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Motorstarter und Co: Ihre Rolle für die Energieeffizienz

Mit der nächsten Phase der Motorenverordnung unter der ErP-Richtlinie die Effizienz optimieren
Motorstarter, Sanftanlasser oder Frequenzumrichter

Motorstarter und Co
Eaton-Schalt- und Schutzgeräte sind IE3-ready Hocheffiziente Motoren weisen aufgrund veränderter elektrischer Eigenschaften höhere Einschaltströme auf Bilder: Eaton Hocheffiziente Motoren weisen aufgrund veränderter elektrischer Eigenschaften höhere Einschaltströme auf Bilder: Eaton
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Motorstarter, Sanftanlasser oder Frequenzumrichter – Energieeffizienz dient als Schlagwort in Politik, Wirtschaft und der Industrie. Mit der EU-Motorenverordnung, deren zweite Stufe Anfang 2015 in Kraft getreten ist, sind auch Maschinen- und Anlagenbauer zum Umdenken aufgefordert. Vielfach konzentriert sich die Branche bisher auf elektrische Motoren, doch die Auswirkungen reichen weiter. Auch in der Schaltgerätetechnik gibt es vieles zu beachten. Welche Aufgaben über nehmen Motorstarter und Co?

Der Autor: Guido Kerzmann, Product Line Manager Drives & Softstarters bei Eaton in Bonn

Politik und Wirtschaft engagieren sich kräftig, um Energie in der Fertigung einzusparen und den CO2-Ausstoß im industriellen Sektor zu reduzieren. Elektrische Antriebe machen etwa zwei Drittel der in der industriellen Fertigung verbrauchten elektrischen Energie aus. Nach Einschätzungen des Umweltbundesamtes könnten allein in Deutschland durch effizientere Antriebstechnologien bis zum Jahr 2020 rund 27 Mrd. kWh Strom eingespart werden. Das entspricht etwa 16 Mio. t CO2-Emissionen. Diese Erkenntnisse haben dazu geführt, dass die EU Initiativen für eine umweltgerechte Gestaltung fördert. Hierzu gehört die Ökodesign-Richtlinie für energieverbrauchsrelevante Produkte – auch ErP-Richtlinie (Energy-related Products) genannt.
Sie legt die Kriterien fest, die betroffene Produkte erfüllen müssen, damit sie in Europa in Betrieb genommen werden dürfen. Die Anforderungen an die einzelnen Produktgruppen werden in Ausführungsrichtlinien definiert. Für elektrische Motoren ist die Verordnung EC 640/2009 entscheidend, die Minimaleffizienzklassen (International Efficiency/IE-Klassen) für viele Leistungsklassen von dreiphasigen Niederspannungs-Drehstrom-Asynchronmotoren vorschreibt. Diese Motorenart verursachte 2005 nahezu 90 % des Stromverbrauchs der Elektromotoren innerhalb der EU-Mitgliedstaaten.
IE3 wirft Fragen auf
Die erste Stufe der ErP-Richtlinie griff bereits Mitte 2011. Seitdem müssen neu in Verkehr gebrachte Motoren mindestens der Effizienzklasse IE2 entsprechen. Seit Anfang dieses Jahres sind Maschinen- und Anlagenbauer, die neue Motoren mit einer Nennausgangsleistung von 7,5 bis 375 kW verbauen, verpflichtet, dass diese mindestens die Effizienzklasse IE3 erreichen. Alternativ können sie IE2-Motoren einsetzen, müssen diese dann aber mit einer elektronischen Drehzahlregelung betreiben. Ab dem 1. Januar 2017 gilt die Vorgabe auch für Motoren mit Nennausgangsleistungen ab 0,75 kW. Mit diesen rechtlichen Rahmenbedingungen hat das Bewusstsein für das Thema Energieeffizienz in der Industrie bereits enorm zugenommen. Die Hersteller von elektrischen Motoren sind schon lange aktiv, um ihre Produkte in puncto Effizienz entsprechend zu steigern. Für Maschinenbauer heißt das, dass sie ihre Serienmaschinen, die bisher nicht mit IE3-Motoren oder Drehzahlregelung ausgestattet waren, nun umrüsten müssen. Doch das Thema Energieeffizienz ist komplexer und nicht einfach damit erledigt, indem sie einen IE2- durch einen IE3-Motor austauschen. Es wirft Fragen auf, wie diese: Was bedeuten die konstruktiven Änderungen an den IE3-Motoren für die Ausgestaltung von Motorschutzsystemen? Welche Auswirkungen hat die ErP-Richtlinie auf Pumpen- und Lüfteranwendungen? Welche Möglichkeiten haben Maschinen- und Anlagenbauer, um ihre Systeme möglichst effizient zu gestalten? Mit diesen Themen hat Eaton sich auseinandergesetzt.
Schaltgeräte auf IE3-Tauglichkeit prüfen
Um Elektromotoren energieeffizienter zu machen, haben Hersteller einige konstruktive Änderungen an ihren Produkten vorgenommen. Dazu gehören dickere Wicklungsdrähte im Stator sowie dickere Rotorstäbe und Kurzschlussringe, die den ohmschen Widerstand reduzieren. Eine optimierte Blechschnittgeometrie senkt die magnetischen Streuverluste. Hochwertigeres Blechmaterial verringert Hysterese-Verluste.
All diese Maßnahmen führen dazu, dass die elektrischen Eigenschaften von effizienten Motoren sich ändern. Der ohmsche Widerstand wird geringer. Infolgedessen steigen die Einschaltströme, die wiederum Auswirkungen auf die Schutz- und Schaltelemente haben. Mögliche Konsequenzen sind etwa ein ungewolltes Abschalten durch den Kurzschlussstromauslöser aufgrund des erhöhten Anlaufstroms oder das Prellen von Schützkontakten wegen höherer Stromkräfte, das zu Kontaktabbrand und damit reduzierter Lebensdauer sowie im Extremfall zum Verschweißen der Kontakte führt. Solch ein Verschmelzen der Kontakte kann gefährlich sein und kostspielige Maschinen-Stillstände sowie aufwändige Service-Arbeiten verursachen.
Aus diesem Grund treffen die in der heute gültigen Norm für Motorstarter (DIN EN 60947-4-1) angegebenen Werte in der Praxis bei der Verwendung von IE3-Motoren nicht mehr zu – an einem Normenentwurf zur Aktualisierung wird derzeit gearbeitet. Als einer der weltweit führenden Experten für das sichere Schalten, Schützen und Antreiben von Motoren hat Eaton daraufhin in Praxistests das Verhalten von Motorschutzorganen detailliert untersucht.
Im Rahmen der Studie wurden sowohl Leistungsschütze für Direktanlauf in öffentlichen und nichtöffentlichen Netzen sowie für Stern-Dreieck-Anlauf und im Zusammenwirken mit Softstartern oder Frequenzumrichtern auf IE3-Tauglichkeit mit Motoren verschiedener namhafter Hersteller überprüft. Darüber hinaus hat Eaton das Ansprechverhalten von mechanischen und elektrischen Motorschutzschaltern getestet. Das Ergebnis: Die Produkte der Serien DIL, PKZ und PKE wurden entsprechend optimiert, sie sind heute „IE3 ready“ und dementsprechend gekennzeichnet. Da eine Produktreihe sich sowohl für IE2- als auch IE3-Motoren eignet, spart der Anwender unnötigen Mehraufwand bei Projektierung und Lagerhaltung.
Hohe Effizienz für Pumpen- und Lüfteranwendungen
Die ErP-Richtlinie bedeutet aber nicht nur, dass Konstruktionen hinsichtlich der Produktauswahl angepasst werden müssen. Es geht auch darum, ganze Verfahren und Systeme zu betrachten, um geforderte Mindestwirkungsgrade zu erreichen. Ein Beispiel hierfür ist die Pumpen- und Lüfterverordnung. Mit den existierenden mechanischen Durchflussverstellungen z.B. mit Ventilen und Drosselklappen ist es meist schwer möglich, den Anforderungen an die Wirkungsgrade zu entsprechen.
Eine Reduzierung der Verluste erfordert unter Umständen eine elektronische Drehzahlregelung. Für viele einfache Anwendungen wie Pumpen und Lüfter ist ein Frequenzumrichter jedoch häufig funktional überdimensioniert. Generell ist die Komplexität der Geräte hoch und erfordert in der Regel fundierte Kenntnisse in der Antriebstechnik. Bisher blieb Konstrukteuren als alternative Methode zur Ansteuerung von Elektromotoren nur der Motorstarter. Er bietet den Vorteil der extrem einfachen Handhabung, ist aber in seiner Funktionalität begrenzt. Handelt es sich um eine Anwendung mit fester Drehzahl oder geringen Schalthäufigkeiten stellt der Motorstarter weiterhin die energieeffizienteste Lösung dar.
Besteht das Ziel jedoch darin, Anwendungen mit bisher konstanter Drehzahl, die nicht unter voller Last laufen, energieeffizienter zu machen, so gibt es jetzt eine dritte Möglichkeit: den Drehzahlstarter. Das unter dem Produktnamen PowerXL DE1 am Markt eingeführte Gerät lässt sich so einfach handhaben wie ein Motorstarter, ist ebenso zuverlässig und bietet die Möglichkeit der variablen Drehzahlregelung wie ein Frequenzumrichter.
Drehzahlstarter: neu – einfach – zuverlässig
Da es keine Knöpfe und Bedienelemente gibt, ist die Inbetriebnahme „Out-of-the-Box“ möglich. Der Anwender packt das Gerät aus, schließt es wie einen Motorstarter an, und schon ist es betriebsbereit – ohne dass eine Parametrierung notwendig wäre. Dank des „Trip Free Designs“ bietet der Drehzahlstarter gleichzeitig höchste Verfügbarkeit. Ein interner Regelalgorithmus sorgt dafür, dass keine Abschaltung durch Überspannung, beispielsweise aufgrund von Energierückspeisung auftritt. Es umfasst zudem eine DC-Bremsfunktion und zur Vermeidung einer Überschreitung der kritischen Gerätetemperatur die Funktion der automatischen Reduzierung der Schaltfrequenz.
Mit seinem einzigartigen Leistungsprofil und ausgelegt für Umgebungsbedingungen von ­ 10 bis 60 °C erfüllt der Drehzahlstarter neben den einfachen Pumpen- und Lüfteranwendungen die Anforderungen vieler Applikationen im Markt, für die es bisher keine ideale Lösung gab. Hierunter fallen auch Szenarien, bei denen ein Direktstart über Stern-Dreieck oder einen Softstarter nicht möglich ist, da die Applikation kein reduziertes Startmoment zulässt und ein direktes Einschalten zu einem sehr hohen, nicht gewünschten Anlaufstrom führt. Darüber hinaus bietet er sich für die wachsende Anzahl von Anwendungen mit Festdrehzahlen an, bei denen eine andere Frequenz als die Netzfrequenz benötigt wird.
Über die Werkseinstellung hinaus sind individuelle anwendungsspezifische Anpassungen möglich. So kann der Bediener über ein aufsteckbares, universell verwendbares Konfigurationsmodul mit dem Schraubendreher die wichtigsten Parameter gegenüber der Werkseinstellung individuell verändern – ohne dass Tastatur, Software oder Handbuch notwendig wären. Im Praxisvergleich mit konventionellen Lösungen führte diese Art der Konfiguration zu einer Aufwandsreduzierung von bis zu 70 %.
Mit Lösungen wie dem Drehzahlstarter und IE3-ready-Schaltgeräten unterstützt Eaton Maschinen- und Anlagenbauer dabei, einfachere, kompaktere und kosteneffizientere Systeme zu realisieren, die zuverlässiger, sicherer und energieeffizienter sind – und damit die Zeitenwende in puncto Effizienz erfolgreich zu meistern. I
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