Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Anlagen- und Apparatebau: Ausgabe 06/2015, 15.06.2015

Umweltschonende Wasseraufbereitung

Die verantwortungsvolle Nutzung des vorhandenen Wassers ist ein weltweit vorrangiges Anliegen. Eine innovative umweltschonende Methode zur Abwasseraufbereitung arbeitet mit einem Permanentmagnetmotor und aktiven Magnetlagern.

Autor: Askar Gubaidullin Business Development Manager

Bilder: SKF / Spencer Turbine Company

Um der rasch wachsenden Nachfrage der Wasserwirtschaft nach effizienten Geräten nachzukommen, haben Spezialisten eine innovative und nachhaltige Lösung für direkt angetriebene Zen­trifugalgebläse zur Abwasserbelüftung entwickelt. So bietet SKF nun eine neue Produktlinie mit hochtourigen Permanentmagnet-(PM-)Motoren, die mit aktiven Magnetlagern (AMB) ausgestattet sind, einschliesslich einer Magnetlagersteuerung (MBC) der neuen Generation. Die Nennausgangsleistung dieser Motoren beträgt 75 kW bis 350 kW bei Drehzahlen bis zu 35 000 min-1.

Die ölfreien Hochleistungsmotoren besitzen verschiedene Funktionen zur Steigerung der Gebläseleistung. Beispielsweise behält ein PM-Motor im Gegensatz zu herkömmlichen Induktionsmotoren bei Halblastbetrieb seinen Wirkungsgrad bei. Die Direktantriebslösung für Belüftungsgebläse weist auch weniger mechanische Teile auf als traditionelle Antriebssysteme. Hieraus resultiert ein niedrigerer Wartungsaufwand und eine höhere Betriebssicherheit. Die Magnetlager haben leistungsstarke Überwachungs- und Diagnosefunktionen, mit denen Kunden potenzielle Probleme erkennen und einem Ausfall der Anlage vorbeugen können.

Herausforderungen bei der biologischen Abwasseraufbereitung.

Bis 2030 könnte fast die Hälfte der Weltbevölkerung von Wasserknappheit betroffen sein, wobei die Nachfrage das Angebot um 40 Prozent übersteigt. Daher wird es immer vordringlicher, ein fortschrittlicheres und effizienteres Abwasseraufbereitungssystem zu entwickeln. Beim biologischen Verfahren blasen Gebläse Luft in die Belüftungsbecken, um Millionen aerobe Bakterien, welche die organischen Abwasserbestandteile abbauen, mit Sauerstoff zu versorgen.

Bei einem herkömmlichen Zen­trifugalgebläse kommt ein Induktionsmotor mit mechanischem Getriebe und ölgeschmierten Lagern zum Einsatz, der normalerweise grosse Leistungsverluste und einen hohen Verschleiss aufweist, wodurch auch hohe Wartungskosten entstehen. Zudem benötigen diese Gebläse üblicherweise 50 Prozent und mehr des Gesamtenergiebedarfs der Abwasseraufbereitungsanlage. Tatsächlich entfallen auf den Stromverbrauch bis zu 80 Prozent der Lebenszykluskosten eines Gebläses. Somit liegen die ursprünglichen Investitionskosten der Geräte weit unter den Gesamtbetriebskosten. Infolge des Anstiegs der Energiekosten und der Weiterentwicklung in der Antriebstechnik hat sich eine technologische Wende hin zu effizienteren, drehzahlvariablen Zentrifugalkompressoren (-gebläsen) mit Direktantrieb vollzogen.

Natürliche Synergie.

Die nachhaltige Lösung kombiniert Spitzentechnik in den Bereichen Permanentmagnet-Synchronmotoren und aktive Magnetlager. Der PM-Motor ist ein Drehstrom-Synchronmotor mit Statorwicklungen und Permanentmagneten auf dem Rotor. Der Rotor verhält sich ähnlich wie ein Kompass, der sich nach dem vom Stator aufgebauten elektromagnetischen Feld ausrichtet. Der Rotor dreht mit derselben Geschwindigkeit wie das rotierende magnetische Feld des Stators; das heisst, die Wellendrehung wird mit der Stromfrequenz synchronisiert. Die Seltenerd-Permanentmagnete sitzen direkt auf der Welle, die eine Kohlefasermanschette hält. Ein drehzahlvariabler Antrieb steuert die Drehzahl.

Hoher Wirkungsgrad.

Die PM-Motortechnik bietet spürbare Vorteile gegenüber regulären Induktionsmotoren. Vor allem aber lässt sich ein höherer Wirkungsgrad (bis zu 98 Prozent) über einen grossen Betriebsbereich erzielen. Der Motor ist kompakter, leichter und zeichnet sich durch eine optimale Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie, längere Lebensdauer und hohe Leistungsdichte aus. Er lässt sich über einen grossen Drehzahlbereich (zum Beispiel zwischen 10 000 und 35 000 min-1) betreiben. Das Direktantriebskonzept mit einem direkt auf der Motorwelle sitzenden Laufrad macht das Getriebe und andere zugehörige mechanische Komponenten der herkömmlichen Bauformen überflüssig und bietet neben einer höheren Betriebssicherheit auch einen deutlich reduzierten Wartungsaufwand.

Ein aktives Magnetlager ist eine moderne mechatronische Vorrichtung zur berührungsfreien Lagerung einer sich drehenden oder stillstehenden Welle in einem Magnetfeld. Die Wellenposition wird gehalten, indem kontrollierte elektromagnetische Kräfte in radialer und axialer Richtung auf den Rotor aufgebracht werden. Das System hat elektromechanische (Lager, Sensoren) und elektronische Komponenten (Steuerung).

Die für die Gebläseanwendung entwickelte Lösung umfasst zwei identische Lager-Stator-Einheiten, die sowohl radiale als auch axiale Kräfte auf die Welle aufbringen können. Jede Einheit enthält das Lager an sich, Lagegeber, Temperaturfühler und Auffanglager. Die Lagegeber messen die Radial- und Axialverschiebungen der Welle mit einer Genauigkeit von unter einem Mikrometer. Die Lager entsprechen der Isolierklasse H (Höchstbetriebstemperatur bis zu 180 °C).

Sicherheitsvorkehrungen.

Bei den Auffanglagern handelt es sich um eine Sicherheitsvorrichtung zur Unterstützung der Welle bei Stillstand. Allerdings sind sie inaktiv, wenn die Magnetlager erregt sind. In einigen kritischen Situationen, wenn die Prozessbelastung die Kapazität der AMB übersteigt, nehmen diese Kugellager die umlaufende Welle auf und verhindern jeglichen Kontakt zwischen Rotor und Stator. Bei dieser Anwendung beträgt die Radialluft beziehungsweise der magnetische Luftspalt zwischen Stator und Rotor etwa 500 μm. Aufgrund der Bauweise kommt es zu keinem Kontakt und keinem Verschleiss von Komponenten; eine Schmierung ist nicht erforderlich.

Technische Highlights.

Die elektronische Magnetlagersteuerung (MBC) besteht hauptsächlich aus einem digitalen Signalprozessor (DSP), dem Gehirn des Systems, und Leistungsverstärkern, welche die Magnetlager mit elek­trischem Strom zur Erzeugung des Magnetfelds versorgen. Der DSP holt sich die Wellenpositionsdaten mit einer hohen Ab­tastrate (beispielsweise 15 kHz) von den Lagegebern, korrigiert Fehler anhand spezieller Algorithmen und regelt die Leistung der Verstärker so, dass die Welle in der gewünschten radialen und axialen Position gehalten wird.

In einem AMB-System entstehen Steifigkeit und Dämpfungskräfte, die das dynamische Rotorverhalten während des Betriebs beeinflussen können. Komplexe mathematische Algorithmen optimieren die Steifigkeit und Dämpfung der Lager, sodass ein stabiler Maschinenbetrieb unter vielfältigen Betriebsbedingungen möglich ist. Eine solche aktive Steuerung unterscheidet sich fundamental von herkömmlichen Lagern und bietet zahlreiche Vorteile wie Schutz vor Schwingungen und Unwuchten. Die Leistungsaufnahme des Magnetlagersteuerungssystems ist niedrig; beispielsweise verbraucht die beim 75-350 kW-Motor eingesetzte Steuerung der neuen Generation weniger als 200 W.

Das System ist zur Aufrechterhaltung der magnetischen Lagerung im Falle eines Netzausfalls mit einer Sicherheitsstromversorgung ausgestattet. Bei einem Stromausfall schaltet der Motor in einen Generatorbetrieb, der die Ma­gnetlager solange mit Strom versorgt, bis die Welle eine niedrige Drehzahl erreicht hat und auf einen Anschlag auf den Kugellagern rollt, ohne dass die Anlage Schaden nimmt.

Kundenspezfisiche Fertigung.

Der Hersteller liefert die Motoren fertig zusammengebaut. Der Kunde montiert lediglich noch das Laufrad und das Verdichtergehäuse. Je nach Motorleistung oder erforderlicher Kühlung ist das Motorgehäuse entweder für Luft- oder Wasserkühlung ausgelegt. Die Kühlungskomponenten (Lüfter, Wärmetauscher, Pumpen) sind kundenseitig beizustellen. Die MBC ist zusammen mit dem drehzahlvariablen Antrieb und weiterer Elektronik in der Gebläseeinheit untergebracht. Die Kommunikation zwischen der MBC und der Gebläsesteuerung erfolgt über das Modbus-Protokoll. Ferner kann die Überwachung der Betriebsparameter sowie die Fehlersuche mit einem externen PC über eine Ethernet-Verbindung unter Verwendung des MBScope-Softwarepakets erfolgen. Anwender können den drehzahlvariablen Antrieb von einer Reihe autorisierter Hersteller beziehen. Fachleute inte­grieren den Motor und die Elektronik dann in eine Gebläseeinheit des Kunden, wobei ein kompaktes Endprodukt entsteht, das direkt in einer Abwasseraufbereitungsanlage installierbar ist.

Der Lieferumfang ist variabel: Erhältlich sind Kernkomponenten bis hin zu vollständigen Einheiten, wobei der Kunde entweder die Flexibilität in der Konstruktion oder die Vorteile der Lieferung aus einer Hand nutzen kann.

Vorteilhafte Kombination.

Die Kombination aus hochtourigem PM-Motor und AMB bietet viele Vorteile:

  • höherer Wirkungsgrad bei Nenn- und Teillast – 10 Prozent mehr als bei herkömmlichen Motoren
  • höhere Betriebssicherheit der Anlage
  • nahezu wartungsfrei
  • leistungsstarke Diagnosesoftware
  • optimierte Prozesssteuerung
  • längere Gesamtbetriebsdauer
  • niedrigere Herstellungskosten aufgrund der kompakteren Bauform
  • niedrigere Geräuschentwicklung
  • Konformität mit den geltenden Vorschriften.

Eine auf Magnettechnik aufgebaute Abwasseraufbereitung ist nicht nur für den Betreiber eine lohnende Anlage, sondern unterstützt Verantwortliche in der verantwortungsvollen Nutzung des Wassers. Das umweltschonende Verfahren ist somit ein Gewinn für alle.


Weitere Informationen:
SKF GmbH
www.skf.de




Permanentmagnetmotor-Belüftungsgebläse versorgen aerobe Bakterien mit Sauerstoff


Permanentmagnetmotor mit Magnetlagern