Einige Erläuterungen zu Frequenzumwandlern und magnetischen Kupplungen
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In letzter Zeit habe ich einige Artikel über Permanentmagnete gelesen. Das ist eine ziemlich extreme Situation. Ich frage mich, was die Experten im Forum dazu zu sagen haben. 1. Einleitung: Die Wirtschaft unseres Landes befindet sich derzeit in einer Phase des schnellen Wachstums. Mit dem ständigen Anstieg des jährlichen Bruttoinlandsprodukts steigt auch der Energieverbrauch stark an. Aufgrund eines ungleichmäßigen Entwicklungsverhältnisses in der Industrie führt der Mangel an Strom sowie die hohen Strompreise dazu, dass die wirtschaftliche Entwicklung unseres Landes erheblich eingeschränkt wird. Deshalb werden Strategien zur Energieeinsparung und -reduzierung vorgeschlagen. Derzeit weisen die Hilfsanlagen in den Kraftwerken hohe Energieverbräuche auf. Zudem werden von dem Stromnetz immer höhere Anforderungen an die Fähigkeit der Generatoren, zur Regulierung des Stromangebots beizutragen, gestellt. Dadurch bleiben die Energieverbräuche der Hilfsanlagen weiterhin hoch – was die Steigerung der wirtschaftlichen Effizienz erheblich behindert. Durch die Frequenzumrichter-Umrüstung der Lüfter bei den wichtigsten Hilfsanlagen einer Kraftwerk ist die Energieeinsparung äußerst deutlich. Daher wird die Hochspannungs-Wechselstrom-Technologie zur Energieeinsparung aufgrund ihrer hervorragenden Drehzahlregelungsfähigkeit, umfassenden Schutzfunktionen, deutlichen Energieeinsparungen sowie der Möglichkeit einer einfachen Anbindung an automatische Steuerungssysteme wie DCS zur automatischen Regulierung sicherlich weit verbreitet bei der Modernisierung von Hochdruck- und Hochleistungs-Drehgeräten wie Zuführventilatoren in Kraftwerken eingesetzt werden. Gleichzeitig ermöglicht die Umstellung auf Wechselstrom eine Optimierung der Regelungseigenschaften der Anlagen, was wiederum zu einem stabileren Betrieb der Anlagen beiträgt. Neben der Energieeinsparung bringt der Einsatz von Frequenzumrichtern weitere Vorteile für die Anlage mit sich: (1) Die hervorragende Weichstart-/Stopp-Funktion der Hochspannungs-Frequenzumrichter – es ist möglich, bei Nulldrehzahl zu starten. Dabei liegt der maximale Strom während des Startvorgangs unter dem Nennstrom, wodurch die Belastung des Motors sowie des Stromnetzes durch den Startstrom verringert wird. Es wird effektiv zu weniger Motorausfällen beigetragen. Dadurch **wird die Wartungsintervall und die Lebensdauer des Motors verlängert. Gleichzeitig kann so auch die nachteilige Wirkung von Stoßlasten auf das Stromnetz wirksam vermieden werden ； (2) Nach der Umstellung auf Frequenzumrichter werden die ursprünglichen Regelklappen vollständig geöffnet. Dadurch wird ihre Abnutzung verringert, die Lebensdauer der Klappen verlängert sich, die Wartungskosten sinken – und somit auch der Widerstand in den Luftleitungen ； (3) Nach der Umstellung auf Frequenzumrichter kann der Leistungsfaktor verbessert werden (der Leistungsfaktor mit Frequenzumrichter kann bis zu 0,96 betragen), wodurch die Leitungsverluste verringert werden ； (4) Die durch den Hochspannungs-Wechselrichter ermöglichte sanfte Regulierung verringert die mechanische Abnutzung von Lüftern und Motoren. Gleichzeitig werden die Temperaturen der Lager und Buchsen gesenkt. Dadurch sinken die Wartungskosten und die Lebensdauer der Geräte wird verlängert. 2. Bezüglich der magnetischen Kupplungen: Üblicherweise wird die Durchflussmenge durch Regulierung des Öffnungsgrades gesteuert. Diese gängige Regelungsmethode dient zwar dazu, den Durchfluss und den Druck zu regulieren, doch der Motor arbeitet dabei in einem Zustand mit niedriger Last. Dadurch entstehen unoptimale Betriebsbedingungen. Zudem ist der Leistungsfaktor des Motors recht niedrig, was negative Auswirkungen auf die Qualität des Stroms im Netz hat. Außerdem kommt es zu einem gewissen Energieverlust. Die Drehzahlregelung mittels Hydraulikkupplung ist eine ineffiziente Methode. Es treten erhebliche Verluste durch die Kupplung sowie durch den Schlupf auf. Zudem wird viel Energie verbraucht, die Genauigkeit der Drehzahlregelung ist gering. Außerdem weist diese Methode starke Nichtlinearitäten auf, die Betriebssicherheit ist eingeschränkt und die Wartungsarbeiten sind aufwendig. Im Gegensatz zu Antrieben, bei denen die Drehzahl des Motors durch Frequenzumrichter geändert wird, wird beim Magnetkupplungsantrieb (auch Permanentmagnetantrieb genannt) der Drehmomentübertragung durch Magnetkräfte zwischen Motor und Pumpen genutzt – anstelle einer herkömmlichen mechanischen Verbindung. Während des Betriebs des Systems arbeitet der Motor stets mit der Nenndrehzahl. Durch den Permanentmagnetschalter wird die Drehzahl des Pumpenkörpers direkt verändert, wodurch die Durchflussmenge der Pumpe geregelt werden kann. Es werden magnetische Kupplungen verwendet (auch als Permanentmagnet-Drehzahlregler bezeichnet; es handelt sich dabei um eine verbesserte Version der hydraulischen Kupplung), wobei die Drehmomentübertragung durch Magnetkraft erfolgt (bei hydraulischen Kupplungen erfolgt die Drehmomentübertragung hingegen über Flüssigkeit)! Es wird behauptet, dass sie 2006 aus den USA in das Inland eingeführt wurden. Wenn man den Hintergrund betrachtet, so stellte sich heraus, dass die magnetischen Kupplungen auf dem amerikanischen Markt aufgrund der Weiterentwicklung von Frequenzumwandlern verdrängt wurden. Deshalb mussten die magnetischen Kupplungen ihre Chancen im chinesischen Markt suchen! Der Name wurde in „Dauermagnet-Geschwindigkeitsregler“ geändert (Konzeptverfälschung), doch er wird aus den folgenden fünf Hauptgründen weiterhin vom Markt nicht angenommen: 1. Eingeschränkte Anpassungsmöglichkeiten. Es dient der Drehzahlregelung zwischen Motor und Last. Bei der Umgestaltung muss unweigerlich die Basis des Motors oder der Last entfernt werden; anschließend muss eine neue Basis gegossen werden. (Die Umgestaltungsarbeiten sind äußerst aufwendig!) ), doch die meisten Motoren weisen eingeschränkte Verschiebbarkeit auf und lassen sich daher nicht umrüsten! 2. Energieeinsparungen sind eingeschränkt. (Ihre Übertragungseffizienz ist bei niedrigen Geschwindigkeiten sehr gering. Doch die eigentliche Energieeinsparung zeigt sich erst bei niedrigen Geschwindigkeiten – daher ist sie zwar regelbar, aber nicht energieeffizient!) Es ist sogar energiesparender als die Regelungsmethode der „anpassbaren Radiallüfter mit stationären Blättern“. 3. Die Umwandlungskosten sind hoch – schließlich wird dieses Produkt als importiert aus den USA bezeichnet. Im Vergleich zu Hydraulikkupplungen ist es tatsächlich technologisch fortschrittlicher. Deshalb sind die Preise in China sehr hoch. Man kann sagen, dass die Herstellungskosten dieser Geräte höher sind als die von Hochspannungs-Wechselrichtern! Es ist äußerst unrentabel – wenn man einen magnetischen Kraftübertragungsteil wählt, ist es besser, stattdessen einen hydraulischen Kraftübertragungsteil zu verwenden! ) 4. Leistungsfaktor. (Da Wechselrichter den Leistungsfaktor des elektrischen Systems auf über 0,95 erhöhen können, erreichen Magnetkupplungen überhaupt nicht das Ziel, den Leistungsfaktor zu verbessern!) )。 5. Startmethode. (Da der magnetische Kupplungsmechanismus eine direkte Startung des Motors bei Nenndrehzahl ohne Last verwendet, ist der Startstrom in einigen Fällen mit großen Motoren dennoch sehr hoch!) Der Wechselrichter ist hinsichtlich des Startverfahrens deutlich überlegen, da er bei Volllast starten kann – im Vergleich zum Magnetkupplungsantrieb. In den letzten Jahren gab es viele Projekte, bei denen der hydraulische Kupplung zur Frequenzanpassung entfernt wurde. Ich glaube, bald wird es auch Projekte geben, bei denen die magnetische Kupplung zur Frequenzanpassung entfernt wird! Mit der ständigen Entwicklung der Elektronikbranche sowie dem zunehmenden Wissen und den Verbesserungen in Bezug auf die Inbetriebnahme von Hochspannungswechselladern im Inland, wird das Gerät der magnetischen Kopplung sicherlich vom Markt verschwinden!
Der Hintern bestimmt den Kopf – Permanentmagnetscheibenkupplungen haben nichts mit Hydraulikkupplungen zu tun. Von irgendwelchen „Verbesserungsversionen“ kann keine Rede sein – das ist Unsinn. Die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Frequenzumwandlern sind Probleme, die die Nutzer belasten. Ich kenne auch einige Fälle, in denen nach einigen Jahren Nutzung auf solche Umwandler verzichtet wurde – aus Angst vor Störungen, die ständig auftreten konnten. Nach Ablauf der Nutzungsdauer mussten diese Geräte schließlich ersetzt werden. Hydraulische Kupplungen sind bereits seit über hundert Jahren im Einsatz – sie sind also sehr ausgereift. Inländisch hergestellte Exemplare sind äußerst günstig, wodurch ein heftiger Preiskampf entsteht. Um die Kosten zu senken, werden die Aluminiumkomponenten oft nicht einmal geglüht; dadurch ist die Qualität eher durchschnittlich. Wenn man bei Lagern und Dichtungen nicht auf hochwertige Produkte setzt, brechen sie leicht – typisch für chinesische Produkte. Natürlich wählen anspruchsvolle Kunden Marken aus dem Ausland – der Preis liegt wohl etwa zehnmal höher als bei inländischen Produkten. Die Effizienz des Hydraulikkupplungs ist nicht so niedrig – sie liegt mindestens bei 85 %. Wenn die Drehzahl auf 67 % eingestellt wird, steigt die Effizienz, wenn die Drehzahl höher oder niedriger ist. Bei Vollgeschwindigkeit beträgt der Wert etwa 95 % – dazu gibt es Testdaten. Der verbleibende Anteil von 3 % entsteht durch die durch den Reibungsverlust verursachte Wärmeentwicklung sowie durch mechanische Verluste. Die Drehzahl und Leistung des Flüssigkeitsdoppelmotors können sehr hoch sein – über 10.000 Umdrehungen pro Minute sowie über 10.000 Kilowatt. Permanentmagnetische Drehzahlregler – bei geringer Leistung wird eine Luftkühlung verwendet. Ihre Konstruktion und Montage sind einfacher als bei Hydraulikkupplungen, außerdem ist kein zusätzliches Kühlsystem erforderlich. Allerdings kann der Lärm etwas hoch sein; bei schlechter Behandlung kann er über 100 Dezibel betragen. Kühlung durch Luft bei hohen Drehzahlen funktioniert ebenfalls nicht. Derzeit werden nur selten 2-Pol-Motoren eingesetzt – und das aus Gründen des hohen Geräuschpegels sowie der kurzen Lebensdauer der Lager. Hocheffiziente Anlagen benötigen eine Wasserkühlung oder Ölkühlung; das System ist dabei komplex. Zudem ist die Drehzahlregelung nicht so gut wie bei Hydraulikgetrieben – außerdem ist die für die Drehzahlregelung erforderliche Kraft viel größer als bei Hydraulikgetrieben. Hohes Leistungsniveau und Flüssigkeitskopplung bieten keinen Vorteil. Flüssigkeitskupplungen und Permanentmagnete können als Kupplungen verwendet werden – etwas, was bei Wechselstrom nicht möglich ist. Flüssigkeitskupplungen und Permanentmagnetsysteme weisen aufgrund der Tatsache, dass der Motor nach der Drehzahlregelung mit einem niedrigen Leistungsfaktor arbeitet und es keine Leistungscompensation gibt, einen hohen Scheinstrom auf. Wenn eine Compensation erfolgt, ist der Unterschied im Vergleich zu Frequenzumrichtern nicht mehr groß. Flüssigkeitsdämpfer und Permanentmagnete sind Maschinenkomponenten, die bei normaler Betriebsweise eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen und nicht aufgrund von Schaltkreiskomponenten oder elektrischen Störungen ausfallen. Flüssigkeitsdämpfer funktionieren jahrelang ohne Probleme, alle paar Jahre müssen nur die Lager ausgetauscht werden. Das Produkt Permanentmagnete ist tatsächlich ein chinesisches Spezialprodukt – es ist weder besser noch schlechter als ähnliche Produkte aus anderen Ländern. Der Preis ist einfach hoch, weil die Materialien teuer sind und auch die Verarbeitung kostspielig ist – schließlich werden viele Kupfermaterialien sowie starke Magnete verwendet. Der Permanentmagnet-Geschwindigkeitsregler wurde nicht von Megna erfunden, sondern nur zur Herstellung lizenziert; das eigentliche Erfindungsunternehmen existiert nicht mehr. Megna schneidet in den USA nicht gut ab, macht jedes Jahr Verluste, deshalb wird es an die Chinesen verkauft. Flüssigkeitsdämpfer bestehen aus gewöhnlichem Stahl oder Aluminiumlegierungen; dank ausgereifter Fertigungstechnologien und Serienfertigung sind sie natürlich günstig. Was den Absatz angeht, so werden Flüssigkeitsdämpfer zwar heutzutage oft durch Frequenzumrichter ersetzt, doch der jährliche Umsatz liegt dennoch bei mehreren hundert Millionen – und das sind echte Einnahmen, schließlich ist der Preiswettbewerb extrem intensiv. Der jährliche Umsatz bei Permanentmagneten wird nicht über 50 Millionen liegen, und die Menge an Reparaturen ist erheblich. Wechselfrequenz, ich habe keine Daten. Ich habe 1997 mit der Herstellung von Flüssigkupplungen begonnen und ab 2010 mit der Herstellung von Permanentmagneten. Der Unterschied zwischen diesen beiden Produkten ist schließlich deutlich. Ich glaube, der Markt für Flüssigkeitsdämpfer wird nicht verschwinden – Flüssigkeitsdämpfer werden nicht verdrängt werden. Bei Permanentmagneten ist das schwer zu sagen. Voith hat Dauermagnetsperren entwickelt, die zur sanften Bremseingriff bei großen Fahrzeugen dienen. Sie stellen einen weiteren Konkurrenten zu hydraulischen und elektromagnetischen Bremssystemen dar – man sollte sie daher im Auge behalten.