Drehmoment und Umrichterabstimmung beim Austausch des Elektromotors eines Kunststoffextruders

Beim Austausch des Elektromotors eines Kunststoffextruders ist nicht die Leistung der erste Prüfwert, sondern das Drehmoment, das die Schneckenwelle benötigt. Die Extruderschnecke ist eine Last mit konstantem Drehmoment, die auch bei sinkender Drehzahl annähernd dasselbe Drehmoment verlangt; die neue Maschine muss daher bei der niedrigsten und höchsten Schneckendrehzahl der Anlage das erforderliche Drehmoment dauerhaft abgeben und sich zusammen mit dem Umrichter in diesem Bereich ausreichend kühlen können. Wird ein alter Gleichstromantrieb durch einen Drehstrom-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter ersetzt, sind diese beiden Bedingungen wichtiger als eine übereinstimmende Leistungsangabe.

Was verlangt die Extruderschnecke vom Antrieb?

Im Extruder fördert die Schnecke das Granulat im beheizten Zylinder, verdichtet es und drückt die Schmelze ins Werkzeug. Die Reibung an der Schneckenoberfläche und der Widerstand der Schmelze erzeugen einen Drehmomentbedarf, der weitgehend unabhängig von der Drehzahl ist. Grob gesagt: Dreht die Schnecke mit halber Drehzahl, bleibt das erforderliche Drehmoment ungefähr gleich, die aufgenommene Leistung halbiert sich dagegen. Das unterscheidet sich grundlegend von Pumpen und Ventilatoren, deren Last mit sinkender Drehzahl stark abnimmt.

Die wichtigsten Einflussgrößen auf den Drehmomentbedarf sind:

• Material und Schmelzviskosität: Auf derselben Maschine verlangen verschiedene Polymere unterschiedliche Drehmomente. Wird die Zylindertemperatur niedrig gehalten, wird die Schmelze zäher und das Drehmoment steigt.
• Werkzeug- und Siebwiderstand: Ein sich zusetzendes Siebpaket erhöht den Gegendruck und damit das Drehmoment.
• Kaltstart: Wird die Schnecke gedreht, bevor der Zylinder ausreichend aufgeheizt ist, steigt das Drehmoment sehr stark an. Das ist ein Prozessfehler; ein größerer Elektromotor ist keine Lösung.

Drehmomentvergleich vor dem Austausch

Das Nenndrehmoment an der Motorwelle wird aus Leistung und Drehzahl berechnet: Drehmoment (Nm) ≈ 9550 × Leistung (kW) / Drehzahl (U/min). Ermitteln Sie diesen Wert vom Typenschild der bisherigen Maschine und vergleichen Sie ihn mit dem Nenndrehmoment der neuen. Zwei Antriebe gleicher Leistung, aber unterschiedlicher Drehzahl haben unterschiedliche Drehmomente; beim Extruder ist das Drehmoment zu vergleichen.

Beim Wechsel vom Gleichstrom- zum Drehstromantrieb

Auf dem Typenschild der bei älteren Extrudern verbreiteten Gleichstrommaschinen steht in der Regel eine „Basisdrehzahl“; bis zu dieser Drehzahl arbeitet die Maschine mit konstantem Drehmoment. Die Basisdrehzahl des Gleichstromantriebs kann von der Nenndrehzahl eines vierpoligen Asynchronmotors abweichen. Dann gibt es zwei Wege:

• Wenn dieselbe Wellendrehzahl angestrebt wird: Das Nenndrehmoment der neuen Maschine darf das Drehmoment der alten bei Basisdrehzahl nicht unterschreiten. Die Drehzahl am Getriebeeingang bleibt erhalten.
• Wenn die Drehzahl abweicht: Durch Anpassung des Riemenscheibenverhältnisses oder des Getriebeeingangs wird die Schneckendrehzahl beibehalten; das an der Welle erforderliche Drehmoment wird dann zusammen mit der Übersetzung neu berechnet.

Gleichstrommaschinen werden häufig mit speziellen Flansch- und Wellenmaßen gebaut. Da die Anbindung eines Asynchronmotors mit IEC-Baugröße abweichen kann, ist unter Umständen eine Anpassung von Sockel, Kupplung oder Riemenscheibe nötig. Die Maße finden Sie in den technischen 2D-Zeichnungen nach Baugröße; die Bauformen werden je nach Baugröße angeboten, und das Flanschmaß wird bei der Bestellung bestätigt.

Abstimmung mit dem Umrichter: Drehzahlbereich und Kühlung

Da die Schneckendrehzahl beim Extruder prozessabhängig eingestellt wird, arbeitet der Asynchronmotor fast immer mit Frequenzumrichter. Die Drehstrom-Serien von HEM Motor eignen sich für die Drehzahlregelung mit Frequenzumrichter; bei längerem Betrieb mit vollem Drehmoment bei niedriger Drehzahl kann ein Fremdlüfter erforderlich sein, bei langer Leitung zwischen Umrichter und Elektromotor wird ein dU/dt- oder Sinusfilter geprüft. Diese Bedingungen sind bei der Bestellung anzugeben. Allgemeine Informationen finden Sie in der Frage zum Betrieb am Umrichter.

• Unter 50 Hz: Die Maschine kann ihr Nenndrehmoment abgeben, da aber auch der Lüfter auf der Welle langsamer läuft, sinkt die Kühlung. Arbeitet der Extruder lange mit niedriger Schneckendrehzahl und hohem Drehmoment, erwärmt sich der Antrieb aus diesem Grund; ein Fremdlüfter (unabhängiger Lüfter) deckt diesen Bedarf.
• Über 50 Hz: Da die Spannung konstant bleibt, gelangt die Maschine in den Feldschwächbereich; die Leistung bleibt annähernd konstant, das nutzbare Drehmoment sinkt. Bei der Extruderlast mit konstantem Drehmoment kann eine Frequenzerhöhung zur Steigerung der Schneckendrehzahl zu Drehmomentmangel führen.
• Regelgenauigkeit: Drehzahlkonstanz und Reaktion auf Laständerungen hängen von Typ und Einstellung des Umrichters ab. Sind die Genauigkeitsanforderungen der Linie hoch, wählen Sie den Umrichter gemeinsam mit dem Umrichterlieferanten; ein Standard-Elektromotor bestimmt diese Leistung nicht allein.

Bei der ersten Inbetriebnahme am Umrichter müssen die Typenschildwerte (Spannung, Strom, Drehzahl, Frequenz) korrekt eingetragen werden. Die Inbetriebnahmeschritte finden Sie in unserem Beitrag zu den Prüfungen bei der Erstinbetriebnahme.

Getriebe und Kupplung

Das Extrudergetriebe besitzt ein Axiallager, das die von der Schnecke nach hinten erzeugte Axialkraft aufnimmt. Diese Kraft wird nicht auf den Elektromotor übertragen, Eingangsdrehzahl und Drehmomentkapazität des Getriebes müssen jedoch zur Maschine passen. Ist der Antrieb über einen Riementrieb mit dem Getriebe verbunden, bestimmt das Riemenscheibenverhältnis die Schneckendrehzahl; bei direkter Kupplung werden Achshöhe und Ausrichtung geprüft. Das Drehmoment der neuen Maschine darf die Eingangsdrehmomentgrenze des Getriebes nicht überschreiten; soll die Leistung erhöht werden, werden die Getriebedaten gesondert geprüft.

Beispielmotoren für Extruderantriebe

Die folgenden vierpoligen Modelle mit Graugussgehäuse sind Beispiele für Leistungs- und Drehmomentklassen bei Hauptantrieben mittelgroßer Extruder. Die endgültige Auswahl erfolgt anhand des Typenschild-Drehmoments der bisherigen Maschine und des Drehzahlbereichs der Linie. Passende HEM Motor Modelle und aktuelle Preise finden Sie auf der Seite Elektromotor kaufen.

Alle Modelle haben Graugussgehäuse, Schutzart IP55, Isolationsklasse F und Speisung 400/690 V (Δ/Y), 50 Hz. Drehmomentwerte weiterer Leistungen finden Sie in der Drehmomenttabelle, branchenspezifische Optionen auf der Seite Elektromotoren für die Kunststoff- und Gummiverarbeitung.

Angenommenes Beispiel: Umstellung eines Extruders mit Gleichstromantrieb auf Drehstrom

Dieses Beispiel ist angenommen. Ein Profilextruder habe einen Gleichstromantrieb mit 30 kW und 1500 U/min Basisdrehzahl. Das aus dem Typenschild berechnete Drehmoment beträgt etwa 191 Nm. Das Modell 200L-4 hat ein Nenndrehmoment von 194,2 Nm und eine Nenndrehzahl von 1475 U/min; damit passt es beim Drehmoment, und die Drehzahl am Getriebeeingang bleibt praktisch erhalten. Läuft die Linie überwiegend mit etwa fünfzig bis sechzig Prozent der Nenndrehzahl, arbeitet die Maschine in diesem Bereich mit vollem Drehmoment, aber geringer Lüfterdrehzahl; deshalb wird bei der Bestellung der Bedarf an einem Fremdlüfter angegeben. Hat der Flansch der alten Gleichstrommaschine kein IEC-Maß, wird zusätzlich ein Zwischenflansch oder eine Sockelanpassung geplant.

Fazit und Angaben für die Bestellung

Entscheidend beim Austausch des Extruderantriebs sind das für die Schnecke erforderliche Dauerdrehmoment, der genutzte Drehzahlbereich der Linie, die Kühlung bei niedriger Drehzahl und die Abstimmung zwischen Umrichter und Elektromotor. Die Leistungsangabe ergibt sich aus diesen Werten und ist nicht der Ausgangspunkt. Senden Sie für die Bestellung bitte:

• Foto des Typenschilds der bisherigen Maschine (bei Gleichstrom inklusive Basisdrehzahl und Ankerwerten)
• Typische und niedrigste Schneckendrehzahl der Linie, verarbeitetes Material
• Vorgesehener Umrichter und Leitungslänge zwischen Umrichter und Elektromotor
• Verbindungsart: Riemen, Kupplung oder Flansch; Typenschilddaten des Getriebes

Passende Modelle und aktuelle Preise finden Sie in unserem Online-Shop. Senden Sie Typenschildfoto, Drehzahl und Montageangaben Ihrer vorhandenen Maschine über die Seite für die Typenschild-Anfrage und fordern Sie ein Angebot für das passende Modell an. Für ausführliche Fragen schreiben Sie uns über die Kontaktseite.

Häufig gestellte Fragen

Zählt bei der Auswahl des Extruderantriebs die Leistung oder das Drehmoment?

Das Drehmoment. Die Schnecke ist eine Last mit konstantem Drehmoment; das Nenndrehmoment der neuen Maschine darf weder das der alten noch den Bedarf der Linie unterschreiten.

Kann ein Gleichstrom-Extruderantrieb durch einen Asynchronmotor ersetzt werden?

Ja, mit passendem Drehmoment, Frequenzumrichter und Anpassung der mechanischen Anbindung. Bei langem Betrieb mit niedriger Drehzahl ist der Bedarf an einem Fremdlüfter bei der Bestellung anzugeben.

Darf ich die Frequenz über 50 Hz erhöhen, um die Schneckendrehzahl zu steigern?

Über 50 Hz sinkt das nutzbare Drehmoment. Bei der Extruderlast mit konstantem Drehmoment kann das zu Drehmomentmangel führen; ist eine höhere Schneckendrehzahl nötig, sollte das Riemenscheiben- oder Getriebeverhältnis geprüft werden.

Warum erwärmt sich der Extruderantrieb bei niedriger Drehzahl?

Arbeitet die Maschine mit vollem Drehmoment, läuft der Lüfter auf der Welle langsamer, und die Kühlung nimmt ab. Bei Linien, die lange mit niedriger Drehzahl laufen, behebt ein Fremdlüfter dieses Problem.