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Drehzahlregelungen für IE4-Motoren

Morgen Pflicht, heute schon lohnend
Eaton liefert Drehzahlregelungen für IE4-Motoren

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Mit dem Update der EU-Verordnung 640/2009 zur umweltgerechten Gestaltung von Elektromotoren steht fest, wo und wann IE3- und IE4-Motoren Pflicht sind. Zudem werden auch Drehzahlregelungen berücksichtigt. Das Beispiel des Zweckverbands Stauden-Wasserversorgung zeigt, dass es sich aber auch schon heute lohnen kann, in ein Gesamtsystem aus IE4-Motor und Frequenzumrichter zu investieren.

Roland Weber, Elektromeister, Application Support Drives and Softstarter, bei Eaton Industries in Bonn

Inhaltsverzeichnis

1. Eine Anwendung, die sich rechnet
2. Einsatz drehzahlgeregelter IE4-Motoren
3. FUs für energieeffiziente Anwendungen
4. Energie sparen und Kosten senken

Mit dem Lot 30 „Ecodesign Requirements for Motors and variable speed drives”, das die Forderungen der (EG) 640/2009 ergänzt, rückt der verpflichtende Einsatz von IE3- und IE4-Motoren jetzt in greifbare Nähe: Ab Juli 2021 muss die Energieeffizienz von Drehstrommotoren dem Wirkungsgrad IE3 entsprechen, sofern diese eine Nennleistung von gleich oder über 0,75 Kilowatt und gleich oder unter 1.000 Kilowatt 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 und 0,75 Kilowatt mindestens dem Wirkungsgrad IE2 entsprechen. In einer zweiten Stufe muss ab Juli 2023 die Energieeffizienz von 2-, 4- oder 6-poligen Drehstrommotoren mit 75 und 200 Kilowatt, die keine Bremsmotoren, Ex-eb-Motoren mit erhöhter Sicherheit oder andere explosionsgeschützte Motoren sind, mindestens dem Wirkungsgrad IE4 entsprechen.

Mit dem Update der (EG) 640/2009 hat sich dabei der Anwendungsbereich der Verordnung erweitert. Er erfasst zukünftig für den direkten Netzbetrieb bestimmte Induktionsmotoren ohne Kohlebürsten, Kommutatoren, Schleifringe und elektrische Rotoranschlüsse, die wie bisher für den Betrieb bei einer sinusförmigen Spannung mit einer Frequenz von 50 Hertz, 60 Hertz oder 50/60 Hertz 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 bis zu 1.000 Volt. Deutlich erweitert wurde dagegen der Bereich der Ausgangsleistung: Galt die Verordnung bisher nur für Motoren mit einer Nennausgangsleistung PN zwischen 0,75 und 375 Kilowatt, so umfasst die Regelung nach dem Update nun Motoren mit einer Nennausgangsleistung zwischen 0,12 und 1.000 Kilowatt. Der Anwendungsbereich der neuen Verordnung umfasst zudem nur Motoren, die für den Dauerbetrieb ausgelegt sind und zwar die Betriebsklassen S1, S3 = 80 Prozent und S6 = Prozent gemäß IEC 60034-1:2017. Die Verordnung erfasst zudem erstmals auch Drehzahlregelungen mit Dreiphasen-Eingang und solche, die für den Betrieb mit einem Elektromotor ausgelegt sind, der sich innerhalb des Geltungsbereichs befindet.

Eine Anwendung, die sich rechnet

Auch wenn die Ergänzungen der (EG) 640/2009 den Einsatz von IE3- und IE4-Motoren erst ab 2021 beziehungsweise 2023 fordern, so kann es sich bereits heute lohnen, in diese Energiespar-Technologien zu investieren. Das zeigt unter anderem das Beispiel des Zweckverbands Stauden-Wasserversorgung. In dessen Pumpenhaus wurden bis dato zwischen 2 und 2,5 Millionen Kilowattstunden Energie verbraucht, um die angeschlossenen 37.000 Einwohner mit rund 2,4 Millionen Kubikmeter naturreinem Trinkwasser pro Jahr zu versorgen. Ein immenser Kostenfaktor für den Zweckverband. Ein Großteil des Stroms wurde für den Antrieb der drei Reinwasser-Pumpen benötigt.

Der Antrieb der Pumpen erfolgte über konventionelle Elektromotoren mit je 55 Kilowatt Leistung, die über Motorstarter geschaltet wurden. Die Fördermenge des Systems wurde stufenweise erhöht, indem eine, zwei oder drei Pumpen zugeschaltet wurden. Energetisch besonders ungünstig war, dass mit dieser Antriebstechnik die Pumpen nicht am optimalen Arbeitspunkt, sprich energieeffizientesten Punkt, betrieben werden konnten, da die Drehzahl der Pumpen sich nicht verändern ließ – die Pumpen liefen entweder gar nicht oder mit voller Leistung.

Der Zweckverband entschloss sich daher, 2018 eine umfassende Modernisierung des Maschinenhauses durchzuführen, mit dem Ziel, die Gesamt-Lebenszykluskosten der Anlage zu senken. Im Fokus stand dabei vor allem die Verbesserung der Energieeffizienz. Den Auftrag dazu erhielt die Aquatech AG im bayerischen Regen.

Einsatz drehzahlgeregelter IE4-Motoren

Die Experten von Aquatech ersetzten in einem ersten Schritt die konventionellen Elektromotoren durch besonders energieeffiziente IE4-Motoren. Außerdem entschieden die Fachleute von Aquatech, die Motorstarter gegen Frequenzumrichter zu tauschen, um einen drehzahlgesteuerten Betrieb zu realisieren. Damit können die Pumpen immer am optimalen Arbeitspunkt betrieben werden.

Bei der Realisierung eines drehzahlgesteuerten IE4-Motors ist allerdings wichtig, dass nur Frequenzumrichter eingesetzt werden, die für den Betrieb an hocheffizienten Motoren ausgelegt sind. Sie verfügen über speziell auf die jeweilige Motortechnologie angepasste Regelalgorithmen, die nicht nur die Effizienzvorteile der einzelnen Technologien sichern, sondern auch nötig sind, um einen zuverlässigen Betrieb des Antriebs zu gewährleisten. 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.

Sind die Frequenzumrichter nicht für IE4-Motoren geeignet, kann das verschiedene Auswirkungen haben: Im Extremfall läuft der Motor erst gar nicht an. 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 der Betrieb in jedem Arbeitspunkt auch bei wechselnden Lasten optimiert werden.

FUs für energieeffiziente Anwendungen

Aquatech entschied sich daher für den Frequenzumrichter PowerXL DG1 von Eaton. Die Geräte sind für die Motorsteuerung bis zur höchsten Effizienzklasse IE4 konzipiert und können dabei Standard-Induktionsmotoren, Drehstrom-Asynchronmotoren, Permanentmagnetmotoren, bürstenlose Gleichstrommotoren sowie Synchron-Reluktanzmotoren steuern. Drehzahlstarter und Frequenzumrichter von Eaton entsprechen 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. Dank eines besonderen Verfahrens zur Optimierung des Wirkungsgrades verbraucht der DG1 im Vergleich zu anderen Frequenzumrichtern für den Antrieb von Motoren zwischen zwei bis zehn Prozent weniger Energie. Darüber hinaus bietet der DG1 ein All-Inclusive-Paket. So verfügt der robuste und einfach zu bedienende Frequenzumrichter zum Beispiel über einen internen EMV-Filter nach C2 für den Anschluss an das öffentliche Netz, ist standardmäßig für nahezu alle Applikationen gerüstet und steht auch in einer Variante mit IP54 zur Verfügung. Damit konnte Aquatech den Frequenzumrichter direkt im Pumpenraum platzieren – ohne Schaltschrank. So ist auch kein zusätzliches Kühlsystem für den Frequenzumrichter nötig.

Energie sparen und Kosten senken

Durch die Kombination des DG1-Umrichters mit den IE4-Motoren können die Pumpen jetzt drehzahlgeregelt arbeiten. Das schont die Anlagentechnik, da Spannungsspitzen oder Druckstöße wie beim alten System nicht mehr entstehen, und die Instandhaltungskosten konnten deutlich gesenkt werden. Vor allem aber können die Pumpen jetzt immer am optimalen Arbeitspunkt bei 42 bis 53 Hertz betrieben werden. Insgesamt konnte der Zweckverband Stauden-Wasserversorgung durch das Zusammenspiel der IE4-Motoren mit den DG1-Umrichtern die Energiekosten um rund 15 Prozent reduzieren. Das zeigt: Auch, wenn die entsprechenden Normen IE4-Antriebe erst in den nächsten Jahren fordern, kann es sich bereits heute lohnen, auf hocheffiziente Antriebe zu setzen. (ge)


Detaillierte Informationen

kommen nach

Kontakt:

Eaton Electric GmbH
Hein-Moeller-Str. 7-11
53115 Bonn
Tel.: +49 228 602 5600
Website: www.eaton.de


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