antriebstechnik 11/2015

SPS IPC DIRVES 2015
03 Die Ökodesign-Richtlinie beschreibt im Einzelnen Frequenzumrichter
als Einzelkomponente, Antriebssysteme aus Frequenzumrichter und Motor
bzw. Motorsystem und Antriebssysteme in Verbindung mit einer Last
04 Zur Errechnung der Gesamteffizienz einer
Umrichter-Motor-Kombination müssten unterschiedliche
Effizienzklassen kombiniert werden
im Kapitel 4.2. Das bedeutet konkret: Liegen
die gemessenen Verluste bei bis zu 25 % über
oder unter dem in Teil 2 der Norm genannten
Referenzwert, ist die Effizienzklasse IE1. Sind
sie höher als 25 %, ist die Effizienzklasse IE0.
Für die höchste Effizienzklasse IE2 müssen
die Verluste dagegen um mehr als 25 % unter
dem definierten Referenzwert liegen.
Die EN 50598 verfolgt zudem den erweiterten
Produktansatz. Das bedeutet jedoch,
dass zur Errechnung der Gesamteffizienz
einer Umrichter-Motor-Kombination unterschiedliche
Effizienzklassen kombiniert
werden müssten, nämlich die des Umrichters
gemäß EN 50598 mit der des Motors
gemäß IEC 60034-30. Die EN 50598 legt die
Berechnung der Systemeffizienz deshalb
als Formel fest. Die Summe der realen Verluste
von Umrichter und Motor werden dabei
durch die Verluste des definierten Referenzsystems
geteilt. Das Ergebnis führt zur Effizienzklasse
des Gesamtsystems, die mit IES
bezeichnet wird: Liegt das Ergebnis zwischen
0,8 und 1,2 ist die mittlere Effizienzklasse
IES1 erreicht. Dies entspricht +/- 20 % Verlust
gegenüber dem definierten Referenzsystem
(entsprechend 100 % bzw. 1). Sind die Verluste
größer als 120 % (Ergebnis über 1,2),
gilt die schlechteste Effi zienzklasse IES0.
Bei Verlusten kleiner als 80 % (Ergebnis unter
0,8) greift die aktuell höchste Klasse IES2.
Die Angabe der Effizienzklasse bezieht
sich immer auf den Nennbetriebspunkt. Da
aber die Motoren und Frequenzumrichter
meist im Teillastbereich betrieben werden,
wo die Effizienz geringer ist, beschreibt die
EN 50589 u. a. einen mathematischen Ansatz,
mit dem die Verluste in jedem belie bigen Arbeitspunkt
berechnet werden können. Dazu
definiert die EN 50598 sowohl für Motoren
als auch für Frequenzumrichter (CDM) jeweils
acht Arbeitspunkte, für die die Hersteller
zukünftig die Verluste an zugeben haben.
Für den Verbraucher wird damit die Effizienz
des Motors sowie Frequenzumrichters auch
außerhalb des Nennbetriebspunktes transparent
und vergleichbar.
Die Umsetzung
Die aus der ErP-Richtlinie resultierende
Verordnung (VO 640/2009) hat dazu geführt,
dass seit 2011 nur noch Motoren der
„Effizienzklasse IE2 oder besser“ in Verkehr
gebracht werden dürfen. Seit Juli 2014 ist
für Motoren die neue Verordnung VO4/2014
gültig. Gemäß dieser Verordnung müssen
seit Anfang 2015 Motoren mit einer Nennleistung
von 7,5 kW bis 375 kW sogar der
strengeren Effizienzklasse IE3 genügen,
oder sie müssen mindestens der Klasse IE2
erfüllen und mit einem Frequenzumrichter
angesteuert werden.
Wie effizient die Motoren im Teillastbereich
sind, hängt maßgeblich von der Konstruktion
und der Topologie des Motors ab.
Hier gibt es − auch in der Effizienzklasse
IE4 − unterschiedlichste Motortypen wie
beispielsweise Permanentmagnet- oder
Reluktanzmotoren. Alle Topologien haben
unterschiedliche Eigenschaften und lassen
sich entsprechend in unterschiedlichen
Anwendungen sinnvoll einsetzen.
Starke Argumente sprechen in diesem
direkten Vergleich jedoch für Permanentmagnet-Motoren
(PM-Motoren). Der ca. 20 %
geringere Motorstrom führt zu geringeren
Verlusten im Frequenzumrichter. Desweiteren
zeichnet sich der PM-Motor gerade
im Teillastbereich durch vergleichsweise
geringe Verluste aus. Da Antriebe vielfach
im Teillastbereich betrieben werden, ergibt
sich hier ein weiterer Effizienzvorteil, der
die gegenüber einer herkömmlichen Asynchronmaschine
etwas höheren Anschaffungskosten
in den meisten Fällen bereits
innerhalb von ein bis zwei Jahren amortisiert.
Darüber hinaus ermöglicht die PM-
Topologie aufgrund der hohen Energiedichte
eine vergleichsweise kompakte und
leichte Bauweise. Dies ermöglicht wiederum
einen kompakteren Maschinen- bzw.
Anlagenbau mit entsprechenden Vorteilen
wie zum Beispiel leichtere Montage und
geringere Transportkosten.
Das hocheffiziente Gespann aus IE4-Motor
und darauf abgestimmtem Umrichter
gewährleistet niedrigste Betriebskosten.
Eine beispielhafte Berechnung zeigt den
konkreten Nutzen von IE4-Motoren: Ein
angenommener Motor läuft im Rundum-die-Uhr-Betrieb
(24/7). Ersetzt man
hier einen Frequenzumrichter geregelten
30-kW-IE2-Motor mit einem Wirkungsgrad
von ca. 90,7 % durch einen vergleichbaren,
ebenfalls Frequenzumrichter-geregelten
Motor der höheren Effizienzklasse IE4 mit
einem Wirkungsgrad von ca. 93,6 %, ergibt
sich allein dadurch eine Energieeinsparung
von 7621 kWh pro Jahr. Mit der Umrüstung
auf einen IE4-Motor und der damit verbundenen
Verbesserung des Wirkungsgrads um
2,9 % spart der Verbraucher bei einem angenommen
Preis von 12 Euro-Cent pro kWh
also rund 900 Euro pro Jahr.
Die ErP- bzw. Ökodesign-Richtlinie
(2005/32/EC und 2009/125/EG) regelt als
übergeordnete Direktive die umweltgerechte
Gestaltung energieverbrauchsrelevanter
Produkte (Energy-related Products, ErP) in
der EU. Die korrekte Umsetzung für elektrische
Antriebssysteme und Motoren
beschrei ben Normen wie die EN 50598 und
die IEC/EN 60034-30. Besondere Herausforderungen
ergeben sich zum einen aus den
partiell noch nicht abgeschlossenen Normgebungsverfahren,
zum anderen aus den
zum Teil noch nicht ausreichenden bzw.
auch oftmals verwirrenden Informationen
am Markt.
www.yaskawa.eu.com
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