Reversible Motoren für Misch- und Rührwerke: Leistungsbedarf nach P = Ne mal rho mal n hoch 3 mal d hoch 5, Rücklaufsperre, Bremsrampe, Betriebsart S4/S5, ATEX
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Antriebsleistung berechnen: P = Ne × ρ × n³ × d⁵
Die Wellenleistung eines Rührwerks folgt der Beziehung P = Ne × ρ × n³ × d⁵. Die Newton-Zahl Ne bildet als dimensionslose Kennzahl alle Einflüsse der Rührwerkstechnik ab: Rührergeometrie und -anzahl, Art und Anzahl der Strombrecher sowie der Bodenabstand. Sie wird experimentell oder per CFD ermittelt. Die Produktdichte ρ, die Rührerdrehzahl n und der Rührerdurchmesser d gehen direkt in die Gleichung ein. Der Leistungseintrag wird dabei vom Rührorgan (Art und Größe) und der Drehzahl bestimmt, weshalb eine präzise Auslegung unmittelbar wirtschaftlich wirkt[1].
Ein Detail entscheidet über die korrekte Dimensionierung: Die Gleichung geht nur in SI-Einheiten auf, wenn die Drehzahl n in Umdrehungen pro Sekunde (1/s) eingesetzt wird, nicht in U/min, wie es in der Antriebstechnik sonst üblich ist. Wer einen typischen Motornennwert in U/min direkt einsetzt, überschätzt den Leistungsbedarf um den Faktor 60³ und erhält ein völlig überbemessenes Getriebe. Im turbulenten Bereich, in dem die meisten industriellen Mischprozesse laufen, wirkt die Produktdichte linear auf die Wellenleistung, während die Viskosität vernachlässigbar ist und nur im laminaren Bereich relevant wird. Drehzahl und vor allem Durchmesser fließen dagegen zur dritten bzw. fünften Potenz ein[1].
Scale-up bei Rührwerken: Warum doppelte Drehzahl weniger kostet als doppelter Durchmesser
Weil die Potenzexponenten so weit auseinanderliegen, wirkt eine Vergrößerung des Rührers weit stärker auf den Leistungsbedarf als eine gleich große Drehzahlerhöhung. Für die Auslegung heißt das: Prüfen Sie zuerst, ob sich das Prozessziel über eine höhere Drehzahl erreichen lässt, bevor Sie den Rührerdurchmesser vergrößern. Die Newton-Zahl hängt dabei von der Rührergeometrie ab, sodass sie für den veränderten Betriebspunkt erneut zu ermitteln ist[1].
| Änderung | Einflussgröße | Faktor auf den Leistungsbedarf |
|---|---|---|
| Verdopplung der Drehzahl | n³ | 8 (2³) |
| Verdopplung des Rührerdurchmessers | d⁵ | 32 (2⁵) |
Aus dieser Gewichtung folgt die Auslegungsreihenfolge für reversible Mischwerke: Erst den Prozessbedarf über die Newton-Zahl quantifizieren, dann Drehzahl und Durchmesser gegeneinander abwägen und erst danach Motor, Getriebe und Frequenzumrichter dimensionieren. Genau an dieser Schnittstelle entstehen in der Praxis die beiden Fehler, die in den folgenden Abschnitten behandelt werden: eine dem Reversierbetrieb entgegenstehende Rücklaufsperre im Getriebe und eine zu steil eingestellte Bremsrampe am Frequenzumrichter.
Reversierbetrieb und Rücklaufsperre: Warum sich beides ausschließt
Ein Getriebe mit eingebauter Rücklaufsperre, auch Freilauf genannt, ist für reversierende Mischwerke grundsätzlich ungeeignet. Rücklaufsperren sind drehrichtungsbetätigte, unidirektionale Kupplungen: Sie gestatten die Drehbewegung nur in einer Richtung und sperren sie in der anderen konstruktiv. Ein Antrieb, der planmäßig in beiden Richtungen laufen soll, wird an dieser Sperre schlicht gehindert, im ungünstigsten Fall beschädigt. Wer ein Mischwerk mit reversierendem Betrieb auslegt, muss die Rücklaufsperre daher von vornherein ausschließen und das Getriebe ohne diese Funktion bestellen.
Das Reversieren selbst wird elektrisch beherrscht, nicht mechanisch. Beim Abbremsen des Antriebs unter Last arbeitet der Motor als Generator und speist Energie in den Frequenzumrichter zurück. Diese Energie erhöht die Spannung im DC-Zwischenkreis. Überschreitet sie einen Grenzwert, meldet der Umrichter eine Störung oder schaltet sich zum Schutz selbst ab, sofern kein Bremschopper mit Bremswiderstand die Energie kontrolliert in Wärme umwandelt[2]. Ohne diese Maßnahme droht also genau dann eine Überspannungsabschaltung, wenn der Antrieb gerade das tun soll, wofür er ausgelegt ist: unter Last die Drehrichtung wechseln.
Reversieren unter Last: Bremswiderstand und Rampenzeit am Frequenzumrichter richtig einstellen
- Bremsrampe (Rampenzeit) ausreichend lang einstellen, damit die generatorisch anfallende Energie nicht schlagartig in den Zwischenkreis eingespeist wird.
- Bremschopper bzw. Bremswiderstand auf die tatsächliche Bremsleistung dimensionieren: Der zulässige Ohm-Wert liegt im vom Umrichterhersteller vorgegebenen Bereich, die thermische Leistung muss die bei jedem Reversiervorgang anfallende Energie über die Spieldauer abführen[3].
- Bei hoher Schaltspielzahl und großem Massenträgheitsmoment der Last die Auslegung mit dem Umrichterhersteller abstimmen, weil die Bremsenergie dann pro Zeiteinheit besonders hoch ausfällt.
Wir empfehlen, Rücklaufsperre und Reversierbetrieb bereits in der Angebotsphase explizit gegeneinander abzugrenzen. Wer als Konstrukteur die Anforderung „reversierend“ nicht klar an den Getriebehersteller kommuniziert, erhält im Zweifel ein Serienaggregat mit Freilauf und steht vor einer Nachrüstung, die teurer ist als die korrekte Erstauslegung.
Betriebsart S4/S5: Thermische Belastung durch häufiges Reversieren
Häufiges Reversieren belastet den Motor thermisch stärker als der S1-Dauerbetrieb, für den viele Standardmotoren auf dem Typenschild ausgelegt sind. Grund ist, dass bei jedem Anlauf und bei jedem Bremsvorgang wiederkehrende Anlauf- und Bremsströme durch die Wicklung fließen und deren Erwärmung treiben. Ein Motor, der für S1 bemessen ist, überschreitet bei dieser Betriebsweise seine zulässige Grenztemperatur, selbst wenn er nur die Nennleistung abgibt. Für den reversierenden Betrieb ist er daher nach DIN EN 60034-1 in einer anderen Betriebsart auszulegen.
- S4: Periodischer Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorgangs auf die Motorerwärmung. Die relative Einschaltdauer ergibt sich aus (Anlaufzeit plus Betriebszeit) geteilt durch die Spieldauer. Empfohlene Werte liegen bei 15, 25, 40 und 60 %. Zusätzlich sind die Schaltspiele pro Stunde sowie das Massenträgheitsmoment des Motors und das der Belastung anzugeben[4].
- S5: Periodischer Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorgangs und der elektrischen Bremsung auf die Motorerwärmung. Die relative Einschaltdauer erweitert sich um die Bremszeit: (Anlaufzeit plus Betriebszeit plus Bremszeit) geteilt durch die Spieldauer. Auch hier gelten die empfohlenen Werte 15, 25, 40 und 60 % sowie die Angabe der Schaltspiele pro Stunde und der Massenträgheitsmomente[4].
Für die Auslegung heißt das konkret: Wer als Konstrukteur die Schaltspiele pro Stunde und die Massenträgheitsmomente von Motor und Last nicht kennt oder nicht angibt, kann den Motor nicht korrekt als S4 oder S5 bemessen. Wir empfehlen, diese beiden Größen bereits in der Lastenheftphase zu erfassen, weil sie die thermische Bemessung unmittelbar bestimmen. Ein Motor, der nur als S1-Dauerbetrieb deklariert ist, aber im reversierenden Mischwerk läuft, wird thermisch überlastet und verliert an Lebensdauer, ohne dass ein akuter Fehler erkennbar wäre.
ATEX-Zonen und IP69K: Auslegung für explosionsgefährdete und Waschdown-Bereiche
Neben der thermischen Bemessung entscheiden die Umgebungsbedingungen darüber, ob ein reversierender Mischwerkmotor dauerhaft zuverlässig läuft. Zwei Randbedingungen sind in der Praxis besonders häufig anzutreffen: explosionsgefährdete Bereiche und Waschdown-Umgebungen mit Hochdruckreinigung. Beide sind bereits in der Auslegungsphase zu berücksichtigen, weil sie Motor, Getriebe und Anschlussausführung unmittelbar bestimmen.
Explosionsgefährdete Bereiche: Zoneneinteilung und Gerätekategorie
Die Zoneneinteilung explosionsgefährdeter Bereiche erfolgt auf Basis der Gefährdungsbeurteilung nach der Betriebssicherheitsverordnung, umgesetzt über die TRBS 2152. Sie ist die Umsetzung der ATEX-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG und liegt in der Verantwortung des Betreibers. Die Zonen reichen von Zone 0 (Gas, Dampf oder Nebel ständig vorhanden) über Zone 1 (gelegentlich im Normalbetrieb) bis Zone 2 (im Normalbetrieb nicht zu erwarten) und werden für Stäube analog als Zone 20, 21 und 22 geführt[5]. Die dort eingesetzten Motoren müssen die Gerätekategorie nach der ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU erfüllen: Kategorie 1 für Zone 0/20, Kategorie 2 für Zone 1/21 und Kategorie 3 für Zone 2/22[5].
Waschdown-Bereiche: Schutzart IP69K
Im Lebensmittelbereich ist zusätzlich häufig die Schutzart IP69K gefordert, weil Hygienepläne tägliche Hochdruckreinigung vorschreiben. Die Prüfung erfolgt nach ISO 20653 mit einem Wasserstrahl von 80 bis 100 bar bei 80 °C aus einer Düsenentfernung von 100 bis 150 mm, bei einem Durchfluss von 14 bis 16 Litern pro Minute und Sprühwinkeln von 0°, 30°, 60° und 90°[6]. IP69K bescheinigt dabei nur Beständigkeit gegen heiße Hochdruckstrahlen, nicht gegen Reinigungschemikalien oder Eintauchen, weshalb Materialverträglichkeit von Dichtungen und Gehäuse separat zu prüfen ist[6].
| Randbedingung | Relevante Regelung | Auswirkung auf die Antriebsauslegung |
|---|---|---|
| Explosionsgefährdeter Bereich | TRBS 2152, ATEX 1999/92/EG (Betrieb) und 2014/34/EU (Produkt) | Gerätekategorie 1, 2 oder 3 je nach Zone 0/20, 1/21 oder 2/22 |
| Waschdown-Bereich | ISO 20653, Schutzart IP69K | Gehäuse und Dichtungen gegen 80 bis 100 bar bei 80 °C aus 100 bis 150 mm Entfernung ausgelegt |
Wir empfehlen, Zoneneinteilung, Gerätekategorie und Schutzart bereits im Lastenheft festzulegen und nicht erst bei der Inbetriebnahme. Wer als Konstrukteur oder Systemplaner reversible Mischwerke auslegt, das heißt Motoren, Getriebe und Frequenzumrichter aus einer Hand aufeinander abstimmen muss, findet bei ATEK Drive Solutions integrierte Antriebssysteme aus Motoren und Controllern sowie passenden Getrieben, die sich auf genau solche Randbedingungen abstimmen lassen. Damit bleibt der Antriebsstrang über die gesamte Lebensdauer hinweg passgenau, projektfertig und verfügbar.
Häufig gestellte Fragen
Warum darf ein Getriebe mit Rücklaufsperre nicht reversierend betrieben werden?
Eine Rücklaufsperre ist ein Freilauf, also eine drehrichtungsbetätigte Kupplung, die eine Drehbewegung nur in einer Richtung gestattet. Bei einem reversierenden Mischwerk würde sie in der Gegenrichtung sperren und den Antriebsstrang blockieren oder beschädigen. Für Reversierbetrieb ist ein Getriebe ohne Rücklaufsperre zu wählen.
In welcher Einheit muss die Drehzahl in der Rührwerksleistungsgleichung eingesetzt werden?
Damit die Gleichung P = Ne mal rho mal n hoch 3 mal d hoch 5 in SI-Einheiten aufgeht, muss die Rührerdrehzahl n in Umdrehungen pro Sekunde eingesetzt werden, nicht in U/min wie in der Antriebstechnik sonst üblich. Wer U/min einsetzt, überschätzt den Leistungsbedarf um den Faktor 60 hoch 3 und erhält ein überbemessenes Getriebe.
Was passiert beim Reversieren unter Last, wenn der Frequenzumrichter keinen Bremswiderstand hat?
Beim Abbremsen und Reversieren unter Last wirkt der Motor generatorisch, die überschüssige Energie fließt über die Endstufe zurück in den Zwischenkreis des Frequenzumrichters. Ohne Bremschopper mit Bremswiderstand, der die Zwischenkreisspannung begrenzt, steigt die Spannung bis zur Überspannungsabschaltung und der Antrieb fällt aus.
Was bedeuten die Betriebsarten S4 und S5 für reversible Motoren?
Nach DIN EN 60034-1 bezeichnet S4 den periodischen Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorgangs auf die Motorerwärmung, S5 zusätzlich den Einfluss der elektrischen Bremsung. Bei häufigem Reversieren bestimmen wiederkehrende Anlauf- und Bremsströme die Wicklungserwärmung, daher ist der Motor als S4 oder S5 auszulegen, nicht als S1-Dauerbetrieb.
Warum kostet ein doppelt so großer Rührer so viel mehr Antriebsleistung als die doppelte Drehzahl?
In der Leistungsgleichung geht der Rührerdurchmesser mit der 5. Potenz ein, die Drehzahl nur mit der 3. Eine Verdopplung des Durchmessers erhöht den Leistungsbedarf daher um den Faktor 32, eine Verdopplung der Drehzahl nur um den Faktor 8. Für den Scale-up ist deshalb zuerst die Drehzahlerhöhung zu prüfen.
Welche Anforderungen gelten für Motoren in explosionsgefährdeten Bereichen von Mischwerken?
Die Zoneneinteilung erfolgt auf Basis der Gefährdungsbeurteilung nach Betriebssicherheitsverordnung (TRBS 2152, Umsetzung der Richtlinie 1999/92/EG). Die dort eingesetzten Motoren müssen die Gerätekategorie nach der ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU erfüllen, die einheitliche EU-Vorschriften für Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen festlegt.
Was bedeutet die Schutzart IP69K für Motoren in der Lebensmitteltechnik?
IP69K bezeichnet vollständige Staubdichtigkeit und Beständigkeit gegen Hochdruck- und Heißwasserreinigung. Geprüft wird nach ISO 20653 mit einem Wasserstrahl von 80 bis 100 bar bei 80 Grad Celsius aus einer Düsenentfernung von 100 bis 150 mm, unter anderem für den Einsatz in CIP- und SIP-Stationen der Lebensmittel- und Pharmaindustrie.
