Hocheffiziente Motoren sind aufgrund veränderter elektrischer Eigenschaften induktiver, womit die Einschaltströme steigen.

Hocheffiziente Motoren sind aufgrund veränderter elektrischer Eigenschaften induktiver, womit die Einschaltströme steigen. WEG, Eaton

Die ErP-Richtlinie zwingt die Motorenhersteller, konstruktive Veränderungen an ihren Produkten vorzunehmen, die direkt auf die elektrischen Eigenschaften durchschlagen:

  • Dickere Wicklungsdrähte im Stator sowie dickere Rotorstäbe und Kurzschlussringe reduzieren den ohmschen Widerstand.
  • Optimierte Blechschnittgeometrien senken die magnetischen Streuverluste.
  • Hochwertigeres Blechmaterial verringert die Hysterese-Verluste.

In der Summe werden hocheffiziente Motoren dadurch induktiver. Die Konsequenz der höheren Induktivität: Die Einschaltströme steigen und dadurch die Anforderungen an die Schaltgerätetechnik wie Schütze und Motorschutzschalter. Die höheren Anlaufströme können dazu führen, dass das Schutzelement unter Umständen auslöst, obwohl überhaupt kein Fehler oder Kurzschluss vorliegt. Das kann gefährliche Zustände verursachen, beim Flattern der Schütze zu Kontaktbrand oder sogar zum Verkleben der Kontakte führen. Ein Verschmelzen der Kontakte bedeutet kostspielige Maschinen-Stillstände und aufwändige Service-Arbeiten. Außerdem wird die Lebensdauer der Schütze negativ beeinflusst.

Aufgrund der Veränderungen in der Konstruktion hocheffizienter Motoren und den möglichen Risiken für den Anwender sind Hersteller von Schutzorganen gefordert, ihre Geräte auf die geänderten Bedingungen hin zu überprüfen und gegebenenfalls anzupassen. Denn spätestens seit Januar 2015 erwarten Anwender sichere, zuverlässige Lösungen, die den Anforderungen von Motorschutzorganen im Zeitalter der Energieeffizienzklasse IE3 entsprechen.

Als ein Experte für das Schalten, Schützen und Antreiben von Motoren hat das Unternehmen Eaton in einer Studie das Verhalten von Motorschutzorganen detailliert in Praxistests untersucht. Anhand von IE3-Motoren verschiedener namhafter Hersteller wurde geprüft, wie sich die konstruktiven Veränderungen an IE3-Motoren auf die Schutzorgane auswirken.

Obacht: Höhere Anlaufströme
als angegeben

Anlaufverhalten der drei IE3-Motoren: Beim Fabrikat 1 mit 12 A Nennstrom ist der effektive Anlaufstrom Ia um ein 10faches höher als der Nennbetriebsstrom.

Anlaufverhalten der drei IE3-Motoren: Beim Fabrikat 1 mit 12 A Nennstrom ist der effektive Anlaufstrom Ia um ein 10faches höher als der Nennbetriebsstrom.Eaton

Ein Vergleich der Messergebnisse mit den Datenblättern der getesteten Motoren ergab, dass die Werte für den Anlaufstrom im Praxistest höher sind als von den Herstellern angegeben. Außerdem zeigten die Tests, dass die Anlaufströme der IE3-Motoren deutlich höher ausfallen als die von IE2-Motoren.

Die höheren Anlaufströme bei IE3-Motoren führen auch dazu, dass bereits eine Änderung der Norm IEC/EN 60 947 diskutiert wird: Diese sieht aktuell eine Anhebung der geforderten Mindest-Anlauffaktoren für Schutzorgane vor. Die IEC/EN 60 947 beschreibt die konstruktiven Merkmale, Funktionseigenschaften und Prüfungen von Niederspannungsschaltgeräten und findet sich in der VDE 0660 wieder.

Kandidat 2 weist 11 A Nennstrom aus und hat ein um den Faktor 12 höheren effektiven Anlaufstrom Ia.

Kandidat 2 weist 11 A Nennstrom aus und hat ein um den Faktor 12 höheren effektiven Anlaufstrom Ia.Eaton

IE3-Motoren im Praxistest

Die Entwicklung zwingt Hersteller von Schaltgeräten, ihr vorhandenes Portfolio zu überprüfen und zu optimieren. So wurden im Rahmen der Studie sowohl Leistungsschütze für Direktanlauf in öffentlichen und nichtöffentlichen Netzen sowie für Stern-Dreieck-Anlauf und im Zusammenwirken mit Softstartern oder Frequenzumrichtern auf IE3-Tauglichkeit überprüft. Auch das Ansprechverhalten von elektromechanischen und elektronischen Motorschutzschaltern wurde getestet.

Testkandidat 3 hat einen Nennstorm In von 10,3 A. Der effektive Anlaufstrom Ia ist um ein 9faches höher.

Testkandidat 3 hat einen Nennstorm In von 10,3 A. Der effektive Anlaufstrom Ia ist um ein 9faches höher.Eaton

Die Tests ergaben, dass Schütze gegebenenfalls für die höheren Anlaufströme der IE3-Motoren optimiert werden müssen. Die Lösung ist eine höhere Kontaktkraft. Die Herausforderung besteht darin, die Balance zwischen weiterhin geringer Halteleistung (Energieeffizienz) und ausreichend hoher Haltekraft (Sicherheit) zu finden und zu gewährleisten.

Bei den Tests mit elektromechanischen- und elektronischen Motorschutzschaltern kam es trotz der erhöhten Anlaufströme zu keinen ungewollten Auslösungen. Im Bereich des Anlaufspitzenstroms sind jedoch mögliche Toleranzen des Magnetauslösers zu berücksichtigen. Je nach Toleranzlage besteht die Gefahr von Fehlauslösungen. Die Lösung: Um Fehlauslösungen beim Motoranlauf zu vermeiden, müssen die Ansprechgrenzen des Kurzschlussauslösers erhöht werden. Dies ist – abhängig vom jeweiligen Strombereich – durch eine stärkere Feder oder eine höhere Raststellung der Feder des elektromechanischen Auslösers möglich. Ebenso denkbar ist, die Kennlinie des elektronischen Kurzschlussauslösers (Auslöseblock) anzuheben, mithilfe einer stärkeren Sekundärwicklung oder Anpassungen der Elektronik-Hardware (Bypass-Widerstand) beziehungsweise -Software (Auslösekennlinie).

Auslöseverhalten eines mechanischen Motorschutzschalters beim Testlauf mit einem 5,5 kW IE3-Elektromotor: Der Strom beim Motorhochlauf und der Anlaufspitzenstrom liegen unterhalb der Auslösekennlinie. Bei der Auswahl der Schutzkomponenten sind mögliche To

Auslöseverhalten eines mechanischen Motorschutzschalters beim Testlauf mit einem 5,5 kW IE3-Elektromotor: Der Strom beim Motorhochlauf und der Anlaufspitzenstrom liegen unterhalb der Auslösekennlinie. Bei der Auswahl der Schutzkomponenten sind mögliche ToEaton

Toleranzen im Auge behalten

Die meisten Neuerungen, die mit der Einführung der IE3-Motoren einhergehen, betreffen die Hersteller von Elektromotoren und Schaltgeräten. Aber auch für Anwender gibt es einiges bei der Wahl passender Schutzorgane zu beachten. Zum Beispiel die oben beschriebenen Toleranzen des Magnetauslösers im Bereich des Anlaufspitzenstroms, die bis zu 20 % betragen können. Um sicher zu sein, dass sich Auslöse- und Motorkennlinie beim Motoranlauf trotz der erhöhten Anlaufströme nicht berühren und somit Fehlauslösungen der Schutzorgane verursachen können, gilt es, beide Kurven im Vorfeld anwendungsspezifisch abzugleichen. Hierbei helfen Tools wie das Programm ‚Curve Select‘ von Eaton.

Idealerweise sind die in Verbindung mit hocheffizienten Motoren eingesetzten Schaltgeräte und Motorschutzorgane tatsächlich IE3-ready. Dies ist notwendig, da ansonsten die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Maschinen und Anlagen auf dem Spiel stehen. Damit Anwender sicher sein können, hat Eaton eine entsprechende Filterfunktion in das Auswahl-Tool ‚Motorstarter-Konfigurator‘ integriert. Das grenzt die Auswahl einer passenden Motorstarterlösung auf die relevanten Komponenten ein. Außerdem empfiehlt es sich, für den Motorschutz nur Schütze und Motorschutzschalter einzusetzen, die auch hierfür vorgesehen sind. Hilfsschütze oder Spezialschütze, wie sie beispielsweise bei Heizungs- und Lichtanlagen oder bei Anwendungen mit geringer Schalthäufigkeit zum Einsatz kommen, verfügen über eine zu geringe Halteleistung und sind daher für den Anlauf von IE3-Motoren nicht geeignet.

Konsequenzen gezogen: Anlauffaktoren erhöht

Nach den eingehenden Tests hat Eaton die Schütz-Serie DIL sowie die Motorschutzschalter PKZ und PKE auf die veränderten Anforderungen der IE3-Motoren angepasst: Die Ansprechgrenzen des Kurzschlussauslösers wurden angehoben, da der bisherige Anlauffaktor 14 (Anlaufspitzenstrom zu Betriebsstrom) für IE3-Motoren nicht ausreicht. Eaton setzt sogar einen Anlauffaktor bis 15,5 an. Sowohl die Leistungsschütze als auch die Motorschutzschalter eignen sich für den sicheren Betrieb von IE3-Motoren. Um dies kenntlich zu machen und die Auswahl der Produkte zu erleichtern, führt das Unternehmen eine klare Kennzeichnung ein: IE3-ready.

Die Schütz-Serie DIL sowie die Motorschutzschalter der Produktfamilien PKZ und PKE sind IE3-ready.

Die Schütz-Serie DIL sowie die Motorschutzschalter der Produktfamilien PKZ und PKE sind IE3-ready.Eaton

Besonders wichtig ist die Kennzeichnung, da es durch die globalen Liefergebiete des Maschinenbaus und die schrittweise Einführung der effizienteren Motoren zu gemischten Lagerbeständen kommen kann. Bei diesen besteht das Risiko, dass Komponenten für den Anlauf von IE3-Motoren eingesetzt werden, die gar nicht dafür geeignet sind. Da die Komponenten sowohl IE2- als auch IE3-Motoren abdecken, muss sich der Anwender keine Gedanken über die verschiedenen Energieeffizienzklassen machen. Zudem erspart das unnötigen Mehraufwand bei Projektierung und Lagerhaltung.

ErP-Richtlinie im Detail: Spätzünder Europa

Zeitschiene für die Einführung von Energieeffizienzklassen für Standard-Asynchronmotoren: Spätzünder Europa

Zeitschiene für die Einführung von Energieeffizienzklassen für Standard-Asynchronmotoren: Spätzünder EuropaIMS Research

Die ErP-Richtlinie 2009/125/EC‚Energy-related Products‘ der Europäischen Union schafft einen Rahmen für die Festlegung gemeinschaftlicher Ökodesign-Anforderungen für energieverbrauchsrelevante Produkte und legt Kriterien fest, die betroffene Produkte erfüllen müssen, damit sie in Europa in Betrieb genommen werden dürfen. Für die Antriebstechnik relevant ist vor allem die Verordnung EC 640/2009 für elektrische Motoren. Diese verpflichtet die Industrie, schrittweise immer effizientere Motoren einzusetzen.

Seit Januar 2015 gilt: Neu in den Verkehr gebrachte Motoren mit einer Nennausgangsleistung von 7,5 bis 375 kW müssen entweder mindestens die Wirkungsgradklasse IE3 erreichen oder der Wirkungsgradklasse IE2 entsprechen, dürfen dann aber nur mit einer elektronischen Drehzahlregelung betrieben werden.

Ab 1. Januar 2017 gilt: Neu in den Verkehr gebrachte Motoren mit einer Nennausgangsleistung von 0,75 bis 375 kW müssen entweder mindestens die Wirkungsgradklasse IE3 erreichen oder der Wirkungsgradklasse IE2 entsprechen, dürfen dann aber nur mit einer elektronischen Drehzahlregelung betrieben werden.

Ausgenommen von den Regelungen sind Bremsmotoren, Motoren für explosionsgeschützte Bereiche, Motoren, die ganz in Flüssigkeit eingetaucht betrieben werden und vollständig in ein Produkt (z.B. eine Maschine) eingebaute Motoren, dessen Effizienz nicht exakt messbar ist. Weitere Ausnahmen wurden in der im Juli 2014 in Kraft getretenen aktualisierten Verordnung (EU) 4/2014 eingeschränkt. Folgende Grenzwerte wurden verändert und damit der Geltungsbereich der Verordnung erweitert:

  • Aufstellungshöhe von über 1.000 m auf 4.000 m,
  • Umgebungstemperatur von über +40 auf +60 °C,
  • Umgebungstemperaturen von unter -15 auf -30 °C (für beliebige Motoren) sowie unter 0 °C bei wassergekühlten Motoren
  • Kühlflüssigkeitstemperaturen am Einlass eines Produkts von unter 5 auf 0 °C und von über 25 auf 32 °C.

Die Verschärfungen der Motorenverordnung erhöhen den Druck auf die Betreiber, auf energieeffizientere Antriebe umzustellen. Und das ist durchaus nicht nur ein europäisches Phänomen. Weltweit unternehmen Regierungen und Verbände Anstrengungen, den Einsatz effizienter Elektromotoren in der Industrie zu fördern – schon seit langem.

In Nordamerika gelten bereits seit Jahren Mindesteffizienzstandards (IE2/Nema Energy efficient seit 2004 und IE3/Nema Premium efficient seit 2010). Hocheffiziente Motoren der Klasse IE2/Nema Energy efficient haben dort bereits einen Marktanteil von weit über 50 %; IE3/Nema Premium efficient-Motoren liegen schon bei über 20%. Deutschland und Europa liegen mit circa 10% bei IE3-Motoren weit zurück. In China wurde der IE2/Grade 3-Standard in 2011 verpflichtend und die dortige Regierung arbeitet bereits an der Einführung von IE3/Grade 2. Gerade für den exportstarken deutschen Maschinen- und Anlagenbau bedeutet das, sich dem Thema Energieeffizienz in der Antriebstechnik zu stellen.