Energieeffizienz in der Antriebstechnik erfolgreich steigern

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Energieeffizienz in der Antriebstechnik erfolgreich steigern

Verordnung (EG) 640/2009Whitepaper

Gerd Brenning Roland Weber

1. Auflage

2

Whitepaper WP040007DEAusgabe Januar 2020

EATON Update der Verordnung (EG) 640/2009

Energieeffizienz in der Antriebstechnik erfolgreich steigernNeue Erweiterungen für die Verordnung (EG) 640/2009

Inhalt

10 Terawattstunden Strom pro Jahr zusätzlich einsparen ��3I� Normen und Regelungen ��4II� Die Erweiterung der (EG) 640/2009 ��4III� Mit den richtigen Komponenten zum energieeffizienten Antrieb ��5

Motorstarter �� 5Direktstarter �� 6Stern-Dreieck-Starter �� 6Softstarter �� 7Bei der Auswahl systemrelevante Faktoren berücksichtigen �� 7Drehzahlstarter und Frequenzumrichter �� 7Einsparungen durch Drehzahlregelung – ein Beispiel �� 8Mehrmotorenantriebe – geregelte und ungeregelte Antriebe kombinieren�� 8

IV� Auswirkungen IE3/IE4 auf System-Komponenten ��9 V� Das Gesamtsystem im Blick ��10VI� Basis für das Energiemanagement schaffen ��10VII� In Zukunft: Öko-Label ��10VIII� So steigern Sie erfolgreich die Energieeffizienz in der Antriebstechnik �� 11

Autoren:

Gerd Brenning

Dipl�-Ing�

Engineer Norms & Standard

Eaton Industries GmbH

Roland Weber

Elektromeister

Produkt Support Drives

Eaton Industries GmbH

3



10 Terawattstunden Strom pro Jahr zusätzlich einsparen

Elektrische Antriebe haben einen Anteil von rund 70 % am Gesamtstromverbrauch in der Industrie� Damit ist die Antriebstechnik einer der Bereiche, in denen die Erhöhung der Energieeffizienz den größten Effekt hat – sowohl im Hinblick auf die Stromkosten als auch auf eine Reduzierung der CO2 -Emissionen� Berechnungen des ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und Elektroindustrie e� V�) und VDEW (Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke) zufolge liegt das Einsparpotenzial in diesem Bereich in deutschen Unternehmen bei 10 % des gesamten industriellen Stromverbrauchs�1 Es wird dabei geschätzt, dass im Jahr 2020 in Europa Elektromotoren 1�470 TWh Strom in mechanische Energie umwandeln�Als Beitrag zur Erreichung der Energieeffizienzziele wurden von der Europäischen Kommission in 2009 neue Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren verabschiedet (Verordnung EG Nr� 640/2009 zur Durchführung der Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG)� Alleine durch diese Verordnung werden schätzungsweise bis 2030 pro Jahr 102 TWh an Energie eingespart�

Die Verordnung wird nun durch die Nachfolgestudie Lot 30 „Ecodesign Requirements for Motors and variable speed drives“ weitergeführt: Anfang 2019 haben die EU-Mitgliedsstaaten den neuen Entwurf der Verordnung angenommen� Er wird den Geltungsbereich der aktuellen Verordnung (EG) 640/2009 hinsichtlich der Leistungsbereiche sowie Typen von Elektromotoren erweitern und nun auch Drehzahlregelungen mit einbeziehen� Die dadurch erreichten verbesserten Umweltauswirkungen im Lebenszyklus sollen zu einer zusätzlichen geschätzten Stromeinsparung von 10 TWh pro Jahr und einer Verringerung der Treibhausgasemissionen von 3 Millionen Tonnen CO2-Äquivalent pro Jahr im Jahr 2030 führen2�

1 Elektrische Antriebe - Potenziale zur Energieeinsparung, Energie Agentur NRW

2 dke Kurzinformation 444 0, DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE

06.2018 4430 kWh06.2019 4150 kWhM2 -280 kWh

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I. Normen und Regelungen

Zur einfacheren Auswahl energieeffizienter Antriebskomponenten wurden 2008 Klassifizierungen für deren Wirkungsgrad eingeführt� Für Motoren für den Betrieb am öffentlichen Netz sind sie in der international gültigen Norm IEC 60034-30-1 festgelegt, zusammen mit den gesetzlichen Anforderungen an die Energieeffizienz� Dabei werden die Wirkungsgrade bzw� Effizienzklassen bei 50 und 60 Hz für 1- bzw� 3-phasige Motoren (mit Ausnahmen) definiert� Unterschieden wird dabei zwischen vier Effizienzklassen (IE = International Efficiency):

• IE1: Standard Efficiency• IE2: High Efficiency• IE3: Premium Efficiency• IE4: Super Premium Efficiency

Eine fünfte Wirkungsgradklasse, die IE5, ist noch nicht im Detail definiert, soll aber in der nächsten Ausgabe der Norm aufgenommen werden�

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

0.12

0.18 0.2

0.25

0.37 0.4

0.55

0.75 1.1

1.5

2.2 3 4

5.5

7.5 11 15 18.5 22 30 37 45 55 75 90 110

132

160

Ef�z

ienz

(%)

Leistung (kW)

Wirkungsgrad für Asynchronmotoren

IE1IE2IE3IE4

50

200

Die Norm wurde im weiteren Verlauf auch auf andere Motorarten ausgeweitet� So sind Motoren, die nicht für einen direkten Netzbetrieb geeignet sind, in der IEC TS 60034-30-2 beschrieben� Während bei Motoren, die direkt am Netz betrieben werden können, der Wirkungsgrad im Nennpunkt gemessen wird, wird der Wirkungsgrad von Motoren für den Umrichterbetrieb im Bezugspunkt 90 Prozent Drehzahl / 100 Prozent Drehmoment ermittelt� Für diese Motoren wurden die Effizienzklassen IE1 bis IE5 definiert�

Auch für Komponenten wie Frequenzumrichter wurden IE-Klassen festgelegt� Sie sind in der EN 50598-2 beschrieben� Hier werden die Verluste im Bezugspunkt 90 Prozent relative Statorfrequenz / 100 Prozent relativer drehmoment-bildender Strom ermittelt� Diese werden mit den Verlusten eines Referenzumrichters verglichen und führen zur IE-Klasse� Dabei werden Frequenzumrichter in die Effizienzklassen IE0 bis IE2 eingeteilt� Die Klasse IE1 ist der technische Standard und dient als Referenz für die anderen Klassen: Ein Frequenzumrichter der Klasse IE2 hat einen um 25 Prozent niedrigeren Verlust, ein Frequenzumrichter der Klasse IE0 einen um 25 Prozent höheren Verlust�

In einem letzten Schritt sehen dann die Normen und Standardisierungen die Betrachtung der Verluste im gesamten Antriebssystem vor� Als Referenzpunkt dient hier der 100-/100-Betriebspunkt (100 Prozent Motorstatorfrequenz, 100 Prozent Drehmoment)�

Die Klassifizierung des Systems erfolgt laut EN 50598-2 (IEC 61800-9-2) mit einem IES-Code (International-Effciency-System):

• IES0: 20 % höhere Verluste als Referenzantrieb• IES1: Referenzantrieb• IES2: 20 % niedrigere Verluste als Referenzantrieb

Die oben genannten Normen definieren zwar die Energieeffizienzklassen, sagen aber nichts darüber, ab wann welche Antriebe vorgeschrieben sind� Diese Aussagen sind in der Verordnung EG Nr� 640/2009 zu finden� In ihr werden die Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Motoren für den Betrieb am öffentlichen Netz in Hinblick auf das Inverkehrbringen und die Inbetriebnahme festgelegt� In mehreren Stufen wird vorgeschrieben, ab wann in welchen Leistungsklassen energieeffiziente Motoren eingesetzt werden müssen� Die Verordnung betrifft aber nur neu in den Verkehr gebrachte Motoren� Für Altanlagen – und auch für Ersatz-Motoren, die in einem Konsignationslager liegen sowie für instandgesetzte Antriebe ohne wesentliche Änderung ihrer ursprünglichen Leistung – gelten die zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme relevanten Vorschriften�

II. Die Erweiterung der (EG) 640/2009

Die EU-Verordnung 640/2009 sah mit seiner Studie zu elektrischen Motoren (Lot 11) einen Stufenplan vor, in dem festgelegt wurde, ab wann welche Anforderungen an die Effizienz von neu in den Verkehr gebrachten Elektromotoren gelten� Dieser Plan reicht in der bisherigen Fassung bis zum Januar 2017� Um die Effizienz weiterzutreiben, haben sich die Organe der EU Anfang 2019 mit der Nachfolgestudie Lot 30 auf eine neue, weiterreichende Regelung geeinigt� Sie führt den Stufenplan jetzt fort bis zum Jahr 2023� Dadurch wird der Geltungsbereich der aktuellen Verordnung (EG) 640/2009 hinsichtlich der Leistungsbereiche sowie der Typen von Elektromotoren erweitert und erstmals werden auch Drehzahlregelungen mit einbezogen� Zudem werden die Mindestanforderungen an die Energieeffizienz für Elektromotoren im Anwendungsbereich erhöht; erstmals werden IE4-Effizienzklassen-Anforderungen für Elektromotoren eingeführt�

Der neue Anwendungsbereich der Verordnung erfasst zukünftig für den direkten Netzbetrieb bestimmte Induktionsmotoren ohne Kohlebürsten, Kommutatoren, Schleifringe oder elektrische Rotoranschlüsse, die wie bisher für den Betrieb bei einer sinusförmigen Spannung mit einer Frequenz von 50 Hz, 60 Hz oder 50/60 Hz ausgelegt sind� Neu ist, dass neben 2-, 4- und 6-poligen Motoren jetzt auch 8-polige in den Anwendungsbereich der Verordnung fallen� Unverändert bleibt die Nennspannung UN, für die die Regelung gilt: Sie liegt nach wie vor im Bereich von größer 50 V bis zu 1�000 V� Deutlich erweitert wurde dagegen der Bereich der Ausgangsleistung: Galt die Verordnung bisher nur für Motoren mit einer Nennausgangsleistung PN ab 0,75 kW bis 375 kW, so umfasst die Regelung nach dem Update nun Motoren mit einer Nennausgangsleistung zwischen 0,12 kW bis zu 1�000 kW� Der Anwendungsbereich der neuen Verordnung umfasst zudem nur Motoren, die für den Dauerbetrieb ausgelegt sind, und zwar die Betriebsklassen S1, S3 >= 80 % und S6 >= 80 % gemäß IEC 60034-1:2017�

Die Verordnung erfasst jetzt erstmals auch Drehzahlregelungen mit Dreiphasen-Eingang und die für den Betrieb mit einem Elektromotor ausgelegt sind, der sich innerhalb des Geltungsbereichs befindet� Entsprechend liegt der Bereich der Nennausgangsleistung zwischen 0,12 kW bis 1�000 kW� Der Spannungsbereich, in dem die Verordnung bei Drehzahlregelungen anzuwenden ist, liegt zwischen mehr als 100 V bis zu 1�000 V, wobei die Verordnung nur für Geräte mit nur einem AC-Spannungsausgang gilt�

Die in Lot 30 definierte Erweiterung der (EG) 640/2009 legt zwei Schritte fest, in denen die Änderungen zum Tragen kommen:

Abbildung 1: Wirkungsgradkurven für Asynchronmotoren nach IE-Klassifizierung (Quelle: IEC 60034-30-1)

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Ab dem 1. Juli 2021:

Die Energieeffizienz von Drehstrommotoren mit einer Nennleistung von gleich oder über 0,75 kW und gleich oder unter 1�000 kW, mit 2, 4, 6 oder 8 Polen, die keine Ex eb Hochsicherheitsmotoren sind, muss mindestens dem Wirkungsgrad IE3 entsprechen� Gleichzeitig müssen Drehstrommotoren im Anwendungsbereich mit einer Nennleistung zwischen 0,12 kW und weniger als 0,75 kW mindestens dem Wirkungsgrad IE2 entsprechen�

Ab dem 1. Juli 2023:

Die Energieeffizienz von Ex eb Motoren für erhöhte Sicherheit mit einer Nennleistung von 0,12 kW bis 1�000 kW, mit 2, 4, 6 oder 8 Polen und Einphasenmotoren mit einer Nennleistung von gleich oder über 0,12 kW muss mindestens dem Wirkungsgrad IE2 entsprechen�

Die Energieeffizienz von 2-, 4- oder 6-poligen Drehstrommotoren, die keine Bremsmotoren, Ex eb Motoren mit erhöhter Sicherheit oder andere explosionsgeschützte Motoren mit einer Nennleistung zwischen 75 kW und 200 kW sind, muss mindestens dem Wirkungsgrad IE4 entsprechen�

III. Mit den richtigen Komponenten zum energieeffizienten Antrieb

Es gibt vor allem zwei effektive Methoden, um das Energieeinsparpotenzial in der elektrischen Antriebstechnik optimal auszunutzen: Entweder durch Motorstarter, mit denen die Motoren nach dem Start mit fester Drehzahl betrieben werden oder durch Drehzahlstarter und Frequenzumrichter, die eine variable Drehzahl ermöglichen� Wichtig ist die Wahl von Komponenten, die den Anforderungen der hocheffizienten IE3- und IE4-Motorengeneration entsprechen� Denn zum Beispiel garantieren nur speziell auf die jeweilige Motortechnologie angepasste Regelalgorithmen die Effizienzvorteile der einzelnen Technologien� Erst mit diesen Algorithmen lässt sich in jedem Betriebspunkt der Betrieb auch bei wechselnden Lasten optimieren� Bei der Auswahl entsprechender Steuergeräte bzw� Frequenzumrichter für IE3- oder IE4-Motoren sollte daher unbedingt darauf geachtet werden, dass sie entsprechend für den Betrieb an hocheffizienten Motoren ausgelegt sind� Die Frequenzumrichter der PowerXL-Familie von Eaton sind zum Beispiel alle IE4-ready und können dabei Standardinduktionsmotoren, Drehstrom-Asynchronmotoren, Permanentmagnetmotoren, bürstenlose Gleichstrommotoren sowie Synchron-Reluktanzmotoren steuern�

In allen Fällen bringen die Komponenten aber nur dann die gewünschten Ergebnisse, wenn sie richtig eingesetzt werden� Dabei ist zur Beurteilung des Energieeinsparpotenzials immer die Analyse des gesamten Antriebssystems erforderlich� Nur durch einen derartigen Systemansatz lassen sich tatsächlich Energieeinsparungen realisieren� Dabei müssen sowohl der Motor als auch dessen Ansteuerung zu der jeweiligen Anwendung passen�

Darum sollen hier nun die Unterschiede, Anwendungsbereiche und Einsatzmöglichkeiten der vier wichtigsten und in der Praxis bekanntesten Anlaufmethoden zum Starten und Steuern der Drehstrom-Asynchronmotoren beleuchtet werden�

Motorstarter

Bei der überwiegenden Zahl der Anwendungen arbeiten Elektromotoren mit einer festen Drehzahl� Dabei regelt der Motor selbsttätig die Leistungsaufnahme – der Motor arbeitet so über einen sehr großen Lastbereich mit maximaler Effizienz� Zur Ansteuerung von Motoren in Anwendungen, bei der die Drehzahl fest und die Lasten variabel sind, sind Motorstarter die effizienteste Lösung� Dabei zählen auch Schütze, Softstarter und Leistungsschalter zu den Motorstartern�

10.06.2011 0,75 bis 375 kW

Mindestens IE2

01.07.2023 75 kW bis 200 kW Mindestens IE 4

01.01.2017 0,75 bis 375 kW Mindestens IE 3

oder IE 2 mit Frequenzumrichter

01.07.2021 0,75 bis 1000 kW Mindestens IE 3 0,12 bis 0,75 kW Mindestens IE 2

Abbildung 2: Rechtlicher Rahmen für die umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren

Lot 11 Lot 30

01.01.2015 7,5 bis 375 kW

Mindestens IE 3 oder IE 2 mit

Frequenzumrichter

6



Oberhalb eines Lastniveaus von rund 60% wird durch den Einsatz eines Motorstarters von dem Antriebssystem deutlich weniger Energie verbraucht, als wenn der Motor durch einen Frequenzumrichter geschaltet bzw� gesteuert wird�

Allerdings sollte beim Einsatz von Motorstartern berücksichtigt werden, dass für den Drehstrommotor beim direkten Einschalten eine hohe Strombelastung im speisenden Netz charakteristisch ist� Durch das Anlegen der vollen Spannung entstehen hohe Anlauf- und Stoßströme mit störenden Spannungseinbrüchen im Netz und starken Stoßmomenten in der Mechanik� Dies gilt insbesondere bei dem Einsatz von Elektromotoren der Effizienzklasse IE3 und IE4, die sich unter anderem durch höhere Anlaufströme charakterisieren� Daher ist der Einsatz von hochwertigen Schalt- und Schutzkomponenten mit angepasstem Auslöseverhalten und auf den IE3 Motor abgestimmter Schaltleistung besonders wichtig� Ergänzend kommen häufig Automatisierungslösungen zur Eliminierung dieser unangenehmen Nebenerscheinungen und zur Senkung des Energieverbrauchs zum Einsatz�

M

a

F1

3 / N / PE / AC 50/60 Hz

Q1

F2

M1 3~M

B1

T2Q2

3~M M

T1

3~

d

3~M

b c

3~

Yd

e

Abbildung 3: Motorstartvarianten

F1 = Absicherung (Kurzschluss- und Leitungsschutz)

Q1 = Schalten (Leistungsschütz, Motorschütz)

F2 = Motorschutz (Schutz vor thermischer Überlast, Motorschutzrelais)

M1 = Drehstrom-Asynchronmotor

1. Direkter Motorstart�

2. Stern-Dreieck-Starter, die bekannteste und am meisten angewandte Startvariante�

3. Softstarter (Q2), der kontinuierliche und stufenlose Motorstart� Eine moderne, elektronische Alternative zum Stern-Dreieck-Starter�

4. Drehzahlstarter (T1), geführter, stufenloser Motorstart mit Nennmoment� Drehzahlstarter ermöglichen zudem eine stufenlose Drehzahlsteuerung und haben einen elektronischen Motorschutz (I2t) integriert�

5. Frequenzumrichter (T2), geführter, stufenloser Motorstart mit Nennmoment� Frequenzumrichter ermöglichen zudem eine stufenlose Drehzahlsteuerung und haben einen elektronischen Motorschutz (I2t) integriert� Je nach Ausprägung ermöglichen sie auch die genaue Drehzahlregelung (Option, Impulsgeber B1) beim sonst schlupfabhängigen Asynchronmotor�

Direktstarter

Der direkte Motorstart ist die einfachste und kostengünstigste Art für das Anlassen von Drehstrom-Asynchronmotoren� Die Statorwicklungen werden dabei in einem einzigen Schaltvorgang direkt mit dem elektrischen Netz verbunden� Der Direktstart ist am besten für Antriebe an starken Netzen geeignet, die hohe Anlaufströme (-Momente) zulassen�

L1L2L3

V1 W1U1

PE

I >I >I >

M3 ~

Abbildung 4: Motorabgang, Direktstarter, Rechtslauf, Beispiel MSC

Stern-Dreieck-Starter

Beim Stern-Dreieck-Anlauf erfolgt das Anlassen des Drehstrom-Asynchronmotors durch Umschaltung der Wicklungen� Die Brücken im Klemmkasten des Motors entfallen und alle sechs Wicklungsanschlüsse werden mit der sogenannten Stern-Dreieck-Schaltung (manuell betätigter Schalter oder automatische Schützschaltung) an Netzspannung gelegt� In der Sternschaltung reduzieren sich die Netzspannung (ULN) und der Strom an der einzelnen Motorwicklung um den Faktor 1/√3 (~0,58), was zu einer Absenkung des Anzugdrehmoments auf etwa ein Drittel der Werte bei der Dreieckschaltung reduziert� Wegen des reduzierten Anzugsmoments eignet sich die Stern-Dreieck-Schaltung für Antriebe mit kleinem oder erst mit der Drehzahl steigendem Lastmoment (ML) wie bei Pumpen und Lüftern (Ventilatoren)� Sie wird auch dort eingesetzt, wo der Antrieb erst nach dem Hochlauf belastet wird, beispielsweise bei Pressen und Zentrifugen�

L1L2L3

V1

W1

U1

W2

V2

U2

PE

I >I >I >

M3 ~

Abbildung 5: Motorabgang, Stern-Dreieck-Starter, Rechtslauf, Beispiel SDAINL

7



Softstarter

Softstarter ermöglichen einen kontinuierlichen und stoßfreien Drehmomentanstieg und bieten die Möglichkeit einer gezielten Anlaufstromreduzierung� Hierfür wird die Motorspannung innerhalb einer einstellbaren Anlaufzeit von einer gewählten Startspannung auf die Motornennspannung erhöht� Ob Anwender Druckstöße in Pumpenanlagen vermeiden, Anlaufströme bei großen Schwungmassen reduzieren oder das ruckfreie Anfahren in ihrer Förderanlage gewährleisten wollen, Softstarter bieten für viele Anwendungen eine sanfte Alternative für den ruckfreien und netzschonenden Motorstart� Energetisch ist der Softstarter annähernd vergleichbar mit einer Stern-Dreieck-Kombination, denn auch hier schalten die Geräte nach dem Start einen Bypass zu und somit die Verluste der Thyristoren ab�

L1L2L3

V1 W1U1

PE

I >I >I >

M3 ~

Abbildung 6: Motorabgang, Softstarter DS7, In-Linie-Schaltung, kombiniert mit PKZM0

Bei der Auswahl systemrelevante Faktoren berücksichtigen

Welche der drei Motorstarter-Varianten für die eigene Anwendung am geeignetsten ist, lässt sich nur nach einer eingehenden Analyse der Systemparameter (z�B� Projektspezifikationen, Lastprofil, physische Dimensionen), funktionellen Anforderungen (Stromzufuhr, Netzkapazität, Investitionskosten) und Betriebsbedingungen (Produktivität der Anlage, Prozessqualität, Betriebskosten) eindeutig feststellen�

Vor allem für Anwendungen mit fester Drehzahl stellen Motorstarter nicht nur die günstigere, sondern auch die effizientere Lösung im Vergleich zum Frequenzumrichter dar, und zwar unabhängig von der IE-Klasse des Motors (IE2/IE3/IE4)� Es ist daher immer notwendig, alle systemrelevanten Faktoren zu berücksichtigen, um die beste Automationslösung auszuwählen� Von der teilweise beschworenen „endgültigen Verbannung“ der Schütze bzw� Motorstarter aus der industriellen Automation kann jedenfalls keine Rede sein� Denn eine Kombination aus IE4-Motor und Schütz ist deutlich preiswerter als ein IE2-Gerät plus Frequenzumrichter� Außerdem wird die Mehrzahl der geregelten Antriebe weiterhin mit einem Netzschütz ausgerüstet�

Motorstarter bieten insgesamt fünf wesentliche Vorteile:

1. Die Verlustleistung ist vernachlässigbar (0,1 % Pn)

2. Vorteile bei der Auslegung des Schaltschranks (geringe Verlustleistung -> keine zusätzliche Kühlung -> Energieeinsparung)

3. Motorstarter sind einfach zu installieren, zu betreiben und zu warten

4. Robustes, sicheres und zuverlässiges Antriebssystem (u�a� keine EMV-Probleme)

5. Geringe Kosten bei Anschaffung, Aufbau, Inbetriebnahme, laufendem Betrieb und Wartung

Drehzahlstarter und Frequenzumrichter

Die Effizienzsteigerung einer Anlage stellt sich immer als eine Kombination aus der Verbesserung der Energieeffizienz der einzelnen Komponenten und einer produktübergreifenden Betrachtung des Gesamtsystems dar�

Drehzahlstarter sind eine neue Kategorie von Geräten zur Steuerung von Asynchronmotoren, die funktional zwischen den Motorstartern und den heute üblichen Frequenzumrichtern anzusiedeln sind und die die Vorteile der beiden bestehenden Kategorien (einfache Handhabung wie ein Motorstarter, variable Drehzahl wie beim Frequenzumrichter) miteinander verbinden� Sie werden für einfache Anwendungen benutzt, in denen eine variable Drehzahl gefordert, der Funktionsumfang üblicher Frequenzumrichter nicht erforderlich oder sogar zu komplex ist�

Über viele Jahrzehnte bildeten mechanische Verfahren für die Regelung des Durchflusses von Flüssigkeiten und Gasen die einzige Möglichkeit, um die Fördermenge an den Bedarf des jeweiligen Prozesses anzupassen� Dabei läuft der Motor praktisch durchgehend mit der Bemessungsdrehzahl („Nenndrehzahl“), die für die maximale Fördermenge benötigt wird� Die zur mechanischen Regelung eingesetzten Ventile und Drosseln bilden dabei Quellen von Umwandlungsverlusten, meist in Form von Wärme� Heute kann die Drehzahl des Antriebs direkt geregelt werden, sodass sich die Durchflussmenge einer Flüssigkeit oder eines Gases an den aktuellen Bedarf anpassen lässt� Trotz ihres eigenen Wärmeverlustes verbessern Drehzahlstarter und Frequenzumrichter so meist den durchschnittlichen Wirkungsgrad von Antriebssystemen über den ganzen Betriebsbereich�

PES

L1L2L3PE

I >I >I >

M3 ~

Abbildung 7: Motorabgang, Drehzahlstarter und Frequenzumrichter

8



Bei Start des Antriebs werden hohe Stromspitzen im elektrischen Netz und stoßartige Belastungen in den mechanischen Teilen von Maschine und Anlage verhindert� Neben dem kontinuierlichen Anlauf ermöglichen Drehzahlstarter und der Frequenzumrichter auch eine stufenlose Drehzahl- (Frequenz-)Steuerung des Drehstrom-Asynchronmotors� Während beim direkt am Versorgungsnetz angeschlossenen Motor die idealen Betriebsverhältnisse nur im stationären Arbeitspunkt (= Leistungsschildangaben) bestehen, können sie frequenzgeregelt im gesamten Stellbereich genutzt werden� Das konstante Verhältnis von Spannung zu Frequenz (U/f) gewährleistet dabei unabhängige Arbeitspunkte mit Nennmoment (MN)� Durch die Anpassung von Drehzahl bzw� Geschwindigkeit an den Produktionsprozess und die Kompensation äußerer Störgrößen gewährleistet die frequenzgeregelte Antriebseinheit eine höhere Lebensdauer und Funktionssicherheit�

Das Energieeinsparpotenzial hängt von folgenden Faktoren ab: Art der anzutreibenden Last, Grad der Optimierung des Wirkungsgrades der Arbeitsmaschine durch Drehzahlstarter und Frequenzumrichter sowie Zeit, in der das Gesamtsystem im Teillastbetrieb arbeitet� Besonders effektiv sind sie bei Anwendungen mit wechselnder Last bzw� variabler Drehzahl�

Grundsätzlich werden die Kennlinien für Motor und Arbeitsmaschine (z� B� Pumpe) als Zusammenspiel aus Drehzahl oder Drehmoment und Leistung angegeben� Für die Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern sind besonders jene Maschinen und Anlagen interessant, bei denen der Zusammenhang zwischen Drehzahl (n) und Drehmoment (M) quadratisch ist und damit die Leistung P in deutlich mehr als linearem Zusammenhang steht� Dazu zählen unter anderem Anwendungen wie Kreiselpumpen und Ventilatoren� In der Antriebstechnik bezeichnet man diese als Strömungsmaschinen� Der entscheidende Faktor für die Energieeinsparung ist hier der kubische Zusammenhang zwischen Drehzahl und Leistung (P proportional n), der dazu führt, dass beispielsweise eine Pumpe, die mit 50 % der maximalen Drehzahl läuft, nur 1/8 der bei voller Drehzahl benötigten Leistung erfordert� Das bedeutet: Bereits eine kleine Verringerung der Drehzahl führt zu großen Einsparungen� So ergibt eine Drehzahlverringerung um 20 % bereits eine Ersparnis von 50 %, da die Leistungsaufnahme des Motors genau an den tatsächlichen Bedarf des Prozesses angepasst wird�

Einsparungen durch Drehzahlregelung – ein Beispiel

Auf den ersten Blick erscheinen Drehzahlstarter und der Frequenzumrichter als teuerste Variante zur Drehzahlregelung von Asynchronmotoren� Höhere Anschaffungskosten im Vergleich zu Motorstartern und zusätzlich erforderliche Installationsmaßnahmen sind Ursachen hierfür� Doch spätestens im Betrieb bietet der sanfte Motorstart neben Energieeffizienz und Prozessoptimierung auch wirtschaftliche Vorteile�

Durchfluss (Fördervolumen, in %)

Frequenzumrichter

Leis

tun

gsa

ufn

ahm

e (%

)

Drossel-vorrichtung

Energie-einsparungen

100

80

60

40

20

00 20 40 60 80 100

Abbildung 8: Die obere Kurve zeigt den Energieverbrauch bei Verwendung einer Drosselvorrichtung und in der unteren Kurve den Energieverbrauch bei Verwendung eines Frequenzumrichters� Durch die variable Drehzahl sind Strömung und Energieverbrauch im System geringer� Die gesparte Energie wird durch die grün eingefärbte Fläche dargestellt�

In einem Pumpensystem wird eine variable Fördermenge benötigt� Das Verändern der Fördermenge kann erreicht werden durch: die Verwendung eines Motors mit konstanter Drehzahl und einem Drosselventil zur Einstellung der Fördermenge oder durch Verwendung eines geregelten Antriebs, der die Pumpendrehzahl den Erfordernissen anpasst�

Bei der Steuerung der Pumpe durch eine Drossel ergeben sich dadurch hohe Verluste, was in einem schlechten Wirkungsgrad des Gesamtsystems resultiert� Durch lastorientierte Drehzahlregelung lassen sich diese Verluste deutlich reduzieren, was zu hohen Energieeinsparungen und damit zu einer signifikanten Reduktion der Betriebskosten führt�

Mehrmotorenantriebe – geregelte und ungeregelte Antriebe kombinieren

Insbesondere im Bereich der Pumpen und Lüfter kommen auch Mehrmotorenantriebe als Möglichkeit zur Energieeinsparung zum Einsatz� Deren Grundidee besteht darin, im Teillastbetrieb gerin-gere Verluste im System zu haben� Dabei wird zunächst ein erster Motor gestartet� Wenn er nicht in der Lage ist, den erforderlichen Druck aufzubringen bzw� die erforderliche Menge zu fördern, dann wird ein weiterer Motor hinzugeschaltet – so lässt sich der Druck stufenweise erhöhen, wobei für jede Druckstufe ein weiterer Motor hinzugeschaltet (oder bei abnehmendem Druckbedarf ausgeschaltet) wird�

Dabei kann die Ansteuerung der verschiedenen Motoren durchaus unterschiedlich aussehen: In Druckerhöhungssystemen sorgen Multipump-Lösungen für einen besseren Wirkungsgrad, da die einzelnen Pumpen im optimalen Betriebspunkt arbeiten� Wird dabei nur eine Pumpe mit geregelter Drehzahl betrieben, kann insbesondere im Teillastbereich sehr genau der erforderliche Druck erzeugt werden� Steigt der Bedarf, werden zusätzliche Pumpen über Motorstarter zugeschaltet – sie arbeiten dann mit einer festen Drehzahl� So lässt sich ein System mit hoher Energie- und Kosteneffizienz realisieren, das gleichzeitig eine optimale Funktionalität bietet�

Umrichter Umrichter Motorstarter Motorstarter

M

1 2 3 ...

M M M

n = var n = var n = konstant

Abbildung 9: Statt den gesamten erforderlichen Druckbereich mit nur einem drehzahlgeregelten Antrieb abzudecken, können gerade bei Pumpen und Lüftern auch Mehrmotorenantriebe zum Einsatz kommen� Sie ermöglichen gerade im Teillastbetrieb geringere Verluste�

9



Abbildung 10: Inrush-Strom tritt in der ersten und zweiten Halbwelle nach dem Einschalten eines IE3-/IE4-Motors auf und kann bis zu 50 % höher ausfallen als der eigentliche Nennstrom� Dies zeigen Messergebnisse, Versuche und Erfahrungen von Eaton mit IE3-Motoren�

Einschaltspitzenstrom – abhängig von der Bemessungsleistung - bei IE3-Motoren zwischen 20 und 50 % höher sein, bei IE4-Motoren sogar noch höher� Auch der anschließende Anlaufstrom fällt bei den IE3-Motoren deutlich höher aus – das Anlaufstromverhältnis (Anlaufstrom/Nennstrom) erhöht sich bei Motoren mit einer Leistung von weniger als < 3 kW bis zu 35 % und bei Motoren mittlerer Größe um bis zu 15 % und bei Motoren mit mehr als 75 kW um weniger als 7 %� Auch hier gilt, dass IE4-Motoren noch einmal ein deutlich höheres Anlaufstromverhältnis haben� Erst nach dem Abklingen von Inrush- und Anlaufstrom wird dann der niedrigere Nennstrom erreicht� Die Ströme sind abhängig von der Konstruktion des Motors, den Netzverhältnissen (zum Beispiel von der Spannungsstabilität der Stromversorgung), der Länge der Motorzuleitungen sowie der Einschaltphasenlage�

Schaltgeräte, die zusammen mit IE3- und IE4-Motoren eingesetzt werden, müssen sowohl die höheren Anlauf- als auch Inrush-Ströme sicher beherrschen� Dazu gehört auch, dass die Motorenabsicherung zwischen dem Inrush-Strom des Motors und einem Störfall (z� B� einem Kurzschluss) unterscheiden können muss� Eine wichtige Rolle spielt das Verhältnis zwischen dem Inrush-Strom und dem Effektivwert des Volllaststroms des Motors, weil es mit dem Ansprechwert des Kurzschlussauslösers der Motorschutzschalter in Beziehung steht� Nur wenn der Strom der Kurzschlussauslösung über dem Verhältnis zwischen dem Spitzenwert des Einschaltstroms und dem Effektivwert des Volllaststroms des IE3- bzw� IE4-Motors liegt, findet beim Anschalten des Motors kein unerwünschtes Auslösen statt�

Moderne Programme zur Dimensionierung von Niederspannungsnetzen helfen bei der richtigen Auswahl der Schutzkomponenten� Das Programm xSpider von Eaton zum Beispiel berücksichtigt bei der Berechnung des Kurzschlussstroms auch den Einfluss der Motoren�

Auch bei Motorstartern und Softstartern sollte darauf geachtet werden, dass sie für den Betrieb mit energieeffizienten Motoren zugelassen sind� Denn sind die Leistungsschütze nicht für IE3- bzw� IE4-Motoren geeignet, verursachen die erhöhten Anlaufströme einen schnelleren Verschleiß des Kontaktapparates und dadurch ein schnelleres Verschweißen der Kontakte� Bei Anwendungen mit häufigeren Schaltvorgängen kann es so zu Prozessstillständen kommen�

Gleiches gilt für Motorschutzschalter oder Motorstarter-Kombinationen� Auch diese müssen für einen Betrieb mit erhöhten Anlaufströmen ausgelegt sein, damit diese zu keiner Fehlauslösung und schnellerem Verschleiß führen� Ein erhöhter Wartungsaufwand muss dann nicht befürchtet werden�

Motorstarter von Eaton erfüllen die aktuellen IEC / EN Normen der 60947-x Serie und werden auch zukünftigen Normen entsprechen�

Eaton Motorstarter sind bis zu 15-fachem Einschaltstrom getestet, sobald die Anlaufströme für den Betrieb von IE4-Motoren innerhalb dieser Grenzen liegen, werden sie von Eaton-Motorstartern beherrscht�

Anlaufstrom Ia (effektiv) 121 A

Anlauf mit 80% Last

E-Motor (Beispiel 1), 4pol., IE3, 5,5kW Ie=12A

Betriebsstrom I (effektiv) 9,7A

Betrieb

Strom L1

Anlauf 575 ms

Faktor Ia/ INenn ca. 10

Anlaufstrom Ia (Spitzenwert) 196A

Inrush Peak 239A

Strom / A

Zeit / s0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 0,55 0,65 0,75

250

200

150

100

50

0

-50

-100

-150

-200

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IV. Auswirkungen IE3/IE4 auf System-Komponenten

Um die Energieeffizienzanforderungen der IEC 60034-30-1 zu erfüllen, haben die Motorenhersteller ihre Motorkonzepte und Konstruktionen angepasst� Um die höheren Wirkungsgrade zu erzielen, werden unter anderem Statoren mit höherer Kupfermasse eingesetzt, Eisenkerne mit dünneren Siliziumblechen und einem höheren Siliziumgehalt verwendet, die Luftspalte optimiert, mehr Leitermaterial am Rotor genutzt und die Kühlsysteme verbessert� Durch diese Änderungen haben IE3- und IE4-Motoren eine höhere Induktivität und geringere Kupferverluste, sodass die Anlaufströme höher sind als die der Standardmotoren IE1 und IE2�

Bei der Betrachtung der Anlaufphase von IE3- und IE4-Motoren sind zwei Stromarten zu unterscheiden: Der Inrush-Strom tritt nur in der ersten und zweiten Halbwelle nach dem Einschalten des Motors auf� Im Vergleich zu einem IE1-Motor kann dieser

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Abbildung 11: Eaton stellt seinen Kunden die Informationen bezüglich der Verluste in den Arbeitspunkten zur Verfügung, um die Berechnung der Komponenten bzw� des Gesamtsystems zu ermöglichen�

V. Das Gesamtsystem im Blick

Um eine größtmögliche Energieeffizienz zu erzielen, ist beim Einsatz eines drehzahlgeregelten Antriebs eine Betrachtung des gesamten Antriebssystems erforderlich� Nur durch die Abstimmung der Komponenten Motor und Frequenzumrichter kann das volle Optimierungspotenzial für das gesamte Antriebssystem erreicht werden� Dabei reicht es nicht, einfach die IE-Klasse des Motors und die IE-Klasse des Frequenzumrichters zu kombinieren, um die entsprechende IES-Klasse zu erhalten, sondern die Verluste eines Antriebssystems werden mithilfe der EN 50598-2 berechnet und darauf basierend die Effizienzklasse bestimmt�

Bei der Beurteilung der Energieeffizienz muss dazu berücksichtigt werden, dass die Verluste innerhalb eines Systems davon abhängen, wie lange man die Anwendung in welchem Arbeitspunkt betreibt� Die EN 50598-2 / EN 61800-9-2 definiert acht Arbeitspunkte, für die die Verlustleistung der jeweiligen Systemkomponenten anzugeben sind und ermöglicht damit die Beurteilung des Systems�

Bei der Planung des Systems bestehen nun mehrere Möglichkeiten, die Verluste bzw� die Effizienz des Systems in den tatsächlichen Arbeitspunkten zu ermitteln:• Die Verluste werden an den tatsächlichen Arbeitspunkten ermit-

telt und gehen in die Berechnung ein�• Es werden die Angaben der Hersteller der Systemkomponenten

genutzt und zwischen den einzelnen Arbeitspunkten interpoliert�• Es werden die Verluste genommen, die für den nächsthöheren

Arbeitspunkt angegeben sind und man erspart sich somit die Rechnung�

Bei der Ermittlung der Effizienz des Systems muss zusätzlich eine zeitliche Bewertung an den Arbeitspunkten berücksichtigt werden� Diese Vorgehensweise ist ein Kompromiss zwischen „akademisch richtig“ und dem zu treibenden zeitlichen Aufwand für die Berechnung und bietet zumindest für Strömungsmaschinen (Pumpen, Lüfter), die das meiste Einsparungspotenzial haben, eine hinreichende Genauigkeit�

Wie im Detail die Berechnung von verschiedenen Motoren-Umrichter-Kombinationen gemäß der Norm EN 50598-2 (IEC 61800-9-2) funktioniert, kann mithilfe einer Web-Applikation nachvollzogen werden:

www�power-drive-system�com

Mit verschiedenen Herstellerdaten können die Verluste des Power-Drive-Systems in den Teillastpunkten wie auch die entsprechende IES-Klasse des Systems ermittelt werden� Allerdings handelt es sich bei der Web-Applikation um ein neutrales Berechnungstool

des ZVEI� Es ist kein Projektierungstool und kann die Messungen in einem konkreten System nicht ersetzen�

Um die höchste Energieeinsparung in einer Anwendung zu erreichen, sollten neben dem Antriebssystem auf jeden Fall auch die mechanischen Teile des Systems betrachtet werden� Denn laut ZVEI lässt sich im Antriebssystem ungefähr 10 % des erreichbaren Einsparpotenzials durch die Verwendung effizienter Motoren erzielen� Der drehzahlgeregelte Betrieb ergibt ein Einsparpotenzial von rund 30 %� Das größte Potenzial von circa 60 % liegt aber in der Optimierung des gesamten Systems� Dazu gehören zum Beispiel optimierte Rohrleitungsführung bei Umbauarbeiten oder auch die Nutzung von Softwarefunktionen in modernen Frequenzumrichtern�

VI. Basis für das Energiemanagement schaffen

Ein wichtiger Faktor zur Steigerung der Energieeffizienz im Unternehmen ist – neben energieeffizienten Komponenten und Systemen – die Einrichtung eines Energiemanagementsystems nach ISO 50001� Erst damit können Unternehmen Systeme und Prozesse realisieren, mit denen der Energieverbrauch – bei gleicher oder sogar gesteigerter Leistung – kontinuierlich verbessert und so die Energieeffizienz und Energienutzung optimiert und die Kosten gesenkt werden können� Ein wesentliches Element eines derartigen Energiemanagementsystems ist die detaillierte Erfassung des Energieverbrauches im gesamten Unternehmen� Statt hierfür eine Anlage aufwändig mit separaten Messgeräten nach- bzw� auszurüsten, lässt sich eine Energiemessung auch mit modernen digitalen Leistungsschaltern wie dem NZM von Eaton realisieren: Sie können Strom und Spannung mit einer geringen Messungenauigkeit von 0,5 Prozent messen� Damit entsprechen die daraus errechneten Werte für Leistung und Energie der Klasse 1 nach der IEC 61557-12, wie sie laut der Norm auch für Strommessgeräte gilt� Ausgerüstet mit einer Kommunikationsschnittstelle, stellen sie damit wichtige Informationen für ein Energiemanagementsystem zur Verfügung�

VII. In Zukunft: Öko-Label

Aktuell fallen Elektromotoren bzw� elektrische Antriebe nur unter die Öko-Design-Verordnungen der Europäischen Union� Doch es wird bereits darüber nachgedacht, für Elektromotoren auch ein Energielabel einzuführen, wie man es zum Beispiel heute schon von Kühlschränken, Fernsehern oder Staubsaugern kennt� Dabei soll das Öko-Label mehr als zum Beispiel das bereits seit dem Jahr 2008 in China eingeführte Energiekennzeichen umfassen: Neben dem Energieverbrauch könnten zum Beispiel auch Aspekte der Ressourceneffizienz einfließen, wie z� B� die Langlebigkeit,

Motorsystem

Erweitertes Produkt

Motor

Antriebssystem (PDS)

Vollständiges Antriebsgerät (CDM) Angetriebene Einrichtung

Antriebs- grund-modul (BDM)

Einspeise- abschnitt

Netz und Zuleitung

Hilfsein-richtungen

Hilfsein-richtungen

Motorstarter

Schalter, Sanftanläufer etc�

Motorsteuereinrichtung = CDM oder Starter

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Reparierbarkeit sowie die Recyclingfähigkeit und der Gehalt an recyceltem Material�

VIII. So steigern Sie erfolgreich die Energieeffizienz in der Antriebstechnik

Auch wenn die neuen Regelungen für IE3- und IE4-Motoren teils erst in 2023 zum Tragen kommen, sollte schon heute bei der Anschaffung neuer Motoren geprüft werden, ob nicht der Einsatz von IE3- oder IE4-Motoren möglich ist� Denn so wird nicht nur der Energieverbrauch gesenkt, sondern es wird auch sichergestellt, dass die Maschine bzw� Anlage auch zukünftig normen-konform ist�• Bevor eine Steuerungsart für einen Antrieb ausgewählt wird,

sollte immer zunächst eine Systemanalyse durchgeführt werden� Zu berücksichtigende Aspekte sind hierbei zum Beispiel die gewünschten Funktionen, die Anlagenverfügbarkeit, die Wartungsfreundlichkeit sowie die Lebenszykluskosten�

• Drehzahlveränderbare Antriebe sollten nur dann zum Einsatz kommen, wenn sie tatsächlich einen Mehrwert bieten (z� B� über ihre Funktionalitäten) oder signifikant Energie einsparen�

• In vielen Anwendungen sind Motorstarter nach wie vor die effi-zienteste Lösung� Der Energieverbrauch des Gesamtsystems sollte dabei immer im Fokus sein� Motorstarter sind vor allem für Festdrehzahlanwendungen prädestiniert�

• Die Evaluierung und Auslegung eines energieeffizienten Antriebs erfordert immer einen gewissen Aufwand und Engineering-Know-how� Hersteller von Motoren und Ansteuerungen können hierbei helfen: Die Experten von Eaton helfen bei der Auswahl des richtigen Antriebskonzepts für spezi-fische Anwendungen�

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Wir setzen um, was wirklich zählt�*

*Wir bei Eaton glauben, dass Energie ein wesentlicher Bestandteil all dessen ist, was Menschen tun� Technologie, Transport, Energie und Infrastruktur – All dies sind Dinge, auf die sich die Welt jeden Tag stützt� Deshalb arbeiten wir bei Eaton engagiert daran, unseren Kunden bei der Erschließung neuer Wege zu effizienterem, sichererem und nachhaltigerem Management elektrischer, hydraulischer und mechanischer Energie zu helfen� Dies tun wir, um das Leben der Menschen, die Gemeinschaften, in denen wir leben und arbeiten, und den Planeten, von dem künftige Generationen abhängen, zu verbessern� Denn das ist es, was wirklich zählt� Und wir sind hier, um sicherzustellen, dass es umgesetzt wird�

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Energieeffizienz in der Antriebstechnik erfolgreich steigern