Systemeffizienz nutzen und Energiekosten senken

Die Normenreihe IEC 61800-9 setzt neue Maßstäbe zur Bewertung des Ökodesigns von Antriebssystemen und deren angetriebenen Einrichtungen.

Teil 1 der Reihe definiert allgemeine Anforderungen an die Vorgehensweise und die Erstellung von Normen zur Betrachtung der Energieeffizienz von drehzahlveränderbaren elektrischen Antrieben und deren Antriebskomponenten. Dieser Teil der IEC 61800-9 dient außerdem als Grundlage für produktspezifische Normen und beschreibt den Ansatz des erweiterten Produktbereiches.

Für uns als Systemanbieter von Antriebs- und Automatisierungstechnik ist Teil 2 der IEC 61800-9 maßgebend. Mit diesem werden die im Teil 1 definierten Grundsätze in die Praxis umgesetzt. Methoden zur Bestimmung von Verlusten eines gesamten Antriebssystems (PDS: Power Drive System) und von Frequenzumrichtern (CDM: Complete Drive Module) werden ergänzt durch die Definition von Effizienzklassen für PDS und CDM im Leistungsbereich von 0,12 bis 1000 kW.

Neu ist also, dass nicht mehr nur der Motor energetisch betrachtet und klassifiziert wird, sondern auch der Frequenzumrichter und das System aus beiden. Dabei wurde auch berücksichtigt, dass Antriebe häufig außerhalb des Nennbetriebspunktes betrieben werden. Jede Anwendung ist durch ein Lastprofil charakterisiert und hat somit direkten Einfluss auf die Auslastung des Antriebssystems. Diesem Aspekt wird die IEC 61800-9 teilweise gerecht. Sie definiert acht Lastpunkte bei verschiedenen Drehzahl- und Drehmomentauslastungen, so dass die Energieeffizienz auch im Teillastbereich bewertet werden kann. Nicht betrachtet werden allerdings Betriebsbedingungen oberhalb der Nenndaten der Komponenten. Wird ein Antriebssystem oft in Überlast betrieben, was z.B. bei häufigen Anlaufvorgängen in der Fördertechnik der Fall ist, ist eine Bewertung der energetischen Verluste mit Hilfe dieser Norm nicht möglich.

Für die Beurteilung der Energieeffizienz von asynchronen Drehstrommotoren existieren die bekannten IE-Klassen. Die in der internationalen Norm IEC 60034-30-1 festgelegten Klassen IE1 bis IE4 geben Auskunft über den Wirkungsgrad des Motors in seinem Nennbetriebspunkt. Dies ermöglicht eine einfache Einordnung der Energieeffizienz des Motors, gibt aber keine Auskunft über das Verhalten im Teillastbereich.

Die internationale Norm IEC 61800-9-2 ermöglicht es nun auch für den Teillastbereich unterhalb des Nennbetriebspunktes Verlustleistungen anzugeben und diese mit einem definierten Referenzmotor der Klasse IE2 zu vergleichen. Außerdem können durch die Kombination der Verlustleistungen von Motor und Frequenzumrichter die Gesamtverluste eines Antriebssystems in dem in der Norm definierten Bereich errechnet werden.

An der Bestimmung der IE-Klasse des Motors ändert sich jedoch nichts. Diese wird weiterhin über den Wirkungsgrad im Nennbetriebspunkt ermittelt.

Weltweit existieren unterschiedliche gesetzliche Anforderungen an den Mindestwirkungsgrad von Asynchronmotoren. Unter Engineering & Auswahl sind im Online Support die Energieeffizienz-Tools zu finden, welche hierzu nützliche Informationen liefern.

Weiter zu den Energieeffizienz-Tools im Online Support

Damit zukünftig auch die Energieeffizienz von Frequenzumrichtern (CDM) beurteilt werden kann, definiert die IEC 61800-9-2 IE-Klassen für Geräte in einem Leistungsbereich von 0,12 bis 1 000 kW. Anders als bei den Motoren wird bei den Frequenzumrichtern nicht der Wirkungsgrad in Prozent zur Bestimmung der Effizienzklasse herangezogen, sondern die relativen Verluste des CDM in Bezug auf seine Bemessungs-Ausgangsscheinleistung. Um Effekte einer Übermodulation zu vermeiden, erfolgt die Bewertung bei 90 % der Ausgangsspannung und 100 % des drehmomentbildenden Stroms. Die relativen Verluste werden mit einem sogenannten Referenz-CDM der Klasse IE1 vergleichen. Liegen die relativen Verluste des betrachteten CDM mindestens 25 % unter denen des Referenz-CDM, wird die Klasse IE2 erreicht. Liegen sie mehr als 25 % darüber, nur die Klasse IE0.

Durch die Angabe der Verluste eines CDM in den weiteren Betriebspunkten, lassen sich diese mit den Verlusten des Motors kombinieren, um die Gesamtverluste des Antriebssystems zu ermitteln.

Im Gegensatz zu den Asynchronmotoren existieren heute bei Frequenzumrichtern noch keine gesetzlichen Anforderungen zur Einhaltung einer bestimmten Effizienzklasse.

Übergreifendes Ziel der IEC 61800-9-2 ist es Antriebssysteme bestehend aus Motor und Frequenzumrichter im Leistungsbereich von 0,12 bis 1 000 kW energetisch bewerten und vergleichen zu können.

Deshalb wurde mit den Effizienzklassen IES0, IES1 und IES2 eine Kennzeichnung eingeführt, die den Fokus auf das gesamte Antriebssystem legt. Werden die Verluste von Motor und Frequenzumrichter im Nennbetriebspunkt addiert, erhält man die Verluste des PDS in diesem Punkt. Setzt man diesen Wert in Relation zu der Nennleistung, erhält man die relativen Verluste des Systems. Diese können dann mit einem in der Norm definierten Wert für ein Referenz-PDS verglichen werden.

Das Referenz-PDS ist mit der Systemeffizienzklasse IES1 definiert. Liegen die relativen Verluste eines betrachteten PDS mindestens 20 % unter denen des Referenz-PDS, wird die Klasse IES2 erreicht. Liegen sie mehr als 20 % darüber, erhält das PDS die Klassifizierung IES0.

Gerade beim PDS ist auch eine Betrachtung der weiteren in der Norm definierten Lastpunkte interessant. Werden die Verluste der einzelnen Komponenten auch in weiteren Punkten addiert, können Hersteller und Betreiber von Anlagen diese nutzen, um den Energieverbrauch des Antriebssystems in ihrer Applikation zu berechnen. Dies gilt für den in der Norm definierten Lastbereich unterhalb des Nennbetriebspunktes und sollte vorwiegend für Applikationen mit geringer Dynamik und konstantem Betriebsverhalten genutzt werden.

Besonders einfach und effizient wird dies, wenn Motor und Frequenzumrichter von einem Systemanbieter wie SEW-EURODRIVE bezogen werden. Denn wir können beide Komponenten exakt aufeinander abstimmen und können somit das maximale Optimum für Ihre Anwendung realisieren - hohe Systemeffizienz inklusive!

Im Bereich der dezentralen Antriebstechnik empfehlen wir Ihnen integrierte Antriebssysteme (PDS), wie z. B. unser bewährtes MOVIMOT ^® . Denn MOVIMOT ^® vereint Drehstrommotor und Frequenzumrichter in einer Einheit und erfüllt mit den Motortypen DRE.. (IE2) und DRN.. (IE3) bereits die höchste Systemeffizienzklasse IES2. Standardmäßig bietet Ihnen SEW-EURODRIVE aber auch schon heute MOVIMOT ^® mit IE4-Motoren des Typs DRU.. an – selbstverständlich weltweit.

Für MOVIMOT ^® mit einem Motor Typ DRE.. kann SEW-EURODRIVE schon heute nicht nur die Systemeffizienzklasse angeben, sondern auch die Verluste in weiteren Betriebspunkten zur Verfügung stellen.

Soll das MOVIMOT ^® zum Beispiel in einer Förderapplikation eingesetzt werden, können so die Verluste im Teillastbereich ermittelt werden.

Bei einer vollständigen Auslastung des Antriebssystems sind die Verlustleistungen bei 100 % des Nenndrehmoments und im gesamten Drehzahlbereich relevant. Wird ein MOVIMOT ^® mit einer Nennleistung von 0,75 kW (DRE80M4 MM07) eingesetzt, betragen die Verluste in diesem Beispiel bei konstantem Drehmoment je nach Drehzahl 158 W bis 237 W und liegen damit im Nennbetriebspunkt um bis zu 40% niedriger als die in der IEC 61800-9-2 definierten Referenzwerte. Im Teillastbereich liegen die Verluste deutlich unter den Referenzwerten.

Auf Anfrage erhalten Sie von uns auch Angaben zu Verlustleistungen für weitere MOVIMOT ^® .

Mit dem hocheffizienten mechatronischen Antriebssystem MOVIGEAR ^® ist SEW-EURODRIVE bereits heute einen Schritt voraus. Mit der Integration von Motor, Frequenzumrichter und Getriebe, welches bislang nicht von einer Norm beschrieben ist, werden bereits heute Verluste minimiert und die Effizienz von Anlagen gesteigert.