Energieeffizienz mit elektrischen Antrieben - Fachverband Automation - ZVEI
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Energieeffizienz mit
elektrischen Antrieben
Fachverband Automation
Impressum Energieeffizienz mit elektrischen Antrieben Herausgeber: ZVEI - Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V. Fachverband Automation Fachbereich Elektrische Antriebe Lyoner Straße 9 60528 Frankfurt am Main Telefon: +49 69 6302-377 Fax: +49 69 6302-279 E-Mail: antriebe@zvei.org www.zvei.org Verantwortlich: Gunther Koschnick Bernhard Sattler Fachbereich Elektrische Antriebe Redaktion: Michael Burghardt, Sylvia Blankenhagen, Gregor Dietz, Fred Donabauer, Prof. Martin Doppelbauer, Lutz Schube, Thorben Steinmann, Eva-Maria Wagner, Claus Wieder, Yasar Yûce November 2017 Trotz größtmöglicher Sorgfalt übernimmt der ZVEI keine Haftung für den Inhalt. Alle Rechte, insbesondere die zur Speicherung, Vervielfältigung und Verbreitung sowie der Übersetzung, sind vorbehalten.
Inhaltsverzeichnis
1 Vorwort: Energieeffizienz hat oberste Priorität 4
2 Stromverbrauch in Industrie und Antriebstechnik 5
3 Energieeffizienz im Antriebssystem 6
4 IE-Code: weltweite Vereinheitlichung durch die Normung 14
5 Gesetzliche Vorgaben in Europa 21
6 Weltweite Vorschriften 23
7 Best-Practice-Anwendungen mit Einsparpotenzial 25
1 Vorwort: Energieeffizienz hat oberste Priorität
Der politische Wille, Energieeffizienz zu beschleunigen, ist spürbar und beim Blick auf die Lebenszykluskosten auch sinnvoll.
Mit dieser Broschüre sollen die Energieeinsparpotenziale elektrischer Antriebe und Antriebssysteme aufgezeigt werden.
Sie gibt einen Überblick, wie internationale Normen Transparenz für die Energieeffizienz schaffen und Grundlage für die
Gesetzgebung in der Antriebstechnik sind.
Das von der Europäischen Kommission (EK) Zur Zielerreichung 2030 setzt die Kommission
am 30. November 2016 veröffentlichte Paket verschiedene Instrumente ein. Vor allem die
„Clean Energy for All Europeans“ gibt den Ökodesign-Richtlinie – die Umweltwirkungen
Rahmen für die Zeit 2021 bis 2030 vor und von energieverbrauchsrelevanten Produkten
macht damit einen wichtigen Schritt, die Ener- unter Berücksichtigung des gesamten Lebens-
gieversorgungssicherheit, Nachhaltigkeit und wegs im Fokus hat – ist von großer Relevanz
Wettbewerbsfähigkeit langfristig zu stärken. für die elektrische Antriebstechnik, da sie
Die Kommission verfolgt mit ihren insgesamt gesetzliche Anforderungen festschreibt.
acht Gesetzesvorschlägen folgende drei Ziele:
• Energieeffizienz als oberste Priorität,
• Förderung von erneuerbaren Energien
• und ein faires Angebot für Verbraucher.
Um die hohe Priorität von Energieeffizienz
verbindlich zu gestalten, hat die Kommission
das Ziel von 30 Prozent Energieeinsparung bis
2030 vorgegeben (Basis 2005). Dies ist ein
wichtiges politisches Signal, um weitere Ener-
gieeffizienzmaßnahmen anzuregen. Die Revi-
sion der Energieeffizienzrichtlinie rückt die
Steigerung der Energieeffizienz noch stärker
als bisher in den Fokus und erfüllt damit eine
wichtige Voraussetzung für eine erfolgreiche
Energiewende. Sie hilft, die Energiekosten zu
senken sowie die Versorgungssicherheit zu
verbessern und löst erhebliche Investitionen
für die Wirtschaft aus. Zudem trägt sie wesent-
lich zum Klimaschutz bei.
4
2 Stromverbrauch in Industrie und Antriebstechnik
Im Jahr 2016 war die Industrie mit einem Anteil von 47 Prozent am Gesamtverbrauch der größte Stromverbraucher in
Deutschland (Abb. 1). Rund 250 TWh (250 Mrd. kWh) Strom hat die Industrie in diesem Jahr verbraucht. Davon entfielen
rund 70 Prozent oder 175 TWh auf den Energieverbrauch von elektromotorischen angetriebenen Systemen.1
In Deutschland besitzen elektrische Antriebs- • Bei Elektromotoren mit höherem Wir-
systeme ein bedeutendes Einsparpotenzial in kungsgrad lässt sich der Energiebedarf
Höhe von 33 TWh Strom. Rund fünf Milliarden signifikant senken. Ein IE3-Motor mit
Euro an Energiekosten ließen sich jährlich ein- 75 kW Leistung ist mit einem Wirkungs-
sparen durch den Einsatz der elektronischen grad von 95,7 Prozent beispielsweise
Drehzahlregelung mittels Drive Controller 1,7 Prozent effizienter als ein leistungs-
(26 TWh) und durch die Reduzierung der Ver- gleicher IE2-Motor (94,0 Prozent). Die
lustleistung bei Energiesparmotoren (7 TWh). höhere Effizienz ergibt bei 6.000 Betriebs-
stunden 30 Prozent weniger Verluste
Lebenszyklusbetrachtungen zeigen sowie Einsparungen von rund 1.276 Euro
Nutzen auf pro Jahr.
Die folgenden zwei Beispiele verdeutlichen
sehr gut den Nutzen, den Energiesparmo- • In einer Absauganlage wird ein Lüfter mit
toren und die elektronische Drehzahlregelung 7,5 kW Nennleistung eingesetzt. Wird der
durch Drive Controller den produzierenden Förderstrom nicht mechanisch gedrosselt,
Unternehmen bringen (Grundlage: Strompreis sondern über einen drehzahlgeregel-
15 ct/kWh). ten Drehstrommotor an die tatsächlich
benötigte Menge angepasst, lassen
sich bei 4.000 Betriebsstunden pro Jahr
Abb. 1: Stromverbrauch in Deutschland 1.260 Euro Stromkosten einsparen.
(2016: 525 Mrd. kWh)
Verkehr
2% Weitere Beispiele werden im Kapitel 7 Best-
Practice-Anwendungen mit Einsparpotenzial
Industrie dargestellt.
47 %
Der Einsatz neuer innovativer, energiespa-
Gewerbe, Handel, render Technik rechnet sich über den Lebens-
Dienstleistungen zyklus. In der Industrie wird allerdings noch
26 % ein großer Anteil Motoren verwendet, die die
Anforderungen an die heutigen Wirkungs-
gradklassen nicht erfüllen und vergleichs-
weise viel Energie verbrauchen. Ziel muss es
daher sein, diesen industriellen Bestand so
Haushalt
25 % rasch wie möglich zu modernisieren. Lebens-
zyklusbetrachtungen, Förderprogramme und
gesetzliche Regelung sind Instrumente, die
Quelle: BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft diesen Prozess beschleunigen.
1
Bauernhansel, Mandel, Wahren, Kasprowicz, & Miehe, Energieeffizienz in Deutschland, Mai 2013
5
3 Energieeffizienz im Antriebssystem
Neben den Einsparpotenzialen, die durch die Auslegung der elektrischen Antriebssysteme gehoben werden können, liegt das
größte Energieeinsparpotenzial in der Optimierung der angetriebenen Maschine (z. B. Pumpe, Lüfter, Kompressor): in der mecha-
nischen Systemoptimierung (Abb. 2). Im Nachfolgenden wird nur der Bereich der elektrischen Antriebstechnik näher betrachtet.
Abb. 2: Einsparpotenziale bei elektronisch angetriebenen Systemen
Einsparpotenzial bei Einsparpotenzial
elektromotorisch angetriebenen in %
Systemen
1. Vermehrter Einsatz von Energiesparmotoren 10 %
2. Elektronische Drehzahlregelung 30 %
3. Mechanische Systemoptimierung 60 %
Summe 100 %
Quelle: Save-Berichte der EU
Der komplette Antriebsstrang im Fokus Einige Anwendungen mit fester Drehzahl
Elektrische Antriebssysteme bestehen im We- benötigen keinen Drive Controller, sondern
sentlichen aus folgenden Komponenten: lediglich einen Schütz zum Ein- und Ausschal-
• einem Gerät zur Ansteuerung der Motoren ten des Motors oder einen Sanftstarter für
aus dem elektrischen Netz, üblicherweise den sanften Motoranlauf. In anderen Anwen-
einem Schütz, Sanftstarter oder Frequenz- dungen, beispielsweise Pumpen, kann mit der
umrichter (Drive Controller); hohen Drehzahl des Elektromotors gearbeitet
• einem Elektromotor, der elektrische in werden, sodass das Getriebe entfällt.
mechanische Leistung umwandelt;
• einem Getriebe, das die mechanische
Leistung des Motors an den Arbeits-
punkt der Arbeitsmaschine anpasst
(siehe auch Abb. 3).
Abb. 3: Schematischer Aufbau eines Antriebsstrangs
Quelle: ZVEI
6Drive Controller (Frequenzumrichter) Die zentrale Aufgabe eines Drive Controllers
Zur Regelung eines Drehstrommotors müssen ist es, die Motordrehzahl zu regeln, sodass
Frequenz und Spannungshöhe am Motor mit- quasi von einem variablen elektronischen
tels eines Drive Controllers verändert werden. Getriebe gesprochen werden kann. Je nach
Prozessbedarf kann die Motordrehzahl redu-
Drive Controller werden für alle Leistungen – ziert und damit genau so viel Energie aus dem
von wenigen Watt bis zu vielen Megawatt – Netz aufgenommen werden, wie gerade benö-
angeboten. Sie sind in ihren Eigenschaften tigt wird.
(Antriebsverhalten, Verlustleistung, Größe) in
den letzten Jahrzehnten durch Fortschritte in Diese Art der Prozessregelung birgt dadurch
der Mikro- und Leistungselektronik kontinu- ein enormes Energieeinsparpotenzial und ist
ierlich verbessert worden. Der Wirkungsgrad deutlich effizienter als beispielsweise eine
von modernen Drive Controllern liegt typi- Drosselregelung in einer Pumpenanwendung
scherweise zwischen 96 und 98 Prozent (je (Abb. 4).
nach Leistung) und wird unter anderem durch
die verwendeten Halbleiter und die Takt-
frequenz zu deren Ansteuerung bestimmt.
Abb. 4: Energiebedarf bei einer Pumpenanlage:
Vergleich Drossel- und Drehzahlregelung
Mengenregelung über Drossel Mengenregelung über Drehzahl
Einspeiseleistung 281 % Einspeiseleistung 158 %
281 % 158 %
M Verluste im Motor Verluste im Drive Controller
265 % 152 %
Verluste in der Pumpe
M Verluste im Motor
160 % 142 %
Verluste im Drosselventil Verluste in der Pumpe
100 % 100 %
Nutzleistung Nutzleistung
Die Nutzleistung beträgt jeweils 100 % an der Pumpe. Im Falle der Drosselregelung muss
das 2,81-Fache der Nutzleistung eingespeist werden. Bei der elektronischen Drehzahl-
regelung hingegen ist es nur das 1,58-Fache. Die Verluste werden auf 1/3 reduziert.
Quelle: ZVEI
7Energieeinsparpotenziale beim Zwischenkreiskopplung
Bremsbetrieb Wird nicht nur ein Antrieb, sondern eine Viel-
Beim Betrieb mit einem Drive Controller ent- zahl von Antrieben nebeneinander eingesetzt,
steht in einem Motor bei Bremsvorgängen so kann die Verbindung der Zwischenkreise
generatorische Energie. Je nach Anwendung der Drive Controller eine sinnvolle und prak-
und Auftreten dieser generatorischen Energie tische Nutzung der Rückspeiseenergie dar-
kommt eines oder kommen mehrere der vier stellen. Anstatt Energie aus dem Netz aufzu-
folgenden Prinzipien zum Einsatz: nehmen, findet in diesem Fall ein effizienter
• Bremswiderstand und direkter Energieausgleich zwischen den
• Zwischenkreiskopplung Antrieben in einem Verbund statt (Abb. 6).
• Rückspeisung Voraussetzung ist, dass die rückgeführte Ener-
• Energiespeicher gie eines Antriebs unmittelbar in einem ande-
ren Antrieb wiederverwendet werden kann.
Bremswiderstand
Lange Jahre war es gängige Praxis, genera- Dieses Grundprinzip ist sehr effektiv und
torische Energie mittels Bremswiderstände in könnte auf größere Bereiche ausgeweitet wer-
Wärme umzuwandeln. Die Weiterleitung der den. Aus diesem Grund gibt es aktuell das
Energie an den Bremswiderstand erfolgt mit Forschungsprojekt „DC-INDUSTRIE – Intelli-
einem im Drive Controller an- oder eingebau- gentes offenes DC-Netz in der Industrie für
ten Brems-Chopper. Die Umsetzung dieser hocheffiziente Systemlösungen mit elektri-
Energie in Wärme stellt dabei einen nachteili- schen Antrieben“. Ziel ist die Sicherung einer
gen Beitrag zur Energiebilanz dar, ist aber oft effizienten und robusten Energieversorgung
bei einem geringen oder sporadischen Auf- von Maschinen und Anlagen durch Gleich-
kommen von Rückspeiseenergie die einzige spannungsnetze in Fabriken.
ökonomische Lösung (Abb. 5).
Abb. 5: Blockschaltbild Drive Controller mit Brems-Chopper
Netz Gleichrichter Zwischenkreis Wechselrichter Motor
=
~
3~
~
=
Brems-Chopper
Bremswiderstand
Quelle: ZVEI
8Abb. 6: Energieausgleich zwischen mehreren Antrieben
Energie-
ausgleich DC-Zwischenkreis
= = = = =
~ ~ ~ ~ ~
Netz
Motor- Generator-
betrieb betrieb
Quelle: ZVEI
Rückspeisung
Mit einem Drive Controller kann die generato- Jede Umwandlung von Energie ist verlust-
rische Energie aus der Anlage zurück ins Netz behaftet. Daher muss im Einzelfall – abhän-
gespeist werden. Hierbei wird das Funktions- gig von den Bremszyklen – geprüft werden,
prinzip der Netzeinspeisung in den Zwischen- ob eine Netzrückspeisung in der jeweiligen
kreis umgekehrt, indem die gleichgerichtete Anlage sinnvoll ist.
Zwischenkreisspannung in eine sinusförmige
Netzspannung konvertiert wird. Je nach Netz- Energiespeichersystem
eigenschaften können block- oder sinusför- Aufbauend auf dem Prinzip der Zwischen-
mige Rückspeisegeräte verwendet werden. kreiskopplung löst der Energiespeicher den
Sowohl separate Geräte als auch Kombinati- zeitlichen Konflikt auf, dass die rückgeführte
onen aus Netzgleichrichter und Rückspeisung Energie unmittelbar in einem anderen Antrieb
sind am Markt verfügbar (Abb. 7). wiederverwendet werden muss. Er stellt die
Abb. 7: Blockschaltbild Drive Controller mit Rückspeisung
(Zwei-Geräte-Lösung)
Netz Gleichrichter Zwischenkreis Wechselrichter Motor
=
~
3~
~
=
~
=
Wechselrichter
Quelle: ZVEI
9Abb. 8: Blockschaltbild Drive Controller mit Energiekoppler und -speicher
Netz Gleichrichter Zwischenkreis Wechselrichter Motor
=
~
3~
~
=
= Energiekoppler
Energie-
=
speicher-
system
Energiespeicher
Quelle: ZVEI
Energie wieder bereit, wenn sie benötigt Sanftstarter arbeiten nahezu verlustfrei, da sie
wird. Der Energiespeicher ermöglicht die nach dem Anfahren des Motors wie ein Schütz
intelligente Kombination der rückgespeisten den Motor direkt an das Netz schalten. Für
Energie mit der aufgenommenen Energie Anwendungen mit stets voll belasteten und
und reduziert gleichzeitig die hohe kurzzei- optimal ausgelegten Motoren ist diese Konfi-
tige Energieaufnahme aus dem Netz (Abb. guration die energetisch bessere. Mit Blick auf
8). Hoher dynamischer Energiebedarf des Anwendungen, bei denen sich prozessbedingt
Antriebs wird aus dem Speicher bereitgestellt, Energie durch die Anpassung der Drehzahl
sodass alle netzseitigen Installationen einfa- einsparen lässt, sind Drive Controller einem
cher und preiswerter werden. Zudem werden Sanftstarter vorzuziehen, da sich bei Sanft-
hohe Bereitstellungskosten für den Bezug von startern die Motordrehzahl nicht regeln lässt.
Spitzenleistungen vermieden. Diese monetäre Das mit der Drehzahlregelung verbundene
Ersparnis im Betrieb der Anlage wird wirt- Energieeinsparpotenzial können diese Geräte
schaftlich gegen den Investitionsbedarf des also nicht heben.
Speichers betrachtet und kann ökonomisch
und ökologisch eine gute Lösung darstellen. Motoren
Elektromotoren setzen elektrische Energie
Sanftstarter hauptsächlich in mechanische Energie um,
Die Ansteuerung eines Drehstrommotors mit und zwar in Drehzahl und Drehmoment.
einem Sanftstarter kann abhängig von der Aufgrund ihres Wirkungsprinzips haben
Anwendung verschiedene Effekte haben: För- Elektromotoren einen relativ hohen Wirkungs-
deranlagen fahren ruckfrei an, Druckstöße grad. Ein typischer Wert für einen 1,1-kW-
in Pumpenanlagen werden vermieden oder Drehstromasynchronmotor liegt bei etwa
Anlaufströme bei großen Schwungmassen 82 Prozent; 100-kW-Motoren haben Wirkungs-
reduziert. Dabei wird während einer einstell- grade bis 95 Prozent.
baren Hochlaufzeit die an den Motor abge-
gebene Spannung im Sanftstarter mittels
Phasenanschnittsteuerung reduziert und der
Anlaufvorgang so gezielt beeinflusst.
10Motorverluste entstehen durch verschiedene higkeits-, Geräusch- oder Wirkungsgradanfor-
physikalische Effekte. Je nach eingesetz- derungen.
ter Technologie und Baugröße können diese
unterschiedlich hoch sein. Die wichtigsten Der Wirkungsgrad von Getrieben wird beein-
Verlustfaktoren sind: flusst von der Reibung in der Abdichtung zwi-
• elektrischer Stromfluss in den Wicklungen schen Gehäuse und Wellen sowie von den Ver-
mit ihren elektrischen Widerständen; lusten innerhalb des Getriebes (Verzahnung,
• Ummagnetisierungsvorgänge und Lagerreibung, Planschverluste, Zusatzver-
Wirbelströme; luste). Häufig verwendete Getriebearten sind
• mechanische Reibungsverluste und Stirnrad-, Kegelrad- und Schneckengetriebe.
Parasitäreffekte. Abb. 9a zeigt die maximale sinnvolle Über-
setzung je Getriebestufe und den klassischen
Je nach Betriebszustand des Motors (Dreh- Zahlenwert des Wirkungsgrads je Stufe.
zahl- und Drehmomentauslastung) wirken
sich diese Effekte unterschiedlich auf die Ver- Mit zweistufigen Stirnradgetrieben lassen sich
luste des Motors aus. Während beispielsweise Übersetzungen im Bereich von 5 bis 60 abde-
die abgegebene Leistung proportional mit cken. Der Wirkungsgrad dieser Getriebe ist
sinkender Drehmomentbelastung abnimmt, unabhängig von der Übersetzung gleich und
reduzieren sich die Verluste des Motors nicht liegt bei 96 bis 98 Prozent. Durch Vorschal-
proportional. Der Motor wird mit sinkender ten einer dritten Stirnradstufe können Über-
Auslastung also ineffizienter. Für einen ener- setzungen bis circa 250 realisiert werden; der
gieeffizienten Betrieb sollte ein Motor daher Wirkungsgrad sinkt dann auf etwa 94 Prozent.
immer gut ausgenutzt sein und Überdimensi-
onierungen sollten vermieden werden. Kegelrad- oder Schneckengetriebe werden
dort eingesetzt, wo die Abtriebswelle recht-
Getriebe und Getriebemotoren winklig zur Motorachse ausgeführt werden
Die nominelle Drehzahl von Drehstromasyn- soll.
chronmotoren liegt bei direktem Netzbetrieb
je nach Polpaarzahl und Netzfrequenz zwi- Kegelradgetriebe werden oft mit vor- oder
schen circa 750 U/min (8-polig und 50 Hz) und nachgeschalteten Stirnradstufen versehen,
3.600 U/min (2-polig und 60 Hz). Für viele um höhere Übersetzungen zu realisieren.
Antriebsaufgaben wird jedoch eine wesentlich Diese haben dann Wirkungsgrade von etwa
geringere Drehzahl bei gleichzeitig größerem 94 Prozent. Schneckengetriebe können in
Drehmoment benötigt. Die häufig genutzten einer Stufe hohe Übersetzungen aufweisen,
Drehzahlen liegen typischerweise zwischen 15 wodurch meistens eine oder zwei weitere
und 300 U/min. Um die mechanische Leistung Getriebestufe(n) entfallen können. Zur Errei-
(Drehzahl x Drehmoment) des Motors an den chung hoher Wirkungsgrade bei hohen Über-
Arbeitspunkt der Arbeitsmaschine anzupas- setzungen werden auch hier vor- oder nachge-
sen, kommt in diesen Fällen ein Getriebe zum schaltete Stirnradstufen verwendet. Applikativ
Einsatz. interessant sind Schneckengetriebe aufgrund
ihres geräuscharmen Laufs sowie der Möglich-
Man unterscheidet generell Getriebe mit keit, sie für bestimmte Sicherheitsfunktionen
koaxialen und parallelen Achsen sowie selbsthemmend auszuführen.
Getriebe mit sich kreuzenden Achsen. Die
Auswahl der passenden Getriebetypen erfolgt Grundsätzlich muss bei der Auswahl der
je nach konstruktiv bedingter Einbausituation geeigneten Getriebeart immer der Bedarf der
oder aber nach Gesichtspunkten wie Tragfä- speziellen Anwendung berücksichtigt werden.
11Abb. 9a: Getriebearten im Vergleich (je Stufe)
Getriebeart Stirnrad Kegelrad Schnecke
Max. Übersetzung ca. 7 ca. 5 ca. 100
Wirkungsgrad ca. 98 % ca. 98 % ca. 50 % ... ca. 90 %
Quelle: ZVEI
Abb. 9b: Übertragungsarten im Vergleich
Übertragungsart Flachriemen Keilriemen Zahnriemen Kette
Max. Übersetzung 5 8 8 6
Wirkungsgrad 96 % ... 98 % 92 % ... 94 % 96 % ... 98 % 96 % ... 98 %
Quelle: ZVEI
Die Kraftübertragung von der Motor- bzw. mindert sich teilweise erheblich, wenn eine
Getriebewelle auf die Arbeitswelle erfolgt Komponente nur sehr gering ausgelastet ist,
idealerweise mittels einer starren Kupplung. zum Beispiel wenn die ausgelegte Prozess-
In diesem Fall treten praktisch keine weiteren leistung nur in Spitzenzeiten abgerufen wird.
Verluste auf. Oft kommen aber auch Riemen Die nominellen Wirkungsgrade auf dem
oder Ketten zum Einsatz, mit denen zusätzlich Typenschild können in diesem Fall täuschen
eine weitere Übersetzung der Drehzahl reali- und sollten lediglich zur ersten Orientierung
siert werden kann. Keilriemen sollten wegen dienen.
des etwas geringeren Wirkungsgrads zuguns-
ten von Flach- oder Zahnriemen bzw. Ketten Eine vermeintlich effizientere Komponente
vermieden werden. Bei Ketten ist besonders hat nicht zwangsläufig eine geringere Ener-
auf eine gute Schmierung zu achten. Abb. gieaufnahme des Antriebssystems zur Folge.
9b zeigt die maximale sinnvolle Übersetzung Ein Asynchronmotor der Effizienzklasse IE3
und den typischen Wirkungsgrad der Übertra- hat neben dem besseren Wirkungsgrad oft
gungsarten. ein höheres Trägheitsmoment als ein IE2-
Asynchronmotor. Besteht ein Prozess größ-
Optimale Auslegung energieeffizienter tenteils aus Beschleunigungs- und Verzöge-
Antriebssysteme rungsvorgängen, so wird durch die größere
Für die Auslegung energieeffizienter Antriebe Trägheit mehr Energie benötigt als mit einem
muss der Prozessbedarf mit Lastspielen mög- trägheitsarmen Motor. Das Problem lässt sich
lichst exakt ermittelt werden. Überdimensio- durch den Einsatz vom umrichterbetriebenen
nierungen, Sicherheits- oder Angstfaktoren Synchronmotoren lösen, wobei die Wirkungs-
sind zu vermeiden, denn alle Antriebskompo- gradklassen IE4 oder sogar IE5 erreicht wer-
nenten sind am effizientesten, wenn sie gut den können.
ausgenutzt werden. Der Wirkungsgrad ver-
12Die Komponenten des Antriebssystems kön- und gegenseitige Einflüsse der Komponen-
nen sich darüber hinaus gegenseitig beein- ten berücksichtigt und ein Energieeffizienz-
flussen. Der Teillastwirkungsgrad von Motoren vergleich verschiedener Antriebskonzepte
lässt sich beispielsweise durch eine intelli- ermöglicht.
gente Drive-Controller-Regelung (Magneti-
sierungsanpassung) optimieren. Eine Einzel- Digitalisierung hilft beim
betrachtung der beiden Komponenten Motor Energiesparen
und Drive Controller deckt dieses Potenzial Die Digitalisierung bietet heute schon viele
nicht auf. Werkzeuge, um Bestandsanlagen energieef-
fizienter zu betreiben. Beispielsweise können
Insgesamt zeigen diese Beispiele: Mit einer mittels der Istwert-Signale im Drive Controller
Systembetrachtung lassen sich die vorhan- oder einfach nachrüstbarer, kostengünstiger
denen Energieeinsparpotenziale besser aus- Sensorik Wartungs- und Energieverbrauchsin-
schöpfen als mit einer Komponentenoptimie- dikatoren ermittelt werden. Diese Merkmale
rung. Aufgrund der Komplexität einer solchen helfen dabei, Energieverbräuche anzuzeigen
Gesamtbetrachtung ist eine manuelle Berech- und unnötig hohe Lasten zu identifizieren.
nung sehr aufwendig oder fast unmöglich. Die gesammelten Informationen lassen sich
Viele Hersteller von Antriebstechnik bieten beispielsweise über eine Cloud auswerten und
aus diesem Grund unterstützende Enginee- zur Dokumentation von Energieeinsparungs-
ring-Software, die dem Anwender hilft, den potenzialen heranziehen. So entsteht eine
Prozessbedarf zu ermitteln und die Energie- belastbare Entscheidungsgrundlage für Anla-
effizienz eines kompletten Antriebssystems generneuerungen oder Neuinstallationen, die
zu berechnen (Abb. 10). Je nach Umfang der Berechnungen von Amortisationszeiten und
Software werden dabei Teillastwirkungsgrade Optimierungen umfasst.
Abb. 10: Engineering-Software als Unterstützung bei der
Dimensionierung und Optimierung Fazit
Die einzelnen Komponenten des Antriebs-
strangs von elektrischen Antriebssystemen
weisen unterschiedliche Energieeinsparpo-
3,00
tenziale auf. Ein besonders hohes Potenzial
2,50 125 % hat in vielen Anwendungen die Drehzahlre-
2,00
100 % gelung von Elektromotoren durch Drive Con-
Losses(kW)
1,50 75 % troller. Aber auch die Motoren selbst und das
1,00
50 %
25 %
Getriebe bieten Einsparmöglichkeiten durch
hohe Wirkungsgrade. Eine Systemoptimie-
0,50
rung hilft, die vorhandenen Sparpotenziale
0,00
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 maximal auszuschöpfen.
Speed(rpm)
Quelle: ZVEI
134 IE-Code: weltweite Vereinheitlichung durch die Normung
Normen sind die verlässliche Grundlage für weltweites, wirtschaftliches Handeln. Sie sind ein Garant für erfolgreiche und ver-
lässliche Produktentwicklung. Häufig sind sie auch Grundlage für die Erfüllung von gesetzlichen Verordnungen und Richtlinien.
Eine Erfolgsstory für die Normung ist die Ein- Die Verfahren zur Bestimmung der IE- und
führung der Wirkungsgradklassen für Moto- IES-Klassen sind, physikalisch bedingt, unter-
ren, des sogenannten IE-Codes (Internatio- schiedlich. Bei Motoren, die direkt am Netz
nal Efficiency). Dieser Code hat sich weltweit betrieben werden können, wird nach entspre-
durchgesetzt und ist heute für jeden typischen chenden Messnormen der Wirkungsgrad im
Industriemotor anwendbar. Darüber hinaus Bemessungspunkt ermittelt. Bei Motoren, die
wurde eine durchgehende Normung für die rein für Umrichterbetrieb ausgelegt sind, wird
Bewertung der Energieeffizienz von den Kom- der Wirkungsgrad im Bezugspunkt 90 Prozent
ponenten bis zum gesamten Antriebssystem Drehzahl / 100 Prozent Drehmoment ermittelt.
entwickelt. Dann wird der so ermittelte Wirkungsgrad
jeweils mit den Grenzwerten der jeweiligen
Dazu wurde zunächst der IE-Code auf andere IE-Klassen verglichen.
Antriebskomponenten und andere Motorenar-
ten ausgeweitet. Zusätzlich wurden die Ver- Beim Drive Controller werden die Verluste
luste im gesamten Antriebssystem normativ im Bezugspunkt 90 Prozent relative Stator-
betrachtet und das System mit einem IES-Code frequenz / 100 Prozent relativer drehmoment-
(International-Efficiency-System) klassifiziert. bildender Strom ermittelt. Diese werden mit
den Verlusten eines Referenzumrichters ver-
Die IE-Codes gelten für die Komponenten glichen und führen zur IE-Klasse.
(Motor bzw. Drive Controller) und der IES-
Code für das komplette Antriebssystem Die IES-Klasse wird über die Verluste der bei-
(Motor und Drive Controller)! den Komponenten Motor und Drive Controller
im Bezugspunkt ermittelt, die Verluste werden
Die verschiedenen Normen ergänzen sich addiert und das Ergebnis mit einem Referenz-
gegenseitig zu einem vollständigen Ansatz system verglichen.
der Energieeffizienz-Klassifizierung von Kom-
ponenten und dem gesamten Antriebssystem.
Tab. 1 Übersicht der Antriebsnormen für Energieeffizienz
Antriebssystem (Motor und Drive Controller)
Norm EN 50598-2 / IEC 61800-9-2
Verlustbetrachtung der Antriebskomponenten zur Systembewertung
IES-Klasse (Vergleich Verluste mit Referenzsystem)
Komponente Komponente Komponente
Motor Motor Drive Controller
(geeignet für direkten Netzbetrieb) (nicht geeignet für direkten Netzbetrieb) (Frequenzumrichter)
IEC 60034-30-1 IEC TS 60034-30-2 EN 50598-2
Messnorm IEC 60034-2-1 Messnorm IEC 60034-2-3 Messnorm EN 50598-2
IE-Klasse IE-Klasse IE-Klasse
Wirkungsgrad im Nennpunkt Wirkungsgrad bei 90 % Drehzahl und Verluste bei 90 % relativer Frequenz
vollem Lastmoment und 100 % drehmoment-
bildenden Stroms
14In der Praxis ergänzen sich die IE-/IES-Codes Effizienzklassen
sinnvoll und ermöglichen eine einfache Ein- In der IEC 60034-30-1 werden für die
ordnung in Energieeffizienzklassen, die als Asynchronmotoren folgende Effizienzklassen
Orientierung dient. Allerdings kann eine reine (IE = International Efficiency) festgelegt:
Klassenbetrachtung nie die optimale Ausle-
gung des Antriebssystems ersetzen. Erst die IE1 Standard Efficiency
Betrachtung des realen Lastprofils und die IE2 High Efficiency
Auswahl der dafür besten Komponenten erge- IE3 Premium Efficiency
ben die günstigste Gesamtbilanz. IE4 Super Premium Efficiency
Komponente Ausnahmen
Motor • Motoren mit 10 oder mehr Polen sowie
(geeignet für direkten Netzbetrieb) Motoren, die für mehrere Drehzahlen aus-
gelegt sind (polumschaltbare Wicklung)
IEC-Norm Wirkungsgradklassen • Motoren mit mechanischen Kommutatoren
Netzmotoren (IEC 60034-30-1) (wie Gleichstrommotoren)
Im März 2014 wurde die Norm IEC 60034- • Motoren, die vollständig in eine Maschine
30-1 veröffentlicht. Sie ersetzt die Norm IEC integriert sind (z. B. Pumpen, Lüfter und
60034-30:2008, die bisher drei Wirkungs- Kompressoren) und praktisch nicht eigen-
gradklassen für 3-Phasen-Asynchronmotoren ständig geprüft werden können, selbst wenn
festlegte. Die aktualisierte Norm IEC 60034- vorübergehend auf der Antriebsseite Lager
30-1 wurde erweitert um die Wirkungsgrad- und Lagerschilde verwendet werden
klasse IE4. Darüber hinaus werden jetzt • Motoren mit integrierten Frequenzumrich-
8-polige Motoren und ein erweiterter Leis- tern, wenn der Motor nicht getrennt vom
tungsbereich in der Norm berücksichtigt. Umrichter geprüft werden kann
• Bremsmotoren, wenn die Bremse integraler
Geltungsbereich Bestandteil der inneren Motorkonstruktion
Die Norm IEC 60034-30-1 definiert Wirkungs- ist und weder entfernt noch während der
grade bzw. Effizienzklassen bei 50 und 60 Hz Prüfung des Motorwirkungsgrads separat
für 1- bzw. 3-phasige Netzmotoren (unabhän- gespeist werden kann
gig von der Technologie). Dort sind sowohl der • Unterwassermotoren, die speziell dafür aus-
Geltungsbereich der Norm als auch die Aus- gelegt sind, dass sie komplett in Flüssigkei-
nahmen definiert. ten eingetaucht betrieben werden können
• Brandgasmotoren mit einer Temperatur-
Die überarbeitete Norm umfasst die in der klasse über 400 °C
Tabelle stehende Netzmotoren.
Leistungsbereich 0,12–1.000 kW
Bemessungsspannung 50 V bis 1.000 V, 50 und 60 Hz
Polanzahl 2, 4, 6, 8
Betriebsart S1 (Dauerbetrieb mit konstanter Belastung) sowie teilweise Moto-
ren, die auf andere Betriebsarten ausgelegt sind, aber dennoch bei
Bemessungsleistung im Dauerbetrieb betrieben werden können
Umgebungs- –20 °C bis +60 °C
temperaturbereich
Aufstellhöhe Bis 4.000 m über Meeresspiegel
15• Unterwassermotoren, die speziell dafür aus-
Komponente
gelegt sind, dass sie komplett in Flüssigkei-
Motor
(nicht geeignet für direkten Netzbetrieb) ten eingetaucht betrieben werden können
• Brandgasmotoren mit einer Temperatur-
klasse über 400 °C
IEC-Norm Wirkungsgradklassen • Servo-Motoren
Umrichtermotoren (IEC TS 60034-30-2) • Motoren, die für Netzbetrieb ausgelegt sind
Im Dezember 2016 wurde die Technische (IEC 60034-30-1)
Spezifikation IEC TS 60034-30-2 veröffent-
licht. Diese Vornorm enthält Wirkungsgrad- Effizienzklassen
klassen für Motoren, die ausschließlich am In der IEC TS 60034-30-2 werden für Umrich-
Drive Controller (Frequenzumrichter) betrie- termotoren die Effizienzklassen IE1 bis IE5
ben werden können (z. B. fast alle permanent- festgelegt. Die Wirkungsgradklassen IE4 und
magneterregte Synchronmotoren). Motoren, insbesondere IE5 sind so angelegt, dass sie nur
die sowohl für direkten Netzbetrieb als auch mit Motoren neuer Technologien erreicht wer-
für Umrichterbetrieb bemessen sind (z. B. den können. Hierzu zählen beispielsweise Syn-
fastalle Asynchronmotoren), fallen unter chronmotoren mit Permanentmagneten und
IEC 60034-30-1. Synchron-Reluktanzmotoren, wie sie bereits
heute von einigen Herstellern angeboten
Geltungsbereich werden.
Die technische Spezifikation IEC TS 60034-
30-2 umfasst folgende Motoren:
Leistungsbereich 0,12–1.000 kW
Bemessungsspannung 50 V bis 1.000 V
Polanzahl 600/min bis 6.000/min
Betriebsart S1 (Dauerbetrieb mit konstanter Belastung) sowie teilweise Moto-
ren, die auf andere Betriebsarten ausgelegt sind, aber dennoch bei
Bemessungsleistung im Dauerbetrieb betrieben werden können
Umgebungs- –20 °C bis +60 °C
temperaturbereich
Aufstellhöhe Bis 4.000 m über Meeresspiegel
Ausnahmen Der Vorteil dieser Motoren besteht darin, dass
• Motoren mit mechanischen Kommutatoren die höchsten Wirkungsgradklassen in den
(wie Gleichstrommotoren) bekannten Standardabmessungen erreicht
• Motoren, die vollständig in eine Maschine werden können. Anders als bei vielen Asyn-
integriert sind (z. B. Pumpen, Lüfter und chronmotoren der Wirkungsgradklasse IE3
Kompressoren) und praktisch nicht eigen- sind also die Abmessungen und das Gewicht
ständig geprüft werden können, selbst wenn der IE4- und insbesondere IE5-Antriebe mit
vorübergehend auf der Antriebsseite Lager Asynchronmotoren der Klassen IE1 und IE2
und Lagerschilde verwendet werden vergleichbar.
• Bremsmotoren, wenn die Bremse integraler
Bestandteil der inneren Motorkonstruktion
ist und weder entfernt noch während der
Prüfung des Motorwirkungsgrads separat
gespeist werden kann
16Norm EN 50598: Energieeffizienz Teil 3: Ökodesign und Umweltdeklaration;
mit elektrisch angetriebenen Umweltaspekte und Produktdeklaration der
Arbeitsmaschinen Antriebskomponenten von Power-Drive-Sys-
Die Energieeffizienz eines Antriebssystems ist tems und Motorstarter.
entscheidender als die Summe der Wirkungs- In diesem Teil der Norm wird das Thema
grade einzelner Komponenten. Dem trägt die Ökodesign und die Berücksichtigung wesent-
Norm EN 50598 Rechnung und beschreibt im licher Umweltaspekte beim Produktdesign
Teil 2, wie die Energieeffizienz eines Antriebs- von Motorsystemen (Motorstarter/Umrichter,
systems bestimmt wird. Die Normung geht Motor) festgelegt.
damit konsequent von der Komponente in das
gesamte Antriebssystem.
Komponente
Die Norm besteht aus drei Teilen: Drive Controller
(Frequenzumrichter)
Teil 1: Allgemeine Anforderungen zur Er-
stellung von Standards für energieeffiziente Effizienzklassen der Drive Controller
elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen (Frequenzumrichter, CDM )
mit der Methodik des erweiterten Produk-
tansatzes (semi-analytische Modelle (SAM)).
Abb.11 Effizienzklassen
Beschreibt die Verantwortlichkeiten und die
CDM (Drive Controller)
Aufgaben der verschiedenen Interessengrup-
pen, die diesen Standard verwenden, sowie
PL,CDM (90, 100)
den dazu notwendigen Datenfluss. PL,RCDM (90, 100)
IE0
Teil 2: Bestimmung der Verluste und
Effizienzklassen 125
Spezifiziert die Energieeffizienzindikatoren
100 IE1
für das Antriebssystem (Power-Drive-Sys-
tem, PDS) im Leistungsbereich 0,12 kW bis 75
1.000 kW.
• Festlegung der Effizienzklassen von An- 50
triebssystemen (PDS) und Drive Controller IE2
(Complete-Drive-Module, CDM)
• Festlegung von acht applikationsrelevanten
0
Betriebspunkten
Quelle: ZVEI
• Methoden zur Ermittlung (Messungen und
Berechnung) der Verluste in den acht
Betriebspunkten eines kompletten Motoren- Auf Grundlage von relativen Verlusten wer-
systems und seinen Komponenten den Drive Controller in die Effizienzklassen
• Messmethoden für Drive Controller IE0 bis IE2 eingeteilt. Die Klasse IE1 ist der
• Verluste des Referenzmotors, des Referenz- technische Standard und wird als Referenz zur
CDMs und eines Referenz-PDS in den fest- Bestimmung der weiteren Klassen verwendet.
gelegten acht Betriebspunkten Bezogen auf den Wert eines Drive Controllers
• Die EN 50598-2 bezieht sich zunächst nur der Effizienzklasse IE1 hat der Drive Controller
auf Systeme mit Asynchronmaschinen. Die der Klasse IE2 um 25 Prozent niedrigere Ver-
grundlegenden Prinzipien der Norm sind luste und ein Drive Controller der Klasse IE0
aber technologieunabhängig. um 25 Prozent höhere Verluste.
17Die Effizienzklassen der Drive Controller Die Norm verfolgt beim Antriebssystem (PDS)
beziehen sich mit dem Ziel der Vermeidung einen ähnlichen Ansatz und legt die relativen
von Übermodulation und der dadurch mög- Verluste eines PDS in den Effizienzklassen
lichen Vergleichbarkeit der unterschiedlichen IES0 bis IES2 fest. Bezogen auf den Wert eines
Drive Controller auf den 90-/100-Betriebs- PDSs der Effizienzklasse IES1 (Referenzan-
punkt (100 Prozent drehmomentbildender trieb) hat ein PDS der Effizienzklasse IES2 um
Strom, 90 Prozent Motorstatorfrequenz). 20 Prozent niedrigere Verluste und ein PDS
der Effizienzklasse IES0 um 20 Prozent höhere
Verluste.
Antriebssystem (Motor und Drive Controller)
Auch für die Effizienzklasse eines PDS ist ein
spezifischer Lastpunkt definiert. Als Referenz-
punkt dient hier der 100-/100-Betriebspunkt
Effizienzklassen eines Antriebssystems (100 Prozent Motorstatorfrequenz, 100 Pro-
(PDS) zent Drehmoment).
Detaillierte Verlustbetrachtung
Abb. 12 Effizienzklassen PDS
Die Norm bietet neben der Effizienzklassen-
(Antriebssystem)
einteilung den weiteren Vorteil, dass Verluste
PL,PDS (100, 120) nun detailliert für den drehzahlgeregelten
PL,RPDS (100, 100) Betrieb betrachtet werden können. Eine Ver-
IES0
lustwertbetrachtung über den gesamten Last-
bereich des Antriebs ist möglich.
120
100 IES1 Dazu sind im Drehmoment-über-Drehzahl-
Kennlinienfeld die für elektrisch angetriebene
80 Arbeitsmaschinen typischen Betriebspunkte
festgelegt. Durch Addition der absoluten Ver-
50 luste des Drive Controllers und des Motors in
IES2 jedem Punkt werden die absoluten Verluste
eines PDS ermittelt (siehe Abb. 13).
0
Web-Applikation zur Berechnung der
Motoren-Umrichter-Kombinationen
Quelle: ZVEI
Wie im Detail die Berechnung von verschie-
denen Motoren-Umrichter-Kombinationen ge-
Die Betrachtung und Vergleichbarkeit der mäß der Norm EN 50598-2 (IEC 61800-9-2)
Energieeffizienz des gesamten Antriebssys- funktioniert, kann mithilfe einer Web-Appli-
tems ist die führende Größe und wesentli- kation nachvollzogen werden:
cher Bestandteil des Anwendernutzens. In www.power-drive-system.com
der gezielten Abstimmung der Komponenten
Motor und Drive Controller steckt zusätzli- Mit verschiedenen Herstellerdaten können die
ches Optimierungspotenzial für das gesamte Verluste des Power-Drive-Systems in den Teil-
Antriebssystem (PDS). lastpunkten wie auch die entsprechende IES-
Klasse des Systems ermittelt werden.
18Abb. 13: Drehmoment-über-Drehzahl-Kennlinienfeld
PL, PDS (0, 100) PL, PDS (50, 100) PL, PDS (100, 100)
100
Relatives Drehmoment %
PL, PDS (0, 50) PL, PDS (50, 50) PL, PDS (100, 50)
50
PL, PDS (0, 25) PL, PDS (50, 25)
25
50 100
Relative Drehzahl %
Quelle: ZVEI
Es handelt sich bei der Web-Applikation um der grundlegende Ansatz mit den IE-Klassen
ein neutrales Berechnungstool des ZVEI. Es ist für Drive Controller und IES-Klassen für das
kein Projektierungstool und kann die Messun- System quasi unverändert. Aus formellen
gen in einem konkreten System nicht ersetzen. Gründen hat die Norm eine völlig andere
Nummerierung (IEC 61800-9-2: 2017).
Interaktion EN 50598-2 und
IEC 61800-9-2 Im Rahmen der Vereinheitlichung von interna-
Aufgrund eines europäischen Normungsauf- tionaler und europäischer Normung wird nach
trags der Kommission an die Normungsorga- einer Übergangszeit von ca. drei Jahren die
nisation CENELEC wurde die europäische Norm Norm EN 50598-2 zurückgezogen und end-
EN 50598 entwickelt. Kurz nach Fertigstellung gültig durch die Norm IEC 61800-9-2 ersetzt.
wurde dieses Ergebnis bei der internationalen
Normungsorganisation IEC eingereicht und
die Arbeiten an einer IEC-Norm gestartet.
Auch wenn einige Teile angepasst wurden, ist
Abb. 14 Überführung der Nomen
EN 50598-2 IEC 61800-9-2
Quelle: ZVEI
19Auszug aus der FAQ-Liste der Web-Ap- Wiederspricht die Norm EN 50598 dem Exten-
plikation www.power-drive-system.com ded-Product-Approach?
• Nein, das sogenannte Extended Product
Hat ein Motor somit zwei IE-Klassen, eine, (z. B. Pumpensystem) setzt sich aus dem
wenn er am Netz läuft, und eine andere am elektrischen Antriebssystem plus der
Umrichter? anzutreibenden Maschine zusammen.
• Nein, es gibt keine Doppelklassifizierung EN 50598-1 beschreibt das semi-analy-
von netz- bzw. umrichtergeführten Moto- tische Modell und EN 50598-2 die Verlust-
ren. Ein Motor, der sowohl am Netz als bestimmung. Damit unterstüzt die Norm
auch am Drive Controller betrieben werden den Extended-Product-Approach.
kann, erhält nur nach IEC 60034-30-1 für
Netzbetrieb seine IE-Klasse. Motoren nach
IEC TS 60034-30-2 sind speziell für Um-
richterbetrieb bemessen und können nicht
am Netz betrieben werden.
Können die Effizienzklassen der Komponen-
ten Motor und Drive Controller nicht einfach
direkt verwendet werden, um die Effizienz-
klasse des Systems zu bekommen nach dem
Motto: IE2 + IE2 = IES2?
• Nein, dieser ganz simple Ansatz IE-Klasse
Motor + IE-Klasse Drive Controller = IES-
Klasse des Systems ist nicht möglich. Mit-
hilfe der Norm EN 50598-2 ist es einfach
möglich, die Verluste eines Antriebssystems
zu berechen und daraus die Effizienzklasse
zu bestimmen.
Erlaubt die Norm EN 50598-2 überhaupt
noch, Komponenten verschiedener Anbieter
zu mischen?
• Ja, die Normen sind anbieter- und tech-
nologieoffen. Die Web-Applikation www.
power-drive-system.com zeigt, wie dies mit
den Verlusten der einzelnen Komponenten
funktioniert.
Wie verhält es sich bei Servomotoren?
• Servomotoren sind von der IE-Klassifi-
zierung ausgeschlossen, da sie mit einer
geringen Schwungmasse für dynamische
Applikationen ausgelegt sind. Die Norm
IEC TS 60034-30-2 gilt für Umrichter-
motoren mit wenigen Geschwindigkeits-
änderungen, die meistens im Dauerbetreib
mit konstanter Last betrieben werden.
205 Gesetzliche Vorgaben in Europa
Inzwischen sind viele Gesetze in der Europäischen Union in Kraft, die das Ziel haben, den Energieverbrauch und damit den
CO2-Ausstoß zu reduzieren. In der EU-Verordnung 640/2009 und Ergänzung 04/2014 wird die Energieeffizienz von 3-phasigen
Asynchronmotoren für Netzbetrieb im industriellen Umfeld behandelt
Geltungsbereich der Netzmotoren
Leistungsbereich 0,75–375 kW
SpannungSomit sind im Umkehrschluss folgende Moto- Ausblick auf neue gesetzliche Vorgaben
ren nicht betroffen: in Europa
• 8-polige Motoren Im Juli 2014 wurde die Ökodesign-Studie
• Polumschaltbare Motoren zum Lot 30 veröffentlich. In dieser Vorberei-
• Synchronmotoren tungsstudie wurden die Energieeinsparpo-
• Motoren für Schaltbetrieb S2 ... S9 tenziale der Antriebstechnik untersucht und
• Umrichtermotoren gemäß Vorschläge für zukünftige gesetzliche Rege-
IEC TS 60034-30-2 lungen erstellt. Die Vorschläge aus dem Jahr
• 1-Phasen-Motoren 2014 finden sich nach wie vor im Umlauf,
besitzen aber keine Verbindlichkeit!
Zeitplan zur Umsetzung
Die einzelnen Anforderungen sind wie folgt in Nach einer Zeit des politischen Stillstands
Kraft getreten: im Bereich Ökodesign wurden mit der Veröf-
• Ab dem 16. Juni 2011 mussten neu in Ver- fentlichung des Ecodesign Working Plans im
kehr gebrachte Motoren mindestens der November 2016 die Arbeiten wieder aufge-
Wirkungsgradklasse IE2 entsprechen. nommen.
• Seit dem 1. Januar 2015 müssen neu in
Verkehr gebrachte Motoren mit einer Nenn- Aufgrund des hohen Einsparpotenzials ist die
ausgangsleistung von 7,5 bis 375 kW ent- Antriebstechnik wieder im Fokus der Betrach-
weder mindestens die Wirkungsgradklasse tung und die Kommission prüft aktuell (Herbst
IE3 erreichen oder der Wirkungsgradklasse 2017) noch einmal alle 2014 angedachten
IE2 entsprechen, dürfen dann aber nur mit Maßnahmen und die Wirkung der bisherigen
einer elektronischen Drehzahlregelung Motoren-Verordnung 640/2009.
betrieben werden.*
• Seit dem 1. Januar 2017 müssen neu in Generell müssen auf dem Weg zu einer Ver-
Verkehr gebrachte Motoren mit einer Nenn- ordnung gewisse formale Schritte und Abstim-
ausgangsleistung von 0,75 bis 7,5 kW ent- mungen innerhalb der Kommission und der
weder mindestens die Wirkungsgradklasse Mitgliedstaaten eingehalten werden, sodass
IE3 erreichen oder der Wirkungsgradklasse aus heutiger Sicht mit der Veröffentlichung
IE2 entsprechen, dürfen dann aber nur mit einer neuen Verordnung für die Antriebstech-
einer elektronischen Drehzahlregelung nik erst in der zweiten Hälfte 2018 zu rechnen
betrieben werden.* ist. In diesem Dokument werden verschiedene
gesetzliche Maßnahmen für Motoren und
Die Motorenhersteller informieren mit Drive Controller vorgeschrieben sein, die aber
Hinweisen über die Inbetriebnahme- erst mit verbindlich definierten Übergangs-
Bedingung. fristen wirksam werden. Wie lange diese Fris-
ten sein werden, ist aus heutiger Sicht nicht
Abb. 15 Beispiel für einen Hinweis vorhersehbar. Der ZVEI und der europäische
Verband der Antriebstechnik, CEMEP, fordern
im Minimum zwei Jahre, je nach Art der Maß-
nahme auch länger, um ausreichend Zeit zu
haben, die Produkte anpassen und den Markt
auf die Änderungen vorbereiten zu können.
* Die elektronische Drehzahlregelung erfolgt mit einem Drive Controller, der die Drehzahl des Motors und damit die abgegebene Leis-
tung an den unterschiedlichen Bedarf anpasst. Welches die energieeffizienteste Lösung ist, hängt von der Anwendung ab und sollte im
Einzelfall vom Betreiber oder Planer der Anlage ermittelt werden. Bei Volllastanwendungen sollte ein IE3-Motor gewählt werden, bei
variabler Last kann die Drehzahlregelung mit einem Drive Controller große Einsparungen bringen.
226 Weltweite Vorschriften
Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Regelungen für den Einsatz von Energiesparmotoren in verschiedenen
Industrieländern. Die Wirkungsgradklassen richten sich hauptsächlich nach der international gültigen Norm IEC 60034-30-1.
Länderspezifische Anforderungen und Bezeichnungen können von dieser Norm abweichen.
Tab. 2: Weltweite Vorschriften für Energiesparmotoren
Land IE kW Polzahl Ab Bis Wesentliche Ausnahmen
Argentinien 21.12.2017 • Verbaute Motoren
1~:
• Alle Nicht-S1-Motoren
1 0,12–7,5 2,4,6,8
• Umrichtermotoren
• (IEC 60034-25)
3~: • Verbaute Motoren
1 0,75–30 2,4,6,8 • Umrichtermotoren
• (IEC 60034-25)
Australien 01.04.2007 • S2-Motoren
2 0,75–185 2,4,6,8 • Umrichtermotoren
• Getriebemotoren
Brasilien 2 0,75–110 8 08.12.2009 August 2019 • Alle Nicht-S1-Motoren
• Umrichtermotoren
2 0,75–150 6 • Ex-Motoren
2 0,75–185 2,4
China 01.10.2016 September 2018 • Alle Nicht-S1-Motoren
• Umrichtermotoren
2 0,75–375 2,4,6 • Unbelüftete Motoren
• Sondermotoren für spezielle
Maschinenanforderungen
Chile 01.01.2011 • Alle Nicht-S1-Motoren
1 0,75–375 2,4,6 • Umrichtermotoren
• Bremsmotoren
EU 01.01.2017 • Alle nicht für Dauerbetrieb
bemessenen Motoren
• Umrichtermotoren
• IE2-Motoren „Use with VSD only“
3 0,75–375 2,4,6
• Ex-Motoren
• Bremsmotoren
• Motoren, die verschärften
Umwelteinflüssen ausgesetzt sind
Indien 1 0,12–0,37 8 01.10.2013 • Umrichtermotoren
2 0,37–375 2,4,6 01.01.2018
Japan 01.04.2015 • Alle Nicht-S1-Motoren
3 0,75–375 2,4,6 • Umrichtermotoren
• Ex-Motoren
23Land IE kW Polzahl Ab Bis Wesentliche Ausnahmen
Kanada 3 0,75–185 8 28.06.2017 • Alle Nicht-S1-Motoren
• Umrichtermotoren
3 0,75–260 6
3 0,75–375 2,4
Kolumbien 1 0,18–373 2,4,6,8 31.08.2017 30.08.2018
2 0,18–373 2,4,6,8 31.08.2018
3 7,5–373 2,4,6,8 31.08.2020
Mexiko 3 0,75–375 2,4,6,8 19.12.2010 • Alle Nicht-S1-Motoren
Neuseeland 01.06.2007 • S2-Motoren
2 0,75–185 2,4,6,8 • Umrichtermotoren
• Getriebemotoren
Saudi-Arabien 2 0,75–375 2,4,6 01.07.2015 31.12.2016
3 0,75–375 2,4,6 01.01.2017
Schweiz 3 0,75–375 2,4,6 01.01.2017 • Analog EU
Südkorea 2 0,75–30 2,4,6,8 01.10.2016 31.09.2018 • S2-Motoren
• Umrichtermotoren
3 37–375 2,4,6,8 01.10.2016 • Unbelüftete Motoren
3 0,75–375 2,4,6,8 01.10.2018
Türkei 3 0,75–375 2,4,6 01.01.2017 • Analog EU
USA 3 0,75–185 8 01.06.2016 • Alle Nicht-S1-Motoren
• Umrichtermotoren
3 0,75–260 6 01.06.2016
3 0,75–375 2,4 01.06.2016
Quelle: ZVEI
247 Best-Practice-Anwendungen mit Einsparpotenzial
In der Automatisierungstechnik spielt der Einsatz von Energiesparmotoren, von Drive Controllern für die Drehzahlregelung
und einer wirtschaftlichen Motor-Getriebe-Kombination eine wichtige Rolle bei der Energieeinsparung. Unterschiedliche
Anwendungsbeispiele zeigen, wie sich mit einer optimierten Antriebslösung der Verbrauch und damit auch die Energiekosten
teilweise drastisch reduzieren lassen.
Die Mehrkosten für energiesparende Tech- Die tatsächlich notwendige Fördermenge
niken amortisieren sich vielfach in weniger liegt infolge der Überdimensionierung des
als zwei Jahren. Bei den folgenden Anwen- Systems in der Regel unterhalb des Nenn-
dungsbeispielen wurde ein Strompreis von Betriebspunkts und wird in vielen Fällen durch
15 ct/kWh zugrunde gelegt. Neben Motoren mechanische Regelsysteme geregelt, wie bei-
mit hoher Wirkungsgradklasse und energie- spielsweise Ventile oder Drosselklappen. Ein
optimalem Getriebe bieten Drive Controller Beispiel: Bei einer Kühlmittel-Pumpstation
zur elektronischen Drehzahlregelung beson- mit fünf Kreiselpumpen und fünf Motoren mit
ders große Einsparmöglichkeiten. je 55 kW in einer Produktion der Automobil-
industrie wurden alle Rohrblenden entfernt
Beispiel 1 und die Drosselventile geöffnet. Zur Regelung
Pumpenantrieb: Drehzahlregelung statt der Fördermenge wurde stattdessen die Dreh-
mechanischer Drosselung zahlregelung mit Drive Controllern eingesetzt.
Pumpensysteme bieten ein erhebliches Ein- Das Ergebnis war eine beachtliche Energieein-
sparpotenzial, nicht zuletzt, weil sie meist im sparung von 60 Prozent; die Energiekosten
Teillastbereich betrieben werden (Abb. 16). wurden um 160.000 Euro pro Jahr gesenkt.
Abb. 16: Großes Einsparpotenzial bei Pumpensystemen
Quelle: ABB
25Beispiel 2
Lüfterantrieb: Drehzahlregelung statt
mechanischer Drosselung
Das Einsatzgebiet von Lüftern reicht von klei-
nen Ventilatoren für die Raumbelüftung über
die Gebäudeklimatisierung bis zu Frischluft-
und Abgasgebläsen in Zementwerken. In die-
sem Anwendungsbeispiel wird ein Lüfter mit
7,5 kW Nennleistung in der Absauganlage
eines Holz verarbeitenden Betriebs einge-
setzt. Der Förderstrom wird nicht mechanisch
gedrosselt, sondern über einen drehzahlge-
regelten Drehstrommotor an die tatsächlich
benötigte Menge angepasst. Dadurch lassen
sich bei 4.000 Betriebsstunden 1.260 Euro
Stromkosten pro Jahr einsparen. Die Inves-
titionskosten für den Drive Controller und
Schaltschrank amortisieren sich somit in rund
15 Monaten (Abb. 17).
Abb. 17: Rasche Amortisation eines Lüfterantriebs
Betriebszeit 4.000 Stunden
Mittlerer Förderstrom 70 % vom Nennwert
Aufnahmeleistung Drosselung 5,7 kW
Aufnahmeleistung Drehzahlregelung 3,6 kW
Eingesparte Energie 8.400 kWh/Jahr Energieeinsparung:
8.400 kWh
Lüfter, Vergleich Energiebedarf
Mechanische Drosselung – elektronische Regelung Einsparung
Stromkosten:
Relative Wirkleistungsaufnahme
Regelung des 1.260 €/Jahr
1 Volumenstroms
über Drosselung
Amortisationszeit:
15 Monate
0,5
Regelung des Förderstroms
über die Motordrehzahl
0
0,5 0,75 1
Relativer Volumenstrom
Quelle: ZVEI
26Beispiel 3 Beispiel 4
Drive Controller: Intelligente Multidrive-Konzept: Strom sparen
Funktionen helfen, Energie zu sparen durch Energieausgleich
Moderne Drive Controller beinhalten intelli- Bei vielen Anwendungen werden Antriebe
gente Energiesparfunktionen. Der Anwender eines Systems motorisch und andere gleich-
kann mit ihnen eine Feinabstimmung des Pro- zeitig generatorisch betrieben. Hier ist ein
zesses vornehmen, um die Energie optimal zu Mehrantriebssystem (Multidrive) mit DC-Sam-
nutzen. Ein Beispiel ist der Energieoptimierer- melschiene anstelle mehrerer Einzelantriebe
Modus, der den Wirkungsgrad des Systems sinnvoll. Im Gegensatz zum Einzelantrieb
aus Drive Controller und Motor vor allem im werden beim Multidrive-Konzept mehrere
Teillastbereich um bis zu 20 Prozent erhöht. Wechselrichter unterschiedlicher Leistung von
Integrierte Energieeffizienzrechner unterstüt- einer gemeinsamen Einspeiseeinheit über
zen die Anwender bei der Analyse und Opti- einen DC-Zwischenkreis versorgt. Über den
mierung der Prozesse. DC-Zwischenkreis kann ein effizienter und
direkter Energieausgleich von allen Wechsel-
Spezielle Drive Controller für Wasser- und richtern erfolgen, ohne dass Energie in einem
Abwasserapplikationen bieten des Weiteren Bremswiderstand in Wärme umgesetzt werden
intelligente Pumpenregelungsfunktionen für muss oder eine Netzrückspeiseeinheit erfor-
Einzelpumpen und Mehrpumpensysteme zur derlich ist. Ein Beispiel hierfür sind Bandanla-
Steigerung der Energieeffizienz. Bei einer gen oder Papiermaschinen, in denen sich der
Druckerhöhungsstation mit zwei 75-kW- Abwickler dauernd im generatorischen und
Pumpen und einer 37-kW-Pumpe kamen die der Aufwickler im motorischen Betrieb befin-
Mehrpumpen-Regelung, die Pumpenpriori- den (Abb. 18).
tätsumschaltung und eine Durchflussberech-
nung zum Einsatz. Bei geringem Wasserver- Bei Maschinen, die zyklisch abgebremst wer-
brauch im Leitungsnetz während der Nacht den, wie es beispielsweise bei Zentrifugen und
schaltet sich die kleine Pumpe zu, während Kranen der Fall ist, bietet sich eine Ein-/Rück-
tagsüber die beiden großen Pumpen arbeiten. speiseeinheit an. Sie speist die Bremsenergie
Die Pumpen können somit näher an ihrem in das Versorgungsnetz zurück und steigert
optimalen Betriebspunkt gefahren werden. somit die Effizienz der Maschine.
Durch den Einsatz der Drive Controller mit
intelligenten Pumpenfunktionen konnte der
Energiebedarf um 30 Prozent gesenkt werden.
Abb. 18: Multidrive-Konzept bei einer Papiermaschine
Quelle: ZVEI
27Bildnachweis Titelseite: utkamandarinka, phonlamaiphoto / Fototolia.com, ZVEI // Innen Seite 13: andilevkin / Fotolia.com ZVEI - Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V. Lyoner Straße 9 60528 Frankfurt am Main Telefon: +49 69 6302-0 Fax: +49 69 6302-317 E-Mail: zvei@zvei.org www.zvei.org
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