Ei nsatzmogl ichkei ten drehza hlregel barer Drehstromantriebe in der chemischen lndustrie *

Jurgen Nachtkamp**

In der chemischen Industrie findet aus ubergeordneten Grunden der Drehstrom-Kurzschlullaufermotor breiteste Anwendung. Dessen grolje betriebliche Vorteile muBten bisher mit dem Nachteil der invarianten Motordrehzahl erkauft werden. Seitdem in den letzten Jahren der Einsatz des drehzahlregelbaren Drehstromantriebs (mit dem Frequenz- umrichter in Transistor- und Thyristortechnik) in bestimm- ten Anwendungsfallen wirtschaftlich geworden ist, eroffnen sich neue Moglichkeiten fur die Verfahrenstechnik. Um den weiten Anwendungsbereich dieser neuen Technik zu verdeut- lichen, wird einleitend ein Uberblick uber die elektrischen Antriebe eines groBen Chemiewerkes gegeben. AnschlieBend werden die beiden wichtigsten Beweggrunde fur den Einsatz drehzahlregelbarer Drehstromantriebe, die Energie-Einspa- rung und die verfahrenstechnische Verbesserung, erlautert und die erzielbaren Vorteile den technisch-wirtschaftlichen Einsatzbeschrankungen gegenubergestellt. Zum AbschluB wird das Ausfallrisiko des umrichtergespeisten Drehstrom- motors im Vergleich zur konventionellen Technik diskutiert.

1 Einleitung

Die Technik der drehzahlregelbaren Drehstromantriebe, d . h. die Anwendung der modernen Leistungselektronik beim Drehstrommotor, ist erst seit relativ kurzer Zeit wirtschaft- lich einsetzbar. Seitdem eroffnen sich fur die elektrische Antriebstechnik neue Moglichkeiten. Dies gilt insbesondere fur die chemische Industrie, wo der Drehstrommotor und zwar speziell der Asynchron-KurzschluBlaufermotor breite- ste Anwendung findet. Dessen Hauptnachteil, namlich die enge Kopplung der Drehzahl an die starre Netzfrequenz, welche die Verwendung von verlustbehafteten verfahrens- technischen Stellgliedern erforderlich macht, kann nun beseitigt werden. Der Wegfall dieser konventionellen Regelverfahren 1st hauptsachlich aus zwei Grunden - der Energie-Einsparung und der verfahrenstechnischen Verbesserung - erwunscht [I]. Das bedeutet selbstverstandlich nicht, daB in Zukunft Drehstromantriebe grundsatzlich drehzahlregelbar ausge- fiihrt werden. Vielmehr muB man in jedem Einzelfall sehr sorgfaltig untersuchen, ob die Drehzahlregelung technisch moglich und vor allem wirtschaftlich sinnvoll ist [2]. Die notwendigen Beurteilungskriterien konnen nur durch ein intensives Gesprach zwischen Ingenieuren verschiedener Fachbereiche und durch Austausch von Fachwissen erarbei- tet werden.

* Vortrag auf dem Jahrestreffen der Verfahrens-Ingenieure, 29.

** Dr.-Ing. J . Nuchtkamp, Chemische Werke Huls AG, Postfach Sept. bis 1. Okt. 1982 in Basel.

1320, 4370 Marl.

Applications of variable speed three-phase motors in the chemical industry. For good reasons, three-phase motors are used very widely in the chemical industry. Their considerable operation advantages have formerly been offset by the drawback of an invariant speed. Since the use of variable- speed three phase motors (with transistor and thyristor technology) has become economical in various applications, new opportunities are opening up for chemical engineering. In order to demonstrate the wide application of this new technology, the article first surveys the electric motors used in a large chemical plant. The two principal motivations for using variable speed three-phase motors are then considered, viz. energy saving and chemical engineering improvements, and the attainable advantages are set out against the technical and economical limitations on use. In conclusion, the risk of breakdown of variable speed three-phase motors is discussed in relation to conventional technology.

2 Uberblick uber die elektrischen Antriebe eines groBen Chemiewerkes

Wenn man iiber drehzahlregelbare Drehstromantriebe spricht, so ist es nutzlich, zuerst einmal einen Uberblick uber die elektrischen Antriebe eines groBen Chemiewerkes wie hiils zu gewinnen und damit den 1st-Zustand der elektrischen Antriebstechnik zu erfassen. In Tab. 1 sind die Stuckzahlen der Elektromotoren mit einer Leistung P, > 1 kW im hiils-Werk Marl gemeinsam mit einigen Kennzahlen zum Energieverbrauch aufgefiihrt. Der Leistungsbedarf dieser motorischen Verbraucher liegt in der GroBenordnung von 200 MW, das entspricht bis zu 40% der gesamten elektrischen Verbraucherleistung des Werkes. Der rnotorische Energieverbrauch liegt bei uber 1000 GWh/Jahr und macht damit bis zu 35% des gesamten elektrischen Energieverbrauches aus. Diese Prozentanteile sind in anderen Chemiewerken noch hoher. Bei solchen Zahlen verwundert es nicht, daB jeder Betreiber pruft, ob der Energieverbrauch der Motoren durch betriebs- wirtschaftlich sinnvolle MaBnahmen gesenkt werden kann. Zur Klarung dieser Frage sollte man sich zuerst einmal ein Bild daruber verschaffen, wie der Maschinenpark zusammen- gesetzt ist. Tab. 2 zeigt die Stuckzahlen und Summenleistungen der Elektrornotoren im Werk Marl, und zwar einmal sortiert nach den Leistungsbereichen und zum anderen nach den derzeitigen Stellmoglichkeiten am Motor. Bei Betrachtung der ersten Spalte erscheint bemerkenswert, dalj die Motoren PN > 20 kW stiickzahlmaBig nur ca. 16%, leistungsmaljig jedoch ca. 82 % aller motorischen Verbraucher ausmachen.

Chem.-1ng.-Tech. 5 5 (1983) Nr. 8, S. 617-624 0 Verlag Chemie GmbH, D-6940 Weinheim 1983 0009-268X/83/0808-0617$02.50/0

617

Tabelle 1. Elektromotoren im Werk Marl der CWH; Ubersicht uber den elektrischen Leistungs- und Energiebedarf (*ohne Kraftwerksantrie- be).

Leistungs- bereiche [k Wl

1 bis 14000

1 bis 20

20 bis 200

200 bis 2000

2000 bis 14000

Elektromotoren >1 kW Stuckzahl: ca. 22000 davon in Betrieb*: ca. 16000 Einzelleistungen: bis 14 MW P,,, = 180 bis 210MW

= 35 bis 40% P,,, (elektr.) W,,, = 1 100 bis 1300 GWh/Jahr

= 30 bis 35% W,,, (elektr.)

Leistungsbedary

Energieverbrauch*

feste Drehzahl polumschaltbar dre hzahlverstellbar alle Motortypen ASM-KL (+SYM) ASM-KL GSM (+ andere)

[Stuck] [MWI [Stuck] [MWI [Stuck] [MWI [Stuck] [MWI

21 800 582,l 21 000 544,4 559 22,6 208 15,l (100%) (100%)

18 300 101,7 17900 99,l 328 2 ,O 77 0,6

2 920 153,3 2 580 125,6 224 18,O 118 9,7

491 214,7 47 1 207,3 7 2,6 13 4,8

(84,2%) (17,5%)

(1 3,4 %) (26,3 Yo)

(2,3%) (36,9%)

(0,14%) (19,3%) - - 31 112,4 31 112,4 - -

Wenn man an Energie-Einsparung durch Drehzahlregelung, d . h. an kapitalintensive Maonahmen beim einzelnen Motor denkt, dann ist offensichtlich das Hauptaugenmerk auf diese Gruppe von Motoren zu richten. Welche Arbeitsmaschinen werden von diesen Motoren angetrieben? In Tab. 3 sind die prozentualen Stuckzahlen innerhalb der wichtigen Leistungsbereiche angegeben. Die Arbeitsmaschinen sind dabei im Hinblick auf die Verstellver- fahren sortiert, wie sie im Werk Marl zur verfahrenstechni- schen Regelung der Fordermenge, des Druckes u. a. verwen- det werden. Die Stromungsmaschinen (typisch sind Kreiselpumpen, Turboverdichter, Ventilatoren) werden ublicherweise durch Drosseln oder Drallregler in der Fordermenge verstellt. Die Verdrangermaschinen (typisch sind Kolbenpumpen, Kol- ben- und Schraubenverdichter, Extruder) werden meist uber einen Bypass oder durch eine Drehzahlregelung verstellt.

Stromungsmaschinen

Die ubrigen Maschinen (z. B. Ruhrwerke, Miihlen, Transport- anlagen) sind hinsichtlich der Regelung nicht einheitlich zu behandeh. Bei Riihrwerken ist meist gar keine Stelmoglich- keit vorgesehen, oder es wird bei Stillstand des Antriebes durch Wechsel der Getriebe-Radsatze die Drehzahl in groben Stufen an die unterschiedlichen Produktsorten angepa0t. Diese Betriebsweise ist nicht selten auch bei Extrudern anzutreffen. Bei anderen Arten von Arbeitsmaschinen kann es wiederum aus verfahrenstechnischen Griinden er forderlich sein, die Drehzahl in irgendeiner Weise kontinuierlich zu regeln. Dieser Fall ist allerdings recht selten. Generell kann man sagen, da13 es fur einen bestimmten Antrieb meist die Wahlmoglichkeiten zwischen mehreren Regelverfahren gibt, wobei die Drehzahlverstellung des Motors im allgemeinen die eleganteste Losung darstellt. Ein erneuter Blick in Tab. 2 zeigt allerdings sehr deutlich, daB bei huls die drehzahlregelbaren Motoren gegenuber den Motoren mit fester Drehzahl oder stufenweiser Verstellmog- lichkeit zur Zeit noch weitaus in der Minderzahl sind. Betrachtet man in dieser Ubersicht die zu den jeweiligen Leistungsbereichen gehorigen Zeilen, so machen die Asyn- chron-KurzschluDlaufermotoren fester Drehzahl den aller- groDten Anteil aus. Der Grund dafiir ist in den groBen Vorteilen des KurzschluBlaufermotors zu sehen, der bekannt- lich keine Schleifringe oder Bursten besitzt. Die Bauweise ist somit robust, wartungsarm und preisgunstig, vor allem aber ist nur ein geringer apparativer Aufwand beim Einsatz in explosionsgefahrdeten Bereichen erforderlich. Der Haupt- nachteil des KurzschluBlaufermotores besteht darin, daB infolge der festen Motordrehzahl keine optimale Anpassung

Verdrangermaschinen sonstige

derzeitige Verstellverfahren : Drossel oder Drallregler

Momentenkennlinie bei Drehzahlverstellung: M(n) - nz

Leistungsbereic he

derzeitige Verstellverfahren : Bypass oder Drehzahlregelung

Momentenkennlinie bei Drehzahlverstellung : M(n) zconst

I I

20 bis 200 kW (100%)

Pumpen Verdichter Ventilatoren Pumpen Verdichter Extruder

42 % 0,5% 7,5 % 5 % 12% 3 yo 30%

z. B. Riihrwerke, Muhlen, Transportanlagen

200 bis 2 000 kW 20 % 13% 12% 38 Yo (100%)

5 Yo

>2000kW - 90 Yo - 10% - l - (100%) 1 618 Chem.-1ng.-Tech. 55 (1983) Nr. 8, S. 617-624

der Arbeitsmaschine an die Erfordernisse des Prozesses moglich ist. Als Ausweg findet man (bei huls allerdings seltener) die Losung, zwischen Motor und Arbeitsmaschine ein hydrodynamisches oder mechanisches Verstellgetriebe anzuordnen. Dabei mu0 jedoch uber den gesamten Drehzahl- Stellbereich eine nicht unerhebliche Abnahme des Wirkungs- grades in Kauf genommen werden. Bei der zweiten Motorenart, den polumschaltbaren Kurz- schlufllaufermotoren, ist eine grobe Anpassung an den Leistungsbedarf durch meist zwei Drehzahlstufen moglich. Dies ist eine durchaus sinnvolle und ubliche KompromiBlo- sung, wenn man den Energieverbrauch senken will. Aller- dings macht dieser Motorentyp insgesamt nur wenige Prozent aller Motoren im Werk Marl aus. Der Grund fur den derzeit noch seltenen Einsatz der dritten Motorenart, den drehzahlverstellbaren Motoren, ist darin zu sehen, daB als drehzahlgeregelter Antrieb bis vor kurzem nur der Gleichstrommotor in ausgereifter Technik zur Verfiigung stand. Dieser Antriebstyp wird in der chemischen Verfahrens- technik primar dort eingesetzt, wo eine verfahrenstechnische Notwendigkeit dazu besteht, z. B. in der Kunststoff- oder Faserverarbeitung. Verantwortlich fur die Einsatzbeschran- kung sind die weithin bekannten Nachteile des Gleichstrom- motors (mit dem empfindlichen Kollektor und den wartungs- intensiven Bursten) beim Einsatz in chemischen Betrieben. Man denke nur an die teuren ZusatzmaDnahmen und an die aufwendige Instandhaltung, welche durch den Betrieb in explosionsgefahrdeten Bereichen und bei aggressiver Atmos- phare erforderlich sind. Der drehzahlregelbare Drehstrommotor rnit einem Frequenz- umrichter in Thyristortechnik wurde bei huls rnit Ausnahme des Bereiches der Faserproduktion bisher nur selten einge- setzt, obwohl dieserAntriebstyp vieleher alsder Gleichstrom- motor fur den Einsatz in chemischen Betrieben geeignet 1st. Dabei mu13 man bedenken, daD die Frequenzumrichter erst seit den 60er Jahren verfugbar sind, anfangs rnit sehr hohen Anschaffungskosten und alien Risiken einer Technik, von der praktisch keine Betriebserfahrung vorlag.

3 Aktuelle und zukunftige Entwicklungen

In der jungsten Vergangenheit macht sich hinsichtlich des Einsatzes drehzahlregelbarer Drehstromantriebe ein Wandel bemerkbar. In den huls-Werken sind seit 1981 insgesamt 14 solcher Antriebe in Betrieb gegangen. Generell kann man davon ausgehen, daD sich die Einsatzmog- lichkeiten in Zukunft noch verbessern werden. Hierfur sind im wesentlichen drei Umstande verantwortlich : erstens eine gunstige Preisentwicklung im Bereich der Leistungselektro- nik, zweitens eine groDere Betriebserfahrung rnit den Umrich- tern auch bei anderen Betreibern und schlieBlich die gestiegenen Energiekosten, die zur Nutzung von Einsparmog- lichkeiten hohere Investitionen rechtfertigen. Vor diesem Hintergrund ist es interessant geworden, bei der Planung von Chemieanlagen den drehzahlregelbaren Dreh- stromantrieb als technische Alternative zu den konventionel- len Regelverfahren in Betracht zu ziehen. Bei manchen Antriebsproblemen der chemischen Verfahrenstechnik kann es nun auch erstmals sinnvoll sein, uberhaupt eine Regelmog- lichkeit vorzusehen. Die Grunde fur den Einsatz der elektronischen Drehzahlrege- lung sind hauptsachlich in der Energie-Einsparung und in der verfahrenstechnischen Verbesserung zu sehen. Im letzteren Fall sind vor allem drei Teilziele von Bedeutung: - die Verbesserung der Produktqualitat, - die Verbesserung oder Vereinfachung der ProzeBanlagen,

- die Verringerung des Instandhaltungsaufwandes. Beschrankungen fur den Einsatz drehzahlregelbarer Dreh- stromantriebe konnen sein: - die betrachtlichen Kosten des Frequenzumrichters und

eventuell notwendiger Zusatzeinrichtungen, - gewisse anlagentechnische Einsatzgrenzen, bedingt durch

die Physik des Prozesses, in den der Antrieb eingebunden ist,

- die Existenz alternativer Losungen, die sich erst bei der genauen Analyse der geplanten Drehzahlregelung zeigen und die manchmal ahnlich effektiv aber deutlich billiger sind.

Die folgenden Ausfuhrungen sollen eine kritische Gegenuber- stellung dieser Gesichtspunkte bieten, um die Einsatzmog- lichkeiten und -grenzen aufzuzeigen. Zuvor erscheint es aber sinnvoll, einige Erlauterungen uber die technische Ausfuh- rung und die Kosten des drehzahlregelbaren Drehstroman- triebs zu geben.

4 Wirkungsweise und Kosten des drehzahlregelbaren Drehstromantriebs

Abb. 1 zeigt im rechten Teil den einpoligen Ubersichtsschalt- plan eines drehzahlregelbaren Drehstromantriebs. Der Mo- tor, welcher die Arbeitsmaschine treibt, wird aus dem Drehstromnetz rnit der Frequenz fi = 50 Hz gespeist. In die

=Is Netz I-

Abb. 1. Prinzipschaltbild des Frequenzumrichters.

Zuleitung ist der Frequenzumrichter - bei kleinen Leistun- gen in Transistortechnik, bei groDeren Leistungen ausschlieB- lich in Thyristortechnik - geschaltet. Dieser besteht, wie auf der linken Seite von Abb. 1 skizziert, aus einem Gleichrichter (GR), welcher aus dem 50-Hz- Drehstrom einen Gleichstrom erzeugt, und einem Wechsel- richter (WR), der einen Drehstrom rnit in gewissen Grenzen beliebiger Frequenz fi erzeugen kann. Da der Motor rnit seiner Drehzahl n immer eng an die speisende Frequenz gekoppelt ist, kann n nun im gleichen MaBe wie f2 als verstellbar angesehen werden. Die Einstellung von fi erfolgt uber die Soll-Frequenzf,,,, rnit Hilfe eines Reglers, welcher auf den Gleich- und Wechselrich- ter wirkt. Bemerkenswert ist, da13 der Regler als Information lediglich elektrische MeBwerte (Strome und Spannungen) benotigt, jedoch nicht unbedingt die Drehzahl. Der Anbau einer Tachomaschine ist also nicht erforderlich, so dal3 1istenmaDige Norm-Motoren verwendet werden konnen. Ganz so problemlos wie hier skizziert ist die Drehzahlrege- lung von Drehstromantrieben allerdings nicht. Vor allem beim Motor sind in der Regel besondere Vorkehrungen erforderlich. Im Vordergrund steht dabei die Beherrschung der zusatzlichen Erwarmung des Motors. Diese resultiert hauptsachlich daraus, daB der speisende Strom und die

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Spannung durch die Frequenzumrichtung nicht mehr rein sinusformig sind, sondern Oberschwingungen aufweisen, welche im Motor Zusatzverluste verursachen. Hinzu kommt, daB die Effektivitat des Lufters bei abgesenkter Drehzahl geringer ist. Eine auch im Hinblick auf die Forderungen des Ex-Schutzes geeignete AbhilfemaBnahme besteht z. B. darin, den Motor um ca. 20% uberzudimensionieren. Erfahrungs- gemaB liegt man dann bei einem mittels I-Umrichter gespeisten vierpoligen Motor (mit einem Regelbereich von 1 :10 bei quadratischer bzw. 1 : 5 bei konstanter Gegenmo- mentkennlinie) aufder sicheren Seite. Daruber hinaus ist es - insbesondere im Ex-Bereich - erforderlich, durch Tempera- turfuhler in den Wicklungen einen in allen Betriebszustanden wirksamen thermischen Schutz zu gewahrleisten. Tab. 4 zeigt eine Klassifizierung der in der Chemie zum Einsatz kommenden Umrichter. Der erste Typ ist der sog. I-Umrichter rnit Gleichstrom-Zwischenkreis. Hauptanwen-

Tabelle 4. Einteilung der Frequenzumrichter.

I- Umrichter (Gleichstrom-Zwischenkreis) : - Einzelantriebe, - geringer Stromrichteraufwand, - giinstige Motorausnutzung, - verlustfreie Nutzbremsung (Vierquadrantenbetrieb), - hohes Anfahrmoment .

U- Umrichter (Gleichspannungs-Zwischenkreis) : - Gruppenantriebe, - grol3er Drehzahlstellbereich, - gute Regeldynamik, - hoher Leistungsfaktor (Puls-Umrichter).

dungsgebiet sind die Einzelantriebe wie sie in der Chemie uberwiegend anzutreffen sind. Als die wichtigsten Vorteile des I-Umrichters konnen der geringe Stromrichteraufwand und die giinstige Motorausnutzung angesehen werden. Bedeutsam ist weiterhin, daB der I-Umrichter den Vierquadrantenbe- trieb und damit eine verlustfreie Nutzbremsung ermoglicht, AuBerdem kann im Stillstand des Antriebs durch entspre- chende Einrichtungen das Anfahrmoment uber das Motor- Nennmoment hinaus erhoht werden, um gegebenenfalls ein hohes Losbrechmoment zu uberwinden. Der zweite wichtige Typist der U-Umrichter mit Gleichspan- nungs-Zwischenkreis. Ein wichtiges Anwendungsgebiet bil- den Gruppenantriebe, bei denen die Speisung mehrerer Motoren, die moglichst synchron laufen sollen, durch einen einzigen Umrichter erfolgt. Generell weisen Motoren rnit U-Umrichter einen im Vergleich zum I-Umrichter groDeren Drehzahlstellbereich und eine bessere Regeldynamik rnit hoher Frequenzkonstanz und guter Reproduzierbarkeit der Frequenzwerte auf. Der Puls-Umrichter ist eine Sonderform des U-Umrichters rnit besonders guten Regeleigenschaften und hohem Leistungsfaktor. Der weniger aufwendige I-Umrichter ist fur die meisten Anwendungen in der Chemie ausreichend ; deshalb wird im folgenden hauptsachlich von diesem Typ die Rede sein. Eine Sonderform ist die untersynchrone Stromrichter-Kaskade, deren Einsatz bei geringem Stellbereich wirtschaftlicher sein kann. Da diese Losung mit einem Asynchron-Schleifringlau- fermotor realisiert werden muD, also nicht die Verwendung des KurzschluBlaufermotors ermoglicht, wird sie im folgen- den nicht weiter behandelt. In Abb. 2 sind die spezifischen Kosten des I-Umrichters in Thyristortechnik dargestellt. Diese steigen mit sinkender Nennleistung stark an. Demgegenuber kann man die

spezifische Energie-Einsparung durch Drehzahlregelung als ungefahr konstant ansehen. Wenn die Energie-Einsparung das einzige Motiv fur die Einfuhrung der Drehzahlregelung darstellt, so konnen - zumindest bei Verwendung der hier angesprochenen Thyri-

1 10 100 1090 kW 1oooO

- Niederspannung bis 660V Listenman tger Asynchron m

Abb. 2 . (Preisbasis 1981).

Spezifische Kosten fur I-Umrichter in Thyristortechnik

stortechnik - nur die Antriebe groDerer Leistungen, etwa ab 20 kW, von Interesse sein. Im unteren Teil des Diagrammes sind die Leistungsbereiche angegeben, in denen der I-Umrichter in Nieder- bzw. Hochspannungsausfuhrung (kombiniert rnit einem Asyn- chronmotor oder bei groBen Leistungen auch rnit einem burstenlosen Synchronmotor) zum Einsatz kommt.

5 Untersuchung der Einsatzmoglichkeiten und Grenzen

5.1 Energie-Einsparung

Angeregt durch lebhafte Diskussionen in der internationalen Fachwelt iiber die Energie-Einsparung bei der Substitution konventioneller Regelverfahren durch drehzahlregelbare Drehstromantriebe [3] wurde bei hiils eine Untersuchung uber die Einsparmoglichkeiten in der chemischen Industrie durchgefiihrt. Dabei waren vor allem drei Fragen von Interesse : - Bei welchen Antriebstypen lohnt sich die Drehzahlrege-

- Wo ist der Einsatz aus verfahrenstechnischen Grunden

- In welcher GroBenordnung liegt die Energie-Einsparung ? Hierzu wurde eine, fur das huls-Werk Marl reprasentative Stichprobe von Antrieben P, > 20 kW ausgewahlt [2]. An diesen Maschinen wurden die Energieverbrauche bei verfah- renstechnischer Regelung einerseits und bei angenommener Drehzahlregelung andererseits durch Messungen, Sichtung vorhandener Daten und Ruckgriff auf die Erfahrungen der Betriebs-Ingenieure erfal3t. Im Hinblick auf die Energie-Einsparung konnten aus den untersuchten Antrieben drei Hauptgruppen gebildet werden, und zwar nach der Art der Arbeitsmaschinen: - Kreiselpumpen rnit Drossel, - Turboverdichter und Ventilatoren rnit Drallregler, - Verdrangerpumpen und Verdrangerverdichter mit By-

lung vorrangig?

nicht sinnvoll oder unmoglich?

pass.

620 Chem.-1ng.-Tech. 55 (1983) Nr. 8, S . 617-624

Der mechanische Leistungsbedarf P, an der Motorwelle kann fur alle Arbeitsmaschinen durch die Proportionalitats- beziehung in G1. (1) beschrieben werden:

Ape 5 0%

H Q P,- -. Vrn

Reduzierung- a,-a Qo

K O

der Fordermenge AQ - d e r e l . Leistung A e = - Peb -pea

Darin 1st qm der Wirkungsgrad der Arbeitsmaschine, wahrend H und Q - bei Forderung von Flussigkeiten (Pumpen) bedeuten :

H = Forderhohe bzw. Druckdifferenz [Pa], Q = Volumenstrom [m3/h];

bedeuten : H = isentrope Forderhohe [J/kg], Q = Massenstrom i [kg/h].

- bei Forderung von Gasen (Verdichter, Ventilatoren)

G1. (1 ) zeigt, daI3 P, grundsatzlich durch eine Verringerung von H oder Q bzw. durch eine VergroDerung von q , reduziert werden kann. Nachfolgend sollen nun anhand je eines Beispiels fur die genannten Gruppen von Arbeitsmaschinen das grundsatzli- che Betriebsverhalten und typische Eigenschaften hinsicht- lich der Energie-Einsparung herausgearbeitet werden. Fur die erste Hauptgruppe sei eine 900-kW-Wasserpumpe herangezogen. Wie das H(Q)-Diagramm in Abb. 3 zeigt, ergibt sich der Nenn-Arbeitspunkt (bei Q,) aus dem Schnittpunkt der Pumpen- und der Anlagenkennlinie. Will man nun die Fordermenge Q z. B. urn 33 YO reduzieren, so wandert der Arbeitspunkt bei der Drosselregelung auf der Pumpenkennlinie, wobei die zu uberwindende Forderhohe H ansteigt. Im Fall der Drehzahlregelung ist eine Verschiebung der Pumpenkennlinie nach unten zu beobachten, wobei sich jeweils neue Schnittpunkte mit der Anlagenkennlinie ergeben. Der Arbeitspunkt wandert also auf der Anlagenkennlinie.

f 60 50,,Hb kennlinie pump en-^

0,95n, mWs I

kennlinie 30

10 I P o

a,=ab nQ,,=33% , \

2000 4000 m3/h 6000 a-

am groaten, wenn die Anlagenkennlinie stark abfallt. An dieser Stelle mu13 auf eine technische Einsatzbeschran- kung fur die Drehzahlregelung hingewiesen werden, die bei allen Stromungsmaschinen zu beachten ist : Bei einer steilen Anlagenkennlinie und bei gleichzeitig flacher Arbeitsmaschi- nenkennlinie ergibt sich ein auDerst ungunstiges Regelverhal- ten. Es treten namlich schleifende Schnitte auf, der geforderte Druck wird nur knapp erreicht und kleine Drehzahlanderun- gen bewirken sehr groDe Anderungen der Fordermenge [4]. Als MaD fur die Reduzierung des Leistungsbedarfes bei Umstellung des Antriebs von verfahrenstechnischer Rege- lung (Index b) auf Drehzahlregelung (Index a ) kann der Quotient

( = 1 fur Q, = Qo

herangezogen werden. Unter Berucksichtigung der elektri- schen Wirkungsgrade ergibt sich daraus die letztlich interes- sierende KenngroDe Ape, d. h. die Reduzierung der elektri- schen Leistung beim Ubergang von der Drossel- auf die Drehzahlregelung :

5 1 a-

Index a: Drehzahlregelung Index b: Drosselregelung

Abb. 3. bedarf bei Drosselregelung und Drehzahlregelung.

Die Energie-Einsparung ist bei diesem Arbeitsmaschinen- Typ durch die Verringerung der Forderhohe bestimmt. Die Fordermengen bleiben gleich, die Wirkungsgrad-unterschie- de beim Ubergang auf Drehzahlregelung sind von unter- geordneter Bedeutung. Demnach ist die Energie-Einsparung

900-kW-Kreiselpumpe; H(Q)-Diagramm und Leistungs-

3 0 0 / ~ h linien: Mi ttelwerte

’, - Ax 11 % 2 0 O/e AK np, 14%

10 % \. I TB=6200h/Jahr

-5% Abb. 4. 900-kW-Kr~!selpumpe; Reduzierung des elektrischen Lei- stungsbedarfs beim Ubergang von der Drosselregelung auf die Drehzahlregelung .

~~~~~

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Energie-Einsparung, wie ubrigens generell bei gedrosselten Kreiselpumpen, gunstig sind. Als zweite, ebenso wichtige Bedingung mu0 man die Betriebsweise des Antriebs berucksichtigen, die im unteren Diagramm von Abb. 4 durch die Jahresdauerlinie A Q ( T ) gekennzeichnet ist. Unter Verwendung der oberen Kurve in Abb. 4 erhalt man daraus die Jahresdauerlinie A p e ( T ) rnit dem Mittelwert = 14%. Dieser Wert ist zusammen mit der Jahresbetriebsstundenzahl TB erforderlich, um gemaB G1. (4) die Energie-Einsparung A We zu berechnen : Ape

30Y~ A W e = P,oAP,TB. (4)

Die Energie-Einsparung betragt bei der 900-kW-Pumpe ca. 800 MWh/Jahr. Bei 0,lO DM/kWh ergibt sich daraus eine KapitalruckfluD- zeit der Investition von 7 Jahren. Dieser Wert mag fur eine konkrete Investitionsentscheidung sehr hoch erscheinen. Mit Rucksicht auf steigende Energiepreise und auf die gunstige Preisentwicklung bei den Umrichtern wurden in der Grund- satzuntersuchung bei huls jedoch sogar 10 Jahre akzeptiert.

Als Beispiel fur den zweiten Antriebstyp, den Turboverdich- ter bzw. Ventilator mit Drallregler (d. h. Leitschaufelverstel- lung) soll ein 5500-kW-Luftverdichter herangezogen werden. Die Turboverdichter lenken wegen ihrer hohen Leistung zuerst einmal das besondere Interesse auf sich, wenn man nach moglichen Energie-Einsparungen sucht. Die Analyse zeigt jedoch, daB sich die Erwartungen generell bei drallgere- gelten Maschinen nur in Ausnahmefallen erfullen. Der Grund dafur ist aus Abb. 5 unschwer abzulesen: Ganzahnlich wie die Drehzahlverstellung (gestrichelte Kennlinienschar) bewirkt auch die Leitschaufelverstellung (durchgezogene Kennlinien- schar) eine Verschiebung der Verdichterkennlinie, so daB der Arbeitspunkt in beiden Fallen auf der Anlagenkennlinie wandert ; die Forderhohen sind also gleich. Eine Energie- Einsparung ist nur wegen des besseren Wirkungsgrades der Drehzahlregelung bei gro13em AQ zu erwarten ; bekanntlich nimmt der Wirkungsgrad bei groljem Verstellwinkel der Leitschaufeln betrachtlich ab. Trotz des Wirkungsgradabfalls bei gro13em AQ kann die Drallregelung als energetisch recht gunstiges konventionelles Verfahren zur Fordermengenverstellung bezeichnet werden, so daB die Energie-Einsparung durch Drehzahlverstellung bei diesem Arbeitsmaschinen-Typ prinzipiell geringer ist. So kommt es, daB bei keinem der untersuchten Turboverdichter und Ventilatoren rnit Drallregler eine Drehzahlregelung aus energetischen Grunden lohnend erschien. Diese grundsatz- lich anderen Verhaltnisse als bei den gedrosselten Maschinen wird auch in Abb. 6 deutlich.

t

der el. Leistung Ae

Turboverdichter mit Drallregler

/ I 4 Orehzahlreg /

H

r

Drallregelung

Ilrm7rm 20 i 0 60 t j h - 60 a- Abb. 5. gelung und Drehzahlregelung.

5500-kW-Turboverdichter ; H(Q)-Diagramm bei Drallre-

10o/o~ / / 3u70 Aa--

-1OYol

I Jahresdauerlinien : Mittelwerte: h aa = 18% -

A e = 1%

10%

-5% kmm

Abb. 6. 5500-kW-Turboverdichter; Reduzierung des elektrischen Leistungsbedarfs beim Ubergang von der Drallregelung auf die Drehzahlregelung . Abb. 7 dargestellte Charakteristik A P, (AQ) beim Ubergang auf Drehzahlregelung verlauft hier als eine, um den Wir- kungsgrad des Umrichters verschobene, Parallele zur 45" Linie und ist somit als gunstig zu bezeichnen. Dieses Verhalten ist typisch fur alle bypass-geregelten Verdrangermaschinen : Einerseits wird beim Bypass-Betrieb, unabhangig von der prozeaseitig benotigten Menge, immer die Menge Qo gefordert, so daB die Leistungsaufnahme des Motors nahezu konstant ist. Andererseits fallt bei der Drehzahlregelung der Bedarf ungefahr linear rnit der Fordermenge ab. (Die geringe Abweichung von dem geraden Verlauf ergibt sich beim Schraubenverdichter aus den Spaltverlusten.) Wegen der linearen Charakteristik mu13 man hier, statt rnit den Dauerlinien, nur rnit den Mittelwerten arbeiten. Bei den in Abb. 7 angegebenen Werten betragt die Energie-Einsparung des maximal rnit 370 kW belasteten Schraubenverdichters ca. 600 MWh/Jahr, was einer Kapital- ruckflu13zeit von 5 Jahren fur die Realisierung der Drehzahl- regelung entspricht. Es erscheint wichtig, an dieser Stelle darauf hinzuweisen, daB es beim Schraubenverdichter eine besondere Einsatzbe- schrankung gibt. Es handelt sich um die maschinentechnisch begriindete Mindestdrehzahl, die je nach Bauart des Verdich- ters, aber auch je nach Hohe des Enddruckes entweder durch die thermische Belastung infolge der Spaltverluste oder durch Lagerprobleme bedingt ist. Aus der Praxis von huls sind Falle bekannt , in denen die Energie-Einsparung ausreichend fur die Einfiihrung der Drehzahlregelung gewesen ware, wenn nicht die dort recht hoch liegende Mindestdrehzahl ein Ausfahren des gewunschten Regelbereiches verhindert hatte.

622 Chem.-1ng.-Tech. 55 (1983) Nr. 8, S . 617-624

Nach diesen Beispielen sol1 das Ergebnis der Grundsatzunter- suchung bei huls zusammengefaI3t werden, und zwar in Form von einigen allgemeinen Aussagen hinsichtlich der Frage, wo bei dem Bemuhen um betriebswirtschaftlich sinnvolle Ener- gie-Einsparung Einsatzschwerpunkte fur drehzahlregelbare Drehstromantriebe zu erwarten sind.

ReduzierungL

t der Fordermenge AQ Ape der el. Leistung Ape

30°/0/ - AP,

& Drehzahlregelung

- lO%J

Mittelwerte:

aa 25% T, = 7800 h l Jahr -

[BmBTI) AP,= 20%

Abb. 7. 570-k W-Schraubenverdichter ; Reduzierung des elektri- schen Leistungsbedarfs beim Ubergangvon der Bypass-Regelung auf die Drehzahlregelung.

Bezuglich der Arbeitsmaschinen-Typen sind hier von Interes- se : - gedrosselte und bypass-geregelte Kreiselpumpen, - bypass-geregelte Kolbenpumpen, - bypass-geregelte Schraubenverdichter. Die Kolbenverdichter konnen hier nur bedingt mitaufgefuhrt werden, weil es oft eine billigere und ebenfalls verlustarme verfahrenstechnische Alternative, namlich die Verwendung einer Staudruck-Regelung oder einer Ventil-Abdriickvorrich- tung, gibt. Bezuglich der Betriebsweise kann man selbstverstandlich nur Richtwerte angeben : - Betriebsstundenzahl TB > 6000 h/Jahr, - mittlere Reduzierung der Fordermenge wahrend dieser

Dabei sind allerdings nicht solche Falle gemeint, in denen die maximal auftretende Fordermenge weit unter dem Ausle- gungspunkt Q,, der Maschine liegt. Zur Losung des Uberdi- mensionierungsproblems ist namlich die Drehzahlregelung wegen der hohen Investitionskosten nur in Ausnahmefallen das geeignete Mittel. Dafur gibt es meist weit billigere Losungen (Anderung der Getrieberadsatze, Abdrehen des Pumpenlaufrades, Austausch des Motors durch eine Maschi- ne rnit niedrigerer Nenndrehzahl). Als ebenfalls wichtiges Ergebnis der Grundsatzuntersuchung konnten einige, fur die Praxis von Chemieanlagen typischen Beschrankungen fur die Energie-Einsparung durch Dreh- zahlregelung identifiziert werden. Hier sind erstens mehrstrangige ProzeBanlagen zu nennen, bei denen mehrere gleichartige Maschinen parallel arbeiten, so daI3 die einzustellende Fordermenge weitgehend durch Zu-

Zeit Z j > 2 0 % .

und Abschalten von Maschinen erreicht werden kann. Zweitens ist auf den abwechselnden Betrieb eines Antriebes rnit dessen identischer Reservemaschine hinzuweisen. Hier lohnt es sich in der Regel nur, einen Antrieb in der Drehzahl zu regeln und diesen dann rnit einer hohen Jahres-Betriebsstun- denzahl zu betreiben. Drittens mu13 das (vor allem bei der Neuanlagenplanung auftretende) Problem der Datenunsicherheiten angesprochen werden, welches in vielen Fallen die Entscheidung fur den Einsatz eines Frequenzumrichters erschwert. Im Vorder- grund steht dabei die schwer prognostizierbare konjunktur- abhangige Auslastung der ProzeBanlagen. Aber auch der im Zusammenhang rnit der Drehzahlregelung sehr bedeutsame Verlauf der Anlagenkennlinie, welcher sich je nach dem zu fordernden Produkt im Laufe der Zeit verandern kann, ist oft nicht genugend genau bekannt. Zum Ergebnis der Stichprobenuntersuchung [2] sollen an dieser Stelle nur die wichtigsten Zahlen genannt werden, wobei die Angaben wegen der groDen Datenunsicherheiten wiederum nur als Richtwerte zu verstehen sind. Es wurden 97 Antriebe P, >20 kW untersucht. Bei 15 Antrieben ware im Falle der Neubauplanung der Einsatz eines Frequenzumrich- ters nicht nur technisch moglich sondern (bei hochstens 10 Jahren KapitalruckfluBzeit) auch wirtschaftlich sinnvoll gewesen. Die mogliche Energie-Einsparung, bezogen auf den Gesamtverbrauch der 97 untersuchten Motoren, wurde auf 3 % geschatzt . Zur Bewertung dieser Zahlen kann man sagen, daB fur den Bereich der Chemie die zum Teil in der Fachwelt geweckten hohen Erwartungen an die Energie-Einsparungen zuruckge- schraubt werden mussen. Es gibt jedoch in nennenswertem und voraussichtlich auch steigendem Umfang Anwendungs- falle, in denen der Einsatz von drehzahlregelbaren Drehstrom- antrieben mit dem Ziel der Energie-Einsparung technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist.

5.2 Verfahrenstechnische Verbesserung

Die zweite wichtige Gruppe von Einsatzmotiven fur die elektronische Drehzahlregelung kann unter dem Stichwort ,,verfahrenstechnische Verbesserung" zusammengefaot wer- den. Dabei ist es nur begrenzt moglich, allgemeine Kriterien fur den sinnvollen Einsatz von Frequenzumrichtern anzuge- ben. Diesbezuglich kann die Elektrotechnik bei der Projektie- rung der Antriebe in einer ProzeDanlage auf die neuen technischen Moglichkeiten hinweisen und gegebenenfalls die Verhaltnisse gemeinsam rnit den anderen Fachabteilungen analysieren. Es ist aber zu erwarten, daI3 sich bei funktionie- rendem InformationsfluD in naher Zukunft gewisse Anwen- dungsschwerpunkte herauskristallisieren werden. Zur Illustration der moglichen verfahrenstechnischen Ver- besserungen sollen an dieser Stelle einige, bei huls realisierte drehzahlregelbare Drehstromantriebe genannt werden. In all diesen Fallen stand die Energie-Einsparung zwar nicht im Vordergrund, jedoch hat sie immer die Rolle eines wichtigen zusatzlichen Argumentes gespielt. Die primaren Beweggrun- de konnen nach zwei Hauptzielen geordnet werden : Das erste Hauptziel ist die Verbesserung der Produktqualitat. In diesem Zusammenhang sind zwei Beispiele. ein 200-kW- Ruhrwerk und ein 105-kW-Extruder aus dem Bereich der Kunststoffproduktion, zu nennen. Die drehzahlregelbaren Drehstromantriebe erweiterten in beiden Fallen die Moglich- keiten der Produkt-Optimierung. Dabei ist zu berucksichti- gen, daD die genannten Maschinen in der Lage sein miissen, mehrere Produktsorten bei unterschiedlichen Rezepturen zu verarbeiten.

Chem.-1ng.-Tech. 55 (1983) Nr. 8, S. 617-624 623

Tabelle 5 . Mittlere Ausfallhaufigkeiten eines umrichtergespeisten Drehstrom- motors infolge von Netzspannungseinbruchen und Motorschaden.

Ursache Niederspannungsmotor Hochspannungsmotor -. U

Spannungw- z 50% einbriiche 'N

t <0.1 s t 5 0.1 s t z l s ~ - 7 ~

1 ,O bis 1,3/Jahr 0,2 bis O,5/Jahr 0,6/Jahr

Motor- schaden = O,l/Jahr xO,l/Jahr

Das zweite Hauptziel ist die Verbesserung der Anlagentech- nik. Als Beispiele, bei denen dieses Motiv im Vordergrund stand, sind neun Kolbenpumpen mit hohem Differenzdruck zu nennen. Hier ermoglichte es der Einsatz von Frequenzum- richtern, auf den geregelten Bypass zu verzichten, der wegen der Druckdifferenz von der Druck- zur Saugseite (300 bar) aufwendig und kompliziert geworden ware. Diese Pumpen sind seit uber einem Jahr ohne Schwierigkeiten in Betrieb. Weiterhin sind zwei 50-kW-Kreiselpumpen zur Abwasserfor- derung zu nennen. Bei diesen Pumpen besteht aufgrund der verfahrenstechnischen Umstande die Gefahr, dal3 die Rohr- leitungen verstopfen. Die Drehzahlregelung ermoglicht den Wegfall des Regelventils, welches ein Reinigen der Rohrlei- tung behindert hatte, und auljerdem den Wegfall einer Uberstromleitung, die ihrerseits hatte verstopft werden konnen. Auch diese Pumpen sind seit uber einem Jahr in Betrieb. Zum AbschluD sei eine Pipeline-Pumpe (290-kW- Schraubenspindel-Pumpe) genannt. Diese Pumpe dient zum Transport von schwerem Heizol, welches nur bei Temperatu- ren zwischen 50 und 100°C pumpfahig ist ; andernfalls muB mit Verbackungen gerechnet werden. Bei diesen Bedingungen ist der Aussetzbetrieb unerwunscht, so daD man eine Regelmoglichkeit vorsehen muI3te. Ein Bypass hatte bei dem Enddruck von 40 bar seinerseits geregelt werden mussen. Durch den Einsatz des Frequenzumrichters konnte dieser entfallen, rnit dem zusatzlichen Vorteil, dal3 der Antrieb zukunftig auch an Ole geringer Zahigkeit angepaBt werden kann. Die Pumpe ist seit einigen Monaten in Betrieb. In all diesen Fallen wurden 1istenmaDige Niederspannungs- Normmotoren in Kombination rnit I-Umrichtern eingesetzt.

6 Abschatzung des Ausfallrisikos

Zum Abschlulj sol1 eine wichtige technische Randbedingung fur den Einsatz des drehzahlregelbaren Drehstromantriebs, namlich die Zuverlassigkeit angesprochen werden. Es mu13 nicht naher erlautert werden, daD der Frequenzum- richter prinzipiell ein zusatzliches Ausfallrisiko rnit sich bringt, da auch elektronische Bauteile eine bestimmte Ausfallrate aufweisen. Die Frage ist nur, wie hoch man die zusatzliche Ausfallhaufigkeit im Vergleich zu den Ausfallen des Motors und des speisenden Netzes veranschlagen mu13 und ob das Zusatzrisiko unter Berucksichtigung der Auswir- kung auf die ProzeDanlage akzeptiert werden kann. Leider existieren noch keine reprasentativen Storungs-

Statistiken von Frequenzumrichtern, jedoch ist aus eigener Erfahrung und gestutzt auf Vero ffentlichungen uber Anlagen der Leistungselektronik folgende Aussage moglich : Aufgrund von aul3erordentlichen Anstrengungen der Her- steller im Bereich der Qualitatssicherung hat sich die Zuverlassigkeit der Leistungselektronik seit den 60er Jahren deutlich verbessert, so dal3 man heute fur Frequenzumrichter rnit Ausfallhaufigkeiten von weit unter 1 Ausfall/Jahr rechnet. Fur das Ausfallrisiko des umrichtergespeisten Drehstroman- triebes wird damit ein Phanomen bestimmend, welches von aul3en auf die Elektronik wirkt. Gemeint sind kurzzeitige Netzspannungseinbruche infolge von Fehlern im Hochspan- nungsnetz, auf die nur der umrichtergespeiste Antrieb, nicht aber der direkt gespeiste Motor, empfindlich reagiert. Sinkt die Spannung U fur nur 0,l s unter einen bestimmten Grenzwert (je nach Umrichtertyp unter 85 bis 60% UN), so wird der drehzahlregelbare Drehstromantrieb durch den Schutz des Umrichters abgeschaltet. Demgegenuber reagiert der direkt gespeiste Motor bei geeigneter Stutzung der Steuerspannung nur mit einem, fur den Betrieb kaum merklichen, kurzzeitigen Drehzahlruckgang. In Tab. 5 ist die aus Storungs-Statistiken der Energiebetriebe des Werkes Marl abgeschatzte Haufigkeit von Netzspan- nungseinbruchen, wie sie im Mittel an den Klemmen eines Antriebs auftreten, genannt. Zum Vergleich ist die Haufigkeit von Motorschaden angegeben, die etwa um eine Zehnerpo- tenz niedriger liegt. Will man das zusatzliche Ausfallrisiko infolge des Einsatzes von Frequenzumrichtern beurteilen, so mul3 neben dem Faktor ,,Haufigkeit" auch die Auswirkung auf die verfahrens- technische Anlage als zweites Kriterium herangezogen werden. Diesbezuglich ist eine sorgfaltige Prufung in jedem Einzelfall er forderlich. Hierzu kann man allgemein sagen : Es gibt chemische Prozesse, bei denen auch ein kurzzeitiger Ausfall bestimmter Motoren zum Ansprechen des Sicherheitssystems und zu einem langerdauernden Ausfall der Gesamtanlage fuhrt. Dann konnen die zusatzlichen Ausfalle rnit der Haufigkeit l/Jahr eine technisch und wirtschaftlich nicht akzeptable Minderung der Anlagenverfugbarkeit bewirken. Fur die Mehrzahl der Anlagen ist jedoch das zusatzliche Ausfallrisiko infolge der elektronischen Drehzahlregelung akzeptabel. Dies gilt insbesondere, wenn man berucksichtigt, dal3 der drehzahlregelbare Drehstromantrieb nach dem Ausfall infolge eines Spannungsbruches automatisch wieder angefahren werden kann, so dal3 die Ausfalldauer auf maximal 20 s beschrankt bleibt.

Eingegangen am 9. November 1982 [B 50821

Literatur

[l] Brunner, H. : Anwendungsbeispiele moderner Antriebstechnik zur Energie-Einsparung in der Industrie. Arbeitsgemeinschaft des VDE-Bezirksvereins Frankfurt/M. ,&ationeller Energie-Einsatz durch moderne Elektronik", S . 75/100, VDE-Verlag 1979.

[2] Nachtkarnp, J.: Haus Tech., Essen, Vortragsveroff. (1981) Nr. 449.

[3] Anonym: Elektrotech. Z. 201 (1980) Nr. 5, S. 282/284. [4] Haby, G . : Regelungstech. Prax. 22 (1980) Nr. 6, S. 181/186.

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