Erschienen in: P&A Kompendium 2012/2013, S. 198
Antriebe & Zubehör  |  

IE3, IE4, IE5...Ein Stein kommt ins Rollen

Alternative Motoren-Techik erfüllt zukünftige Anforderungen.

Antriebe mit Elektromotoren setzen europaweit 1.360 TWh und damit rund die Hälfte der insgesamt erzeugten elektrischen Energie mit hohem Wirkungsgrad um. Ein guter Grund, über Energieeinsparansätze in diesem Bereich nachzudenken. *  Text: Prof. Dr.-Ing. Peter F. Brosch, Hochschule Hannover, Dipl.-Ing. Daniel Gontermann, KSB Bilder: KSB  

Von der EU-Kommission in Auftrag gegebene Studien haben ergeben, dass circa 90Prozent der Elektromotoren in Asynchrontechnik ausgeführt sind. Eine Technik, die sich insbesondere deshalb durchgesetzt hat, weil diese Motoren ohne jede Hilfe direkt am Netz anlaufen können und inzwischen alle Kosten senkenden Mechanismen der Massenproduktion auf sich vereinen. Vorgaben zur Mindesteffizienz ebendieser Antriebe scheinen daher die größte Wirkung erzielen zu können. Ergebnis der Vorstudien zur Schaffung von Richtlinien ist aber auch, dass nicht der Wirkungsgrad allein, sondern auch der bestimmungsgemäße und bedarfsgerechte Einsatz der Motoren über die Gesamteffizienz von Antriebssystemen entscheidet. Vorgaben, die das gesamte System berücksichtigen, sind allerdings kaum möglich, da die Komplexität steigt, je mehr man sich von einer reinen Komponentenbetrachtung entfernt. Zur Umsetzung der ErP- oder Ökodesign-Richtlinie trat am 22.07.2009 die EU-Verordnung EG640/2009 in Kraft. Gemäß dieser Verordnung dürfen seit dem 16.06.2011 Asynchronmotoren mit 0,75 bis 375kW Bemessungsleistung nur noch in Verkehr gebracht werden, wenn sie das Effizienzniveau IE2 gemäß IEC60034-30 erreichen. Ab Januar 2015 müssen Asynchronmotoren ab 7,5kW das Effizienzniveau IE3 aufweisen oder der eingesetzte IE2-Motor muss mit Drehzahlregelung über Frequenzumrichter betrieben werden. Im Januar 2017 wird der Leistungsbereich dieser Vorgabe auf 0,75 kW ausgeweitet. Die Drehzahlregelung kommt gerade deshalb als Alternative in Betracht, weil sie besonders im Teillastbetrieb einen großen Einfluss auf die Systemeffizienz hat, der deutlich größer ist, als die Optimierung der Komponente Motor allein. Wenn man bedenkt, dass der Asynchronmotor seine Stärke jedoch gerade bei Netzbetrieb hat, kann die Fortschreibung der Verordnung bis 2017 ohne andere als die Asynchrontechnik ins Spiel zu bringen sogar zu einer Effizienzbremse werden.

Der Wirkungsgrad eines Synchron-Reluktanzmotors erreicht auch bei Teillast sehr gute Werte (Bsp.: 1500 1/Min / 7,5kW), Messung: Prof. Edgar Stein, FH Kaiserslautern, 2011.
Der Wirkungsgrad eines IE3-Asynchronmotors erreicht am Nennpunkt (hier 1500 1/Min / 7,5kW) hohe Wirkungsgrade, Messung: Prof. Edgar Stein, FH Kaiserslautern, 2011.
Der Synchron-Reluktanzmotor (im IEC-Normgehäuse nach EN 50347) erlebt als IE4-Antrieb seine Renaissance.

Mehr CO 2 -Einsparungen mit Synchronmotoren

Schon heute ist bekannt, dass bei drehzahlgeregeltem Betrieb mittels Frequenzumrichtern Synchronmotoren weitaus höhere Wirkungsgrade erreichen als Asynchronmotoren. Wo immer ein Umrichter aus Anwendungssicht Sinn macht, wird die Fähigkeit des Asynchronmotors zum Direktanlauf überflüssig. Aufgrund des bei Teillastbetrieb deutlich höheren Wirkungsgrads würde eine verpflichtende Einführung von Synchronmotoren auf jeden Fall nachweislich höhere CO 2 -Einsparungen mit sich bringen als die Einführung von IE3-Asynchronmotoren. Seit Jahren kommen in Anwendungen mit bis zu etwa 10kW Bemessungsleistung auch Synchronmotoren zum Einsatz, die insbesondere bei Teillast deutlich höhere Wirkungsgrade aufweisen. Nachteil dieser Motoren ist jedoch, dass sie im Läufer Magnete mit hoher Leistungsdichte benötigen, wie zum Beispiel Permanentmagnete aus Neodym-Eisen-Bor. Obwohl die Magnetwerkstoffe zum Teil nur geringe Mengen Seltener Erden als Zusatzstoff enthalten, werden Synchronmotoren aufgrund des benötigten Materialvolumens verglichen mit der einfachen Konstruktion des Asynchronmotors ab 10kW immer unwirtschaftlicher. Hinzu kommt, dass die Skaleneffekte bei der Herstellung gegenüber Asynchronmotoren deutlich geringer sind und die Seltenen Erden, die heute unter nicht gerade umweltfreundlichen Bedingungen zu 95Prozent in China abgebaut werden, gerade in den letzen Monaten alles andere als preisstabil waren. Seit langem gibt es noch eine weitere Alternative zum Asynchronmotor: Einem gewissen J. K. Kostko wurde bereits 1923 ein Patent für einen Läufer erteilt, der sich nur über die entlang räumlicher Achsen unterschiedliche magnetische Leitfähigkeit im Ständerfeld ausrichten kann. Lange blieb dieses Motor-Konzept nur wenig genutzt, obwohl es konstruktiv bestechend einfach ist. Erst die Verfügbarkeit günstiger Frequenzumrichter zum Betrieb solcher Motoren, die höhere Bedeutung weniger Prozentpunkte im Wirkungsgrad und die Einstufung der Seltenen Erden als Kritischer Rohstoff (zuletzt im November 2011 durch eine Studie der KfW-Bank) verhelfen heute dieser Technologie zu einer Renaissance.

Synchron-Reluktanzmotor kommt nicht aus dem Rhythmus

Während die Arbeitsweise von Asynchronmotoren und Permanentmagnet-Synchronmotoren weithin bekannt ist, wird der Synchron-Reluktanzmotor (SynRM) häufig mit dem weniger effizienten und zumeist nicht ruckfrei laufenden Switched-Reluctance-Motor (SR) verwechselt. Ein Synchron-Reluktanzmotor besteht aus einem Ständer (Stator) mit dem gleichen Aufbau wie der eines handelsüblichen Asynchronmotors mit verteilten Wicklungen. Der Läufer (Rotor) ist aus Elektroblechen aufgebaut, die eine besondere Blechschnittgeometrie mit Flussleit- und Flusssperrabschnitten aufweisen. In der magnetischen Vorzugsrichtung des Blechpakets tritt ein geringer magnetischer Widerstand auf und der magnetische Fluss wird im Eisen gut geführt und bildet die Pole aus. Rechtwinklig dazu behindern Luftspalte den magnetischen Fluss. Von Vorteil für den Rundlauf des SynRM ist ein patentierter Blechschnitt. Die in den Ständernuten verteilte Wicklung erzeugt bei Speisung mit einem Drehstrom ein im Luftspalt des Motors umlaufendes Drehfeld. Bei Speisung über einen Frequenzumrichter lässt sich die Drehzahl von Null bis zur Betriebsdrehzahl hochführen und während des Betriebs verstellen. Beim Einschalten des Umrichters synchronisiert sich der Läufer, fällt „in Tritt“ und folgt synchron dem umlaufenden Drehfeld. Über eine geeignete Läuferlageregelung im Frequenzumrichter wird sichergestellt, dass insbesondere bei Lastwechseln der Motor nicht „außer Tritt“ fällt.

Synchronmotoren erzielen einen höheren Wirkungsgrad

Wer einmal angefangen hat, über die Effizienzsteigerung von Antriebslösungen nachzudenken, kommt nicht an der Frequenzumrichter- und Synchrontechnik vorbei. Bei Betrachtung des gesamten Antriebssystems sieht man sich schnell einer unbeherrschbaren Komplexität gegenübergestellt, die nicht in einer praktikablen EU-Verordnung abgebildet werden kann. So ist eine kompakte Verordnung wie die EG640/2009 unbestritten ein guter Anfang, dem Thema Effizienz in der Antriebstechnik zu begegnen. Fest steht aber, dass Synchronmotoren gerade bei Teillastbetrieb einen deutlich höheren Wirkungsgrad erzielen. In den vielen Anwendungen, in denen nicht konstant das Bemessungsmoment und die Bemessungsdrehzahl erforderlich sind, können Synchronmotoren daher auch bei heutiger Preisstellung eine interessante Option darstellen. Fakt ist auch, dass eine noch weitere Verschärfung der Mindestwirkungsgradanforderungen in Richtung IE4 oder gar IE5, wie sie die IEC60034-30 Ed.2 bereits andeutet, mit hoher Wahrscheinlichkeit einen technologischen Wandel – hin zu Synchronmotoren – nach sich ziehen wird, die idealerweise keine Magnete enthalten. Der Stein ist ins Rollen gebracht. Überall dort, wo bisher Asynchronmotoren mit Frequenzumrichtern drehzahlvariabel mit hohen Betriebsstundenzahlen laufen, sollte man an eine Umrüstung auf Reluktanz-Synchronmotoren denken. Der höhere Wirkungsgrad amortisiert den Schritt oft in weniger als zwei Jahren.☐

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