Energieeffizienz

Neue Normen auch für Effizienzklassen für Frequenzumrichter und Antriebssysteme

| Autor / Redakteur: Peter F. Brosch* / Reinhard Kluger

Der IE4-Motor SuPremE von Reel stimmt mit IEC/CD 60034-30 Ed.2 überein.
Der IE4-Motor SuPremE von Reel stimmt mit IEC/CD 60034-30 Ed.2 überein. (Reel)

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Die europäische Union fordert mit der ErP-Richtlinie, dass alle Produkte, die in nennenswertem Umfang elektrische Energie umsetzen, bezüglich ihres Wirkungsgrades beziehungsweise ihrer Verluste bewertet werden. Nach den Elektromotoren werden nun auch die Stromrichter und der gesamte Antrieb erfasst. Hierfür sind neue Normen in Arbeit, deren Bearbeitung schon weit fortgeschritten ist.

Der grundlegende Ansatz zum Erfassen von Stromrichtern und der kompletten Elektroantriebe im Sinne der ErP-Richtlinie ist der sogenannte „erweiterte Produktansatz“, der die Antriebseinheit als Ganzes betrachtet, mit dem Ziel, dem Anwender die Auswahl eines optimierten Antriebssystems zu ermöglichen.

In Rahmen der Zuständigkeit der EU, werden in diesem Zusammenhang drei Normen für das Gebiet der drehzahlvariablen elektrischen Antriebe erarbeitet. Die Normteile definieren sowohl für die elektronischen Stellglieder – Steller und Frequenzumrichter - als auch für das Antriebssystem spezifische Effizienzklassen, die die Bewertung für den Interessenten „einfach“ vergleichbar machen sollen [1, 2]. Dies gelingt nur, wenn alle Beteiligten im Vorfeld die aufwändigen Berechnungen sachgerecht durchführen und sich korrekt an die Norm halten. Bei allen auf den Markt gebrachten Geräten sind die Gesamtverluste an den definierten acht normativen Betriebspunkten der Geräteausgangskennlinie in der Dokumentation aufzuführen.

Tabelle 1: Ökodesign für Antriebssysteme, Motorstarter, Leistungselektronik und deren angetriebene Einrichtungen.
Tabelle 1: Ökodesign für Antriebssysteme, Motorstarter, Leistungselektronik und deren angetriebene Einrichtungen. (Brosch)

Entwicklung beim Gesamtsystem

Ein modernes Antriebssystem (PDS, Power Drive System) für den drehzahlvariablen Betrieb besteht meist aus einem Frequenzumrichter und einem Elektromotor. Die Energie fließt vorwiegend vom Netz zum Motor und dann gewandelt zum Prozess. Auf diesem Wege und bei der Wandlung von elektrischer in mechanische Energie entstehen in den einzelnen Komponenten Verluste, die vom jeweiligen Betriebspunkt – definiert durch

Bild 1: Antriebssystem (PDS) für drehzahlvariablen Betrieb mit Frequenzumrichter (CDM).
Bild 1: Antriebssystem (PDS) für drehzahlvariablen Betrieb mit Frequenzumrichter (CDM). (Brosch)

Drehzahl und Drehmoment - abhängen. Praktisch sind unendlich viele Betriebspunkte möglich. Um jedoch den Messaufwand für die Verlustbestimmung zu begrenzen, definiert man in der Drehzahl-Drehmoment-Ebene lediglich acht Betriebspunkte, in denen die Verluste zu bestimmen sind. Falls notwendig, kann man die Verluste an anderen Betriebspunkten im Quadranten durch Inter- beziehungsweise Extrapolation aus den definierten Betriebspunkten ermitteln. Zur Optimierung ist das ganze Antriebssystem (EP, Extended Product) mit seinen Komponenten mit ihrem Zusammenspiel zu betrachten [1, 2].

Normative Betriebspunkte

Um die Ergebnisse vergleichbar zu machen, werden statt der absoluten Werte, jeweils die auf einen Bemessungswert bezogenen relativen Werte erfasst. Bezogene Werte bieten den Vorteil, dass sie über verschiedene Leistungsklassen hinweg leichter vergleichbar sind. Beim Frequenzumrichter sind dies die bezogene Ausgangsfrequenz und der bezogene drehmomentbildende Strom im entsprechenden Betriebspunkt. Beim Motor sind dies die bezogene Drehzahl und das bezogene Drehmoment im betrachteten Betriebspunkt. Die entsprechenden normativen Betriebspunkte für Frequenzumrichter (CDM, Complete Drive Module) und Antrieb (PDS, Power Drive System) sind im in Bild 2 zu sehen. Der Bemessungspunkt zur Bestimmung der Verluste bei einem Frequenzumrichter wird bei einem Aussteuergrad von 90 % betrachtet. Dies soll verhindern, dass durch eine beginnende

Bild 2: Betriebspunkte für die Bestimmung der Verluste [1, 2]a: Frequenzumrichter (CDM), b: Antriebssystem (PDS).
Bild 2: Betriebspunkte für die Bestimmung der Verluste [1, 2]a: Frequenzumrichter (CDM), b: Antriebssystem (PDS). (Brosch)

Übermodulation im Bezugspunkt modulationsbedingte Schalthandlungen ausgelassen werden. Sonst stimmen die normativen Betriebspunkte des Frequenzumrichters mit denen des Antriebssystems überein. Der Betriebspunkt 0,0 erfasst die Stand-by-Verluste des Systems.

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