Antriebssystem Maximale Effizienz: Wissen, welche Ansteuerung sich lohnt

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Die EU-Verordnung 640/2009 zur umweltgerechten Gestaltung von Elektromotoren hat ein Update erfahren. Für eine maximale Effizienz kommt es aber nicht nur auf den Motor an, sondern auch auf die Ansteuerung. Eine genaue Analyse des Antriebssystems ist hierfür erforderlich. Erfahren Sie, welche Kombination sich lohnt.

Anfang 2019 haben die EU-Mitgliedstaaten den neuen Entwurf für die (EG) 640/2009 angenommen. In der Nachfolgestudie Lot 30 „Ecodesign Requirements for Motors and variable speed drives“ wird der Geltungsbereich hinsichtlich der Leistungsbereiche sowie Typen von Elektromotoren erweitert.

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Während in der vorherigen Verordnung der Einsatz von Drehzahlregelungen in Kombination mit IE2-Motoren als Alternative zu IE3-Motoren erwähnt wurden, fordert Lot 30 erstmals konkrete Energieeffizienz-Klassen für Drehzahlregelungen in bestimmten Bereichen. Diese Vorgaben gelten für Drehzahlregelungen im Spannungsbereich von über 100 V bis 1.000 V AC, mit Dreiphasen-Eingang und nur einem AC-Spannungsausgang. Sie müssen für den Betrieb mit einem Elektromotor ausgelegt sein, der sich innerhalb des Geltungsbereichs befindet und eine Nennausgangsleistung zwischen 0,12 kW bis 1000 kW hat.

Die in Lot 30 definierte Erweiterung der (EG) 640/2009 legt zwei Schritte fest, in denen die Änderungen zum Tragen kommen: Ab dem 1. Juli 2021 muss die Energieeffizienz von Drehstrommotoren mindestens dem Wirkungsgrad IE3 entsprechen, sofern diese eine Nennleistung von gleich oder über 0,75 kW und gleich oder unter 1.000 kW haben, über 2, 4, 6 oder 8 Pole verfügen und keine Ex eb Hochsicherheitsmotoren sind. Gleichzeitig müssen Drehstrommotoren im Anwendungsbereich mit einer Nennleistung zwischen 0,12 kW und 0,75 kW mindestens dem Wirkungsgrad IE2 entsprechen. Zudem gilt ab diesem Datum, dass Energieeffizienzklasse IE2 für Drehzahlregelungen, die für einen Elektromotor mit einer Nennausgangsleistung von 0,12 kW bis 1000 kW bestimmt sind, der Energieeffizienzklasse IE2 entsprechen müssen.

Ab dem 1. Juli 2023 gilt dann, dass 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.

Wann Motorstarter und wann Frequenzumrichter einsetzen?

Doch alleine der Einsatz von energieeffizienten Motoren garantiert noch lange nicht einen geringeren Energieverbrauch der Anlage. Vielmehr müssen das Gesamtsystem betrachtet und die richtigen Komponenten miteinander kombiniert werden, um die gewünschte Energieersparnis tatsächlich zu realisieren. So sollten drehzahlveränderbare Antriebe nur dann zum Einsatz kommen, wenn sie tatsächlich einen Mehrwert bieten (z. B. über ihre Funktionalitäten) oder signifikant Energie einsparen (z. B. wenn überwiegend in Teillast gefahren wird). In vielen Anwendungen sind Motorstarter aber nach wie vor die effizienteste Lösung, da sie im Gegensatz zu Frequenzumrichtern praktisch keinen eigenen Energieverbrauch haben. Vor allem für Festdrehzahlanwendungen sind sie prädestiniert.

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 als Standard-Asynchronmotoren. Daher ist der Einsatz von hochwertigen Schalt- und Schutzkomponenten mit angepasstem Auslöseverhalten und auf den Motor abgestimmter Schaltleistung besonders wichtig. Auch die Motorstarter selbst müssen für den Betrieb mit erhöhten Anlaufströme ausgelegt sein, damit die Anlaufströme zu keiner Fehlauslösung und damit verbundenem schnelleren Verschleiß führen. Motorstarter von Eaton erfüllen die aktuellen IEC/EN Normen der 60947-x Serie und sind mit bis zu 15-fachen Einschaltstrom getestet. Auch IE4-Motoren, deren Anlaufströme innerhalb dieser Grenzen liegen, werden von Eaton Motorstartern sicher geschaltet.

Motorstarter bei fester Drehzahl sinnvoll

Tatsächlich arbeiten Elektromotoren bei der überwiegenden Zahl der Anwendungen 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 denen die Drehzahl fest und die Lasten variabel sind, versprechen Motorstarter die größte Energieeinsparung. Dabei zählen auch Schütze, Softstarter und Leistungsschalter zu den Motorstartern. Oberhalb eines bestimmten Lastniveaus – das stark abhängig ist von der Anwendung selbst – 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 als Standard-Asynchronmotoren. Daher ist der Einsatz von hochwertigen Schalt- und Schutzkomponenten mit angepasstem Auslöseverhalten und auf den Motor abgestimmter Schaltleistung besonders wichtig. Auch die Motorstarter selbst müssen für den Betrieb mit erhöhten Anlaufströmen ausgelegt sein, damit die Anlaufströme zu keiner Fehlauslösung und damit verbundenem schnelleren Verschleiß führen. Motorstarter von Eaton erfüllen die aktuellen IEC/EN Normen der 60947-x Serie und sind mit bis zu 15-fachem Einschaltstrom getestet. Auch IE4-Motoren, deren Anlaufströme innerhalb dieser Grenzen liegen, werden von Motorstartern sicher geschaltet.

Frequenzumrichter bei veränderlicher Drehzahl die bessere Wahl

Erfordern Anwendungen allerdings veränderliche Drehzahlen, zum Beispiel um die Fördermenge von Flüssigkeiten oder Gasen an den Bedarf des jeweiligen Prozesses anzupassen, sind drehzahlgesteuerte Antriebe in der Regel die effizientere Wahl.

Für die Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern sind besonders die Maschinen und Anlagen interessant, bei denen der Zusammenhang zwischen Drehzahl und Drehmoment quadratisch ist und damit die Leistung in deutlich mehr als linearem Zusammenhang steht. Dazu zählen unter anderem Anwendungen wie Kreiselpumpen und Ventilatoren. Der entscheidende Faktor für die Energieeinsparung ist hier der kubische Zusammenhang zwischen Drehzahl und Leistung, 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. Für den Betrieb an IE3- und IE4-Motoren sollten allerdings nur Frequenzumrichter eingesetzt werden, die auch hierfür ausgelegt sind.

Frequenzumrichter benötigen für Ansteuerung angepasste Regelalgorithmen

Gerade im Bereich der IE4-Motoren werden neben den „klassischen“ Drehstrom-Asynchron- auch Permanentmagnet- und Synchron-Reluktanz-Motoren eingesetzt. Die Frequenzumrichter benötigen entsprechend angepasste Regelalgorithmen, um diese Motortypen ansteuern zu können. Aber auch bei Drehstrom-Asynchronmotoren verändern sich mit der höheren Energieeffizienzklasse die Verhältnisse von ohmschen zu induktiven Widerständen – damit ändern sich auch die Stromvektoren. Ist der Frequenzumrichter nicht für den Betrieb von IE4-Motor geeignet, hat das verschiedene Auswirkungen: Im Extremfall läuft der Motor erst gar nicht. Oder der Motor wird nur unzureichend, sprich ineffizient, betrieben. Das äußert sich in einer entsprechenden Geräuschentwicklung – der Motor läuft hörbar unrund – und entwickelt kein Drehmoment. Dies wiederum führt zu einer hohen Stromaufnahme der Motoren – was dem Gedanken einer höheren Energieeffizienz zuwiderläuft. Es kann sogar bis zu einem Auslösen der Schutzmechanismen kommen, um Schäden an Motor und Frequenzumrichter zu vermeiden. Bei einem Drehstrom-Asynchronmotor kann zum Beispiel ein Kurzschluss detektiert werden – ohne dass tatsächlich ein Problem vorliegt. Die Folge ist ein unbeabsichtigter Stillstand des Antriebs. Erst durch das Anpassen der veränderten Widerstands-Verhältnisse und Regelverhalten der Stromvektoren kann also ein zuverlässiger Betrieb über den gesamten Drehzahlbereich sichergestellt und in jedem Betriebspunkt der Betrieb auch bei wechselnden Lasten optimiert werden.

Die Frequenzumrichter der PowerXL-Familie von Eaton sind alle für den Betrieb mit IE4-Motoren ausgelegt und können dabei Standardinduktionsmotoren, Drehstrom-Asynchronmotoren, Permanentmagnetmotoren, bürstenlose Gleichstrommotoren sowie Synchron-Reluktanzmotoren unterschiedlicher Hersteller steuern. Darüber hinaus entsprechen Eaton Drehzahlstarter und Frequenzumrichter der höchsten Effizienzklasse für CDMs (Complete Drive Modules) IE2 nach EN 50598-2 / EN 61800-9-2 und leisten damit einen wesentlichen Beitrag zur Effizienz des Gesamtsystems.

Geregelte und ungeregelte Antriebe kombinieren

Doch nicht immer muss es ein „entweder, oder“ sein: Bei Mehrmotorenanwendungen kann es durchaus sinnvoll sein, Antriebe mit Frequenzumrichter und Antriebe mit Motorstarter zu kombinieren. Mehrmotorenantriebe kommen insbesondere im Bereich von Pumpen und Lüftern als Möglichkeit zur Energieeinsparung zum Einsatz. Die Grundidee besteht darin, im Teillastbetrieb geringere 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.

Wird nun in so einem System 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, dass gleichzeitig eine optimale Funktionalität bietet. Das Ziel, eine maximale Energieeffizienz zur erreichen, erfordert eine genaue Analyse des gesamten Antriebssystems. Erst die richtige Kombination von energieeffizienten Motoren sowie entsprechend ausgelegter Motorstarter oder Frequenzumrichter ermöglicht eine energieeffiziente Lösung.

Mehr Infos rund um die Erweiterungen der (EG) 640/2009 liefert das Whitepaper „Energieeffizienz in der Antriebstechnik erfolgreich steigern“ unter: www.eaton.com/ErP

* Gerd Brenning, Engineer Norms & Standards, Eaton Industrie

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