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Einhaltung der neuen Effizienznormen für Antriebssysteme

09.10.2015

Seit geraumer Zeit ist die Steigerung der Wirkungsgrade von Elektromotoren weltweit ein Anliegen und inzwischen existieren diverse Normen zur Unterstützung dieses Ziels.

Andererseits ist klar, dass es eines breiteren Blickwinkels bedarf, wenn der gesamte Antriebsstrang einer Wirkungsgradoptimierung unterzogen werden soll. Hierzu muss die Konstruktion sowohl die Effizienz der Startersysteme als auch den Wirkungsgrad der angetriebenen Komponenten einkalkulieren, was zur Einführung einer neuen Norm - EN 50598 - geführt hat.

Yasar Yüce, Product Manager bei Bauer Gear Motor, erläutert die Argumente für die neue Norm sowie die Konsequenzen für Hersteller und Endanwender:

Am 1. Januar 2015 traten in Europa mit der Verordnung 640/2009 die jüngsten Wirkungsgradvorschriften für Elektromotoren in Kraft. Demzufolge müssen in Neuinstallationen Motoren des Leistungsspektrums von 7.5 kW bis 375 kW entweder in IE3 eingestuft oder als IE2 mit einem Frequenzumrichter ausgestattet sein. Dieser Ansatz konzentriert sich allein auf die Wirkungsgradsteigerung bei einem bestimmten Produkt bzw. die hierdurch mögliche Verlustreduzierung.

Projektierer und Endanwender müssen nun entscheiden, welche Option in der Kombination die effizienteste Lösung für ihre Anwendung darstellt. IE3-Motoren haben eine eindeutige Wirkungsgradangabe bei Nenndrehzahl und 50 %, 75 % und 100 % Last. Anwendungen, die variable Drehzahlen verlangen und nicht unter konstanter Last laufen, lassen sich derzeit mit den bekannten Produktleistungsdaten nicht bewerten. Zum jetzigen Zeitpunkt ist es für Projektierer und Endanwender nicht möglich, die einzelnen konkurrierenden Komponenten für den Antrieb zu vergleichen, um am Ende die effizientesten Motor- und Umrichterkomponenten zu wählen.

Ähnlich sieht es aus, wenn der Motor in ein Produkt, beispielsweise einen Lüfter oder eine Pumpe integriert ist. Hier kann die Effizienz des Motors nicht unabhängig vom Produkt ermittelt werden. Mit dieser Problematik befasst sich eine neue Norm: EN 50598 beschreibt einen Energieeffizienzindex für Antriebssysteme (Power Drive Systems, PDS) und wird entwickelt, damit die potenziellen Energieeinsparungen in den o. g. Fällen realisiert werden können.

EN 50598-1 beschreibt die allgemeinen Anforderungen für die Erstellung von Normen zur Energieeffizienz von Ausrüstungen mit Elektroantrieb nach dem erweiterten Produktansatz (EPA) und semi-analytischen Modellen (SAM). Im Wesentlichen geht es hierbei um die Kombination der Effizienzklassen des Antriebssystems und der angetriebenen Komponenten (Pumpe, Getriebe, Verdichter usw.).

EN 50598-2 verlagert den Fokus von der Einzelkomponente auf die Effizienz des gesamten Antriebssystems. Die neuen Effizienzklassen (International Efficiency for Systems, IES) geben eine Struktur vor, die den Vergleich der Wirkungsgradverluste für ein gesamtes Antriebssystem (PDS) ermöglicht. Der mittlere Bereich ist IES1. Systemen mit Verlusten > 20 % gegenüber IES1 wird die Klasse IES0 zugewiesen. Effizientere Systeme mit Energieverlusten ab 20 % < IES1 werden als IES2 eingestuft.

EN 50598-3 liefert einen quantitativen Ökodesign-Ansatz mittels Ökobilanzierung einschließlich Produktkategorieregeln und dem Inhalt von Umweltdeklarationen.

Außerdem wird diese neue Norm den Endanwendern eine genaue Berechnung der Amortisierungszeiten erleichtern. Bislang wurde der Gesamtwirkungsgrad drehzahlgeregelter Elektromotoren mithilfe überschlägiger Energieverbrauchsdaten geschätzt. Mit den verifizierten Effizienzkurven kann jetzt die Amortisationsfrist für eine Motor/Antrieb-Kombination realistischer ermittelt werden.

Von Herstellern drehzahlgeregelter Antriebe wird in Zukunft die Angabe von Verlustdaten entsprechend den für das komplette Antriebsmodul (Complete Drive Module, CDM) definierten Teillastmesspunkten verlangt, während diejenigen, die Elektromotoren oder Getriebemotoren herstellen, nicht zur Angabe der Verlustdaten bei der vorgegebenen Teillast gezwungen werden sollen. Bauer wird allerdings transparent mit den Effizienzwerten seiner Produkte umgehen und die erforderlichen Daten sowohl in gedruckter Form als auch auf der Website veröffentlichen.

Hierin unterscheidet sich Bauer von vielen Herstellern kompletter Antriebssysteme, die mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit lediglich die IES-Einstufung ihrer Ausrüstungen angeben werden statt die Verlustdaten für die einzelnen Komponenten. Das kann den Kunden in eine Situation bringen, in der sein hocheffizientes Antriebsmodul an einen deutlich weniger effizienten Motor gekoppelt ist.

Bauer hilft seinen Kunden, Abhängigkeiten von Systemlösungsanbietern zu vermeiden. Bauer-Kunden werden für alle Komponenten Klarheit über die Verlustdaten gemäß EN 50598 haben und dadurch in der Lage sein, die Gesamtverluste zu ermitteln. Wie schon heute können sie mit Bauer ihre Systeme optimieren, um ihr Kernwissen zu schützen.

Bauer begann bereits 2010, unmittelbar nach der Ankündigung des Norm-Entwurfs, mit der Arbeit an der Einhaltung der neuen Vorschriften.

Daher ist Bauer Gear Motor in puncto Bauweise und Wirkungsgrad einen Schritt voraus, u. a. mit dem gesamten Programm bereits erhältlicher IE3-Motoren, einschließlich derer des Leistungsbereichs zwischen 0,75 kW und 7,5 kW, die bereits jetzt die ab Januar 2017 geltenden Vorschriften erfüllen. Sämtliche von Bauer gefertigten Elektromotoren erfüllen mindestens die Voraussetzungen für IES1-Konformität, und die erfahrenen technischen Experten des Unternehmens unterstützen Projektierer und Endanwender kompetent bei der Auswahl der richtigen Komponenten.

Darüber hinaus hat Bauer seine Motoren für den Umrichterbetrieb optimiert. Sowohl die Permanentmagnet- Synchronmotoren (PMSM) als auch die Asynchronmotoren (ASM) haben eine 70-Hz-Kurve, die diesen Produkten in Kombination mit dem als Referenz dienenden kompletten Antriebsmodul (Complete Drive Module, CDM) als Antriebssystem nach EN 50598-2 die Erreichung der Effizienzklasse IES2 ermöglicht.

Da Bauer die Technologie bereits liefern kann, trägt das Unternehmen zur Steigerung von Energieeffizienz bei und hilft dabei, Anlagen und Anwendungen zu optimieren. Um die Kunden über die jüngsten Normen aufzuklären und darüber, wie die Bauer-Produkte diese Normen einhalten, wird das Unternehmen die für seine IE2- und IE3-Motoren geltenden IES-Klassen gemäß EN 50598-2 veröffentlichen. Diese Informationen werden, neben genauen Angaben zu den umrichtergeeigneten Motoren, ab Frühjahr 2015 auf der Bauer-Website zu finden sein.

So können unsere Kunden sicherstellen, dass sie nicht nur die am besten geeigneten Komponenten für ihre konkrete Anwendung auswählen, sondern zugleich die Energieeinsparungen der Lösung maximieren. Unterstützt werden sie dabei durch ein erfahrenes Technikteam, das zum Einsatzbereich berät und bei der Produktauswahl hilft.

Von der höheren Energieeffizienz, die durch sorgfältige Produktauswahl zu erreichen ist, profitieren Endanwender und Maschinenbauer. In vielen Anwendungen kann anstelle eines Asynchronmotors ein kleinerer Permanentmagnet- Synchronmotor verwendet werden, was dann die Auswahl kompakterer Komponenten entlang der gesamten Energiekette ermöglicht.

So können Maschinenbauer nicht nur den Wirkungsgrad ihrer Ausrüstung steigern, sondern auch die Kosten vieler Komponenten reduzieren. Außerdem lassen sich mit den Bauer-Permanentmagnet-Synchronmotoren in Standardanwendungen unter Teillastbedingungen 30 % Energieeinsparungen im Vergleich zur Asynchron- Motortechnologie erreichen. Die Gesamteinsparung mehrerer Anwendungen reduziert für den Endanwender den Stromverbrauch der Produktion und somit die Betriebskosten des gesamten Standortes.

Optimierungen auf Seiten der Ausrüstungsanbieter kommen unmittelbar den Endanwendern zugute, insbesondere in solchen Branchen, in denen Elektromotoren im Dauerbetrieb laufen. Vor allem bei Anwendungen in der Schüttgutförderung, im Lebensmittel- und Getränkesektor, in der Metallverarbeitung und im Automobil- und Logistiksektor sucht man nach Möglichkeiten zur Reduzierung des Energieaufwandes. Auch für Anlagen zur Wasseraufbereitung und in der chemischen Industrie können jetzt im Rahmen der Kostensenkungsbemühungen die effizientesten Antriebssysteme identifiziert werden.

Für die Mehrzahl der Elektromotoren werden die Mindestwirkungsgrade strenger, es gibt aber auch eine Reihe von Ausnahmen: Bremsmotoren und Motoren, die für den Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen ausgelegt sind, bleiben von den Vorschriften ausgenommen. Aber auch hier hat Bauer mit der Entwicklung der PMSM der Reihe S Pionierarbeit geleistet. Diese umfasst drehzahlgeregelte Motoren der Effizienzklasse IE4, die für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen zugelassen sind.

Bauer begrüßt die neue Norm und ist davon überzeugt, dass sie dem Endanwender ein sehr viel akkurateres Bild von den potenziellen Energieeinsparungen kompletter Antriebssysteme vermitteln wird, indem sie den Elektromotor nicht isoliert betrachtet. Sie wird zudem die Lebenszykluskosten neuer Ausrüstungen besser fassbar machen, ebenso wie deren Einfluss auf die Betriebskosten der gesamten Einrichtung.


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