Rotierende Frequenzumformer lassen sich flexibel zur Leistungsgröße kombinieren

Die Autorin Christine Gaßel ist als freie Fachjournalistin in München tätig

Bei reinen Spindelmotoren – selbst magnetgelagerten oder als Synchrongeneratoren ausgeführten – sind jedoch nur maximale Leistungen von beispielsweise 350 kW bei 16 000 min-1 oder 100 kW bei ca. 40 000 min-1 zu erreichen.

Um die steigenden Anforderungen der Anwender dennoch zu erfüllen, geht die Kemmerich Elektromotoren GmbH & Co. KG daher jetzt neue Wege: Durch den Einbau von Turbowellen werden Sonder- und Spindelmotoren realisiert, die bei gleicher Leistung ein Vielfaches der Ausgangsdrehzahl erreichen können – etwa bei 40 kW bis über 400 000 min-1. Auf diese Weise kann auch die Leistung hochdrehender Turbinen in Strom umgewandelt und ins Netz eingespeist werden. Die Anlagen eignen sich aber ebenso für kleine Leistungen mit hohen Drehzahlen.

„Der Name Turbowelle kommt daher, dass meist Turbinen die Motoren als Generatoren antreiben“, erklärt Karl-Heinz Kemmerich, Geschäftsführer des Motoren- und Umrichterspezialisten. Während bei herkömmlichen Konstruktionen der Rotor bei hohen Umdrehungen an seine Belastungsgrenze kommt, dreht sich bei dieser Lösung lediglich die im Prinzip glatte Ab- bzw. Antriebsvollwelle mit sehr hoher Geschwindigkeit. Das Motor-/ Generatorinnenteil, der eigentliche Rotor, der mit Magnetblechen, gegossenen Kurzschlussstäben oder Permanentmagneten bestückt ist, läuft dagegen mit geringerer Drehzahl.

Als Verbindung zwischen beiden Komponenten dient ein spezieller Planetensatz, beispielsweise mit spezieller Sonderverzahnung. Die Kombination ermöglicht hohe Drehzahlen ohne Gefährdung des Rotors und damit letztlich einen drehzahloptimierten Betrieb. Darüber hinaus können bei der Übersetzung ins Schnelle aufgrund der geringen Drehmomente die Abmessungen und das Gewicht des Motors sowie der angesetzten Turbowelle klein gehalten werden, was Bauraum spart und eine größere Flexibilität bei der Platzierung erlaubt.

Da die Welle eigens für diese Aufgabe berechnet, mit einer extremen Genauigkeit gefertigt, gehärtet sowie geschliffen wird, arbeitet sie sehr laufruhig und praktisch verschleißfrei. Zudem läuft sie komplett in Öl, das von einer integrierten Pumpe zugeführt wird. Auf diese Weise wird selbst bei hohen Leistungen und Drehzahlen von bis zu 200 000 min-1 bei 2 MW eine lange Standzeit erreicht: Je nach Ausführung kann bei acht Stunden Betrieb pro Tag von mehreren Jahren Lebensdauer ausgegangen werden.

Die Turbowellen sind wie die Spindelmotoren bzw. -generatoren für Dauerbetrieb bei hohem Wirkungsgrad ausgelegt und können je nach Bedarf in Leichtbauweise aus Aluminium oder mit Stahlgehäuse auch voll gekapselt gefertigt werden. Um eine möglichst hohe Betriebssicherheit, Verfügbarkeit und Effizienz zu gewährleisten, kontrollieren Lagersensoren, Schmierüberwachungssysteme, Schwingungssensoren und Temperaturfühler ständig die Motoren, Lager und Turbowellen. Die dabei erfassten Werte, wie etwa der Stand der Betriebszeiten, die Temperaturen oder die erzeugte Energiemenge, werden auf einem übersichtlichen Display angezeigt, sodass der Bediener jederzeit über die Betriebsparameter informiert ist. Zusätzlich lassen sich Grenzwerte für Alarme oder eine automatisierte Notabschaltung, etwa bei Überstrom, festlegen.

Die Turbowellen-Hochleistungsmotoren werden entsprechend den Ansprüchen des Kunden und den Anwendungsbedingungen individuell im Werk in Gummersbach entwickelt und gefertigt, was je nach Aufwand für die spezielle Ausführung sechs bis acht Monate dauert. Die Lieferung erfolgt komplett mit den dazugehörigen – auch rückspeisefähigen – Frequenzumrichtern und Schaltschränken einschließlich Touchscreen-Bedienung. Daneben bietet Kemmerich auch ein umfassendes Paket mit Umrichtern, Schmiergeräten, Rückspeisungen, EMV- und Sinusfiltern sowie weiterem Zubehör an. Für Fahrzeugteile-Teststände, beispielsweise solche mit 5 bis 20 kW bei 400 000 min-1 für Formel-1-Turboverdichterräder, sowie für Getriebe, Gasveredelung, Schleuderanwendungen, ORC-Anlagen, Verdichter und ähnliches integriert der Motorenexperte auf Wunsch auch Drehmomentmesswellen, Drehgeber, Spannungs-, Frequenz- und Leistungsanzeigen.

Darüber hinaus fertigt das Unternehmen für eine zuverlässige Energieversorgung in der benötigten Spannung und Frequenz auch rotierende Umformer in sehr großen Leistungsdimensionen bis etwa 4 MW. Ab gewissen Größen empfiehlt der Experte aber, statt eines einzelnen Gerätes mit der Gesamtleistung mehrere kleinere in Parallelschaltung zu nutzen. Auf diese Weise lässt sich die Leistung leicht vervielfachen. „Dies hat auch den Vorteil, dass bei geringerem Bedarf nur eine der Anlagen gefahren werden kann, was Strom spart. Zudem arbeiten bei einem möglichen Defekt eines Geräts die anderen noch weiter“, so Kemmerich. Zur bequemeren Kontrolle der Umformer wurde eine Funkfernsteuerung entwickelt: Über ein Touchpanel mit WLAN lassen sich damit die Spannungen und Frequenzen von überall im Betrieb aus stufenlos regulieren. bec

Kemmerich Elektromotoren GmbH & Co. KG

Karl-Heinz Kemmerich

Geschäftsführer

Hückeswagenerstraße 120a

51647 Gummersbach-Windhagen

Tel.: 02261 50198-12

Detaillierte Informationen zu den rotierenden Frequenzumformerm