, laufen die Kompressoren permanent, liegt der Wert fast ausnahmslos bei 18 Prozent. „Nicht alle Anwendungen bieten ein gleichermaßen hohes Stromsparpotential, aber grundsätzlich profitieren alle Konstantgeschwindigkeits- und Zwei-Geschwindigkeitsmotoren vom Powerboss“, so Richard Chambers. Die längere Lebensdauer von Motoren und Getrieben spart zusätzlich Wartungskosten.

Derzeit sind Powerboss-Modelle in 30 Leistungsstufen lieferbar. Serienmäßig decken diese bei 380 bis 480 Volt eine Motorleistung von 1,1 bis 630 kW ab oder bei Umschaltung auf 220 Volt bis zu 375 kW. Bei Bedarf gibt es weitere Modelle für bis zu 1100 kW – auch für 575 sowie für 690 Volt.