Kreiselpumpen und Pumpensysteme. Thomas Merkle
und in Kraftfahrzeugen weit verbreitet.
DrehstrommotorenMotoren
Drehstrommotoren sind aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit und Robustheit im industriellen Umfeld dominierend.
Asynchronmotoren
Bei diesem Motor-Typ läuft der Rotor dem Drehfeld nach (asynchron). Der Motor ist gekennzeichnet durch einen einfachen und robusten Aufbau, mit geringen Wartungs-anforderungen. Der Motor ist stoßlastfest und hoch überlastbar, Selbstanlauf ist bei voller Last möglich. Dieser Motortyp ist auch als Generator zu betreiben. Bis 4 kW wird er im Direktanlauf, ab 5,5 kW in Stern-Dreieck-Schaltung gestartet. Asynchronmotoren sind mit die kostengünstigsten Drehstrommotoren.
Synchronmotoren
Hierbei herrscht Synchronlauf von Drehfeld und Rotor vor. Seine Vorteile liegen im Schwachlastbereich, die Läuferverluste sind geringer als beim Asynchronmotor.
Kleinere Baugrößen (BG 80 anstatt BG 100) sind möglich, was bei vielen Anlagen konstruktive Vorteile bietet. Diese Motoren können auch als Generator betrieben werden. Sie haben einen höheren Wirkungsgrad, aber auch höhere Investitions-kosten als Asynchronmotoren zu verzeichnen.
Permanentmagnet-Synchronmotoren(PM)
Synchronmotor, bei dem die Magnetisierung durch Permanentmagnete erfolgt. Dieser Motor-Typ ist nicht selbststartend, es ist eine Steuerungselektronik (extern) notwendig. Seine Vorteile sind:
höhere Effizienz im Teillastbereich im Vergleich zum Asynchronmotor
internes Rotordesign, drehender Rotor befindet sich im Innern des Stators
bis zu 2 Baugrößen kleiner als Asynchronmotor
Der Nachteil dieses Motortyps ist, dass die Materialien für Magnete, die seltenen Erden teuer und auch nicht leicht verfügbar sind. Das Hauptvorkommen der seltenen Erden liegt in China und in der Mongolei.
Reluktanzmotoren
Das Prinzip ist ein altbekannter Synchronmotor. Der Motor wurde schon im Jahre 1923 vorgestellt. In ihm sind keine Permanentmagnete verbaut. Die Rotorbleche aus Eisen werden über den Frequenzumrichter magnetisiert. In dem Motor wird das Prinzip der magnetischen Reluktanz genutzt, d.h. dem magnetischen Pendant zum elektrischen Widerstand.
Vergleichbarer Effekt: ein Eisenkern wird magnetisiert, wenn er durch einen Elektro-magnet angezogen wird. Der Motor besitzt eine höhere Effizienz im Teillastbereich im Vergleich zum Asynchronmotor und ist überlastbar, d.h. um ca. 10-20 % über der Nennlast, auch für eine längere Dauer.
Bild 6: Prinzip Reluktanzmotor, „Luft und Eisen“ [39]
Durch die spezielle Gestaltung der Rotorbleche besteht der Rotor sozusagen aus „Luft und Eisen“. Dadurch ergibt sich in der einen Richtung ein geringer magnetischer Widerstand und rechtwinklig dazu ein hoher magnetischer Widerstand. Sobald Spannung anliegt, kommt das Prinzip der magnetischen Reluktanz zum Tragen und der Rotor dreht sich.
| Motor-Typen | Asynchron | Synchron | Reluktanz | Permanent-Magnet (PM) |
| Effizienz | + (IE3) | ++ (IE3/IE4) | +++ (IE4) | +++ (IE4) |
| Elektronik notwendig | -- | xx | xxx | xxx |
| Selbststart | x | -- | -- | -- |
| Permanent-Magnet notwendig | -- | -- | -- | x |
| Preis | x | xx | xxx | xxxx |
Tabelle 2: Vergleich der verschiedenen Drehstrom-Motor-Typen
Stern-Dreieck-SchaltungStern-Dreieck-Schaltung bei Drehstrommotoren
Im Anlauf beim Start des Motors erfolgt eine sehr hohe Stromaufnahme. Bei direkter Einschaltung liegt diese beim 5- bis 8- fachen Bemessungsstrom. Deshalb werden Drehstrommotoren nur bis 4 kW im Direktanlauf gestartet und ab 5,5 kW in Stern-Dreieck-Anlauf geschaltet.
Bild 7: Stern-Dreieck-Schaltung [19]
Der Motor wird im Stern gestartet und nach dem Hochlauf auf Dreieck umgeschaltet. Dadurch ist der Einschaltstrom nur ca. 1/3 so groß als wie beim Direktanlauf im Dreieck. Dies schützt den Motor vor Überlast und ermöglicht einen schonenden Betrieb.
Wechselstrommotoren
Wechselstrommotoren sind einphasig und werden mit Wechselstrom betrieben. Zum besseren bzw. verstärkten Anlaufverhalten wird ein Kondensator eingesetzt. Durch diesen Anlaufkondensator erhöht sich das Startdrehmoment. Diese Motoren werden dort eingesetzt, wo nur ein Einphasenstromnetz vorhanden ist. Anwendungen finden sich beim Antrieb von Maschinen, Werkzeugen, Ventilatoren, Kompressoren und Pumpen.
Bild 8: Wechselstrommotor mit Kondensator [27]
Gleichstrommotoren
Gleichstrommotoren sind sehr kostengünstig und in Konsumgütern weit verbreitet. Sie eignen sich für geringe Leistungen. Auch in Kraftfahrzeugen finden sich Gleichstrommotoren. Nachteilig ist ein schlechterer Wirkungsgrad als bei Drehstrom- und Wechselstrom-Motoren. Aufgrund ihrer guten Regelbarkeit und des guten Anlaufverhalten gewinnen sie aber wieder an Bedeutung, auch in industriellen Produktionsanlagen. Da auch Photovoltaikanlagen Gleichstrom liefern, entstehen keine Umwandlungsverluste bei der Einspeisung des Solarstroms ins betriebseigene Netz zum Direktverbrauch. Somit werden auch Pumpen mit Gleichstrommotoren für industrielle Produktionsanlagen an Bedeutung gewinnen.
1.1.8. Verschiedene Regelungsarten
Im Folgenden werden die verschiedenen RegelungsartenRegelungsarten dargestellt, die bei Pumpensystemen zum Einsatz kommen. Je nach Anwendungsbedarf sollte die sinnvollste Lösung ausgewählt werden. Eine Gesamtbetrachtung sollte über die Regelungsart entscheiden. Die Prioritäten können sein: einfach, oder energie-effizient, oder kostengünstig oder flexibel. Die Regelungsarten im Einzelnen:
Start / Stopp-Regelung, Bypass-RegelungBypass-Regelung, Drossel-Regelung.
Start-Stopp-Regelung
Diese Regelungsart bietet sich an für Systeme, mit einem variierenden Bedarf, beispielsweise wenn mehrere kleine Pumpen parallelgeschaltet werden. Dabei addieren sich die Durchflussmengen, die Drücke nicht. Lastabhängig werden einzelne Pumpen zu- oder abgeschaltet. Dies erfolgt durch