Neue Effizienzbetrachtung für Antriebssysteme – die konkrete Verlustleistung zählt

Bereits auf der SPS IPC Drives stellte SEW erste Antriebseinheiten mit IES2-Kennzeichung aus.SEW-Eurodrive

Kaum ein Produkt kann heute verkauft und eingesetzt werden, das nicht in irgendeiner Weise Bezug zum Effizienz- und dem ressourcenschonenden Einsatz von Material und Energie hat. Bislang gibt es im Produktbereich Automatisierungstechnik die Normen und Vorschriften zur Energieeffizienz von Motoren, insbesondere zu den asynchronen Drehstrommotoren, die direkt am Dreiphasennetz betrieben werden. Dem Anwender ist dabei nicht immer klar, ob das gewählte Produkt auch im Zusammenspiel mit allen eingesetzten Komponenten noch das Prädikat ‚energieeffizient‘ verdient.

Der Grund: Die IE-Klassifizierung der Drehstrommotoren erfolgt lediglich aufgrund von Messwerten in einem einzigen Arbeitspunkt, bei 100 % Belastung und Nenndrehzahl. Nur für diesen einen Betriebs­punkt werden die Verluste in einem aufwändigen Verfahren bestimmt, der Wirkungsgrad berechnet und im Daten­blatt angegeben. Dieser Wert bildet dann die Grundlage für die IE-Klassifizierung des Motors.

Erweiterte Angaben notwendig

Fakt ist: Nur sehr wenige Drehstrommotoren arbeiten tatsächlich im Nennpunkt. Sicherheitszuschläge aufgrund von schwer zu bestimmenden und diskontinuierlichen Lasten ergeben in der Regel eine mehr oder weniger ausgeprägte Über­dimensionierung von Motoren.

Diese Erkenntnis führte in den Normen und Vorschriften zu einer erweiterten Angabe der Wirkungsgrade von Drehstrommotoren. Neben dem bisherigen Lastpunkt (100 %) müssen Hersteller auch den Wirkungsgrad des Motors bei 75 und 50 % Belastung bestimmen und in der Dokumentation angeben. Damit lässt sich schon besser bestimmen, wie effizient der Motor in der vorgesehenen Applikation arbeitet. Die Hersteller garantieren diese Werte innerhalb der normativen Toler­anzen. Wird der Motor über seine Nennwerte hinaus betrieben und belastet, nimmt er in der Regel keinen unmittel­baren Schaden. Allerdings wird er dann außerhalb der Nennwerte auf dem Typen­schild eingesetzt und damit außerhalb der Gewährleistung. Aber noch immer sind die Angaben nur auf den Motor beschränkt.

Die EN 50598 regelt in drei Teilen die Effizienz­berechnung und Einteilung von Umrichtern, Motoren und deren Kombination.SEW Eurodrive

EN 50598: 3 Teile machen es übersichtlich

In Kenntnis der Auswirkungen des Teillastbetriebs auf die Effizienz beauftragte die EU-Kommission die jeweiligen nationalen Fachgremien eine Norm zu erstellen, die dies berücksichtigt: die EN 50598. Die nationalen und europäischen Gremien haben sich auf eine dreiteilige Ausprägung der EN 50598 verständigt: Neben der Energieeffizienz auf Produktebene für elektrische Antriebssysteme beschreibt der dritte Teil auch die Ökodesign- und Umweltdeklaration einer elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschine im Niederspannungsbereich. Mit dieser Herangehensweise wurde das nahezu unüberschaubare Dickicht an Ausprägungen für Antriebssysteme strukturiert.

Um zwischen den Herstellern eine einheitliche Ausdrucksweise zu etablieren, wurden im Teil 1 neue Begriffe abgestimmt und auf die in Fachkreisen etablierten Ausdrücke verwiesen. Im Allgemeinen sind diese Definitionen im Sprachgebrauch noch nicht geläufig – die Norm wird das ändern.

Neu ist der Begriff Semi-Analytische-­Methode (SAM) – ein Ansatz, wie Angaben zu den unterschiedlichen Komponenten eines elektrischen Antriebssystems miteinander verrechnet werden können. Die Basis der SAM bildet eine andere Darstellung der Energieeffizienz.

Neue Vokabeln für Antriebstechniker: Die EN 50598 definiert den Antriebsstrang.SEW-Eurodrive

Genial: Gemeinsame Verrechnung ­der Komponenten

Aktuell wird die Güte eines Drehstrommotors mit einem hohen Zahlenwert des Wirkungsgrads gleichgesetzt. Damit entsteht beim Nutzer der Eindruck, je näher der Wert an die 100-%-Marke kommt, umso energieeffizienter ist der Motor. Allerdings bereitet diese Darstellung im elektrischen System Probleme.

Die Darstellung gemäß Semi-Analytischer-Methode geht einen Schritt zurück: Sie gibt die Verluste in den Betriebspunkten direkt in Watt an und verzichtet auf die Umrechnung in einen Prozentwert. Damit kehrt sich die Betrachtungsweise um: je kleiner die Angaben der Verlustleistungen sind, umso besser nutzt der Motor die zugeführte Energie.

Bei elektrischen Antriebssystemen nutzt man die Eigenschaften eines Frequenzumrichters, um den Energiebedarf der Applikation durch eine Drehzahloptimierung zu reduzieren. Je nach Applikationsklasse senkt der Frequenzumrichter bei geringeren Drehzahlen den Leistungs­bedarf. Vor allem bei Lasten mit quadratischem Drehmomentprofil (Lüfter und Pumpen) macht sich die geringere Drehzahl in der dritten Potenz beim Leistungsbedarf bemerkbar.

Die problematische Darstellungsweise des Motorwirkungsgrads in Prozent zeigt sich bei der Berechnung des Gesamtwirkungsgrads, wenn der Motor steht, bei Drehzahl 0. Bei einem Hubwerk kann der Frequenzumrichter den Motor elektrisch im Stillstand halten, also genau die Funktion erfüllen, die in dem Augenblick gefordert ist.

Die funktionalen Zusammenhänge: Mit absoluten Wattzahlen lässt sich der Gesamtwirkungsgrad verketteter Komponenten einfacher ermitteln als über Prozentwerte, die nur selten den tatsächlichen Verlusten unter Betriebsbedingungen entsprechen.SEW Eurodrive

Leistungsangabe in Watt ermöglicht jetzt sinnvolle Berechnung

Wenn der Motor aber steht, wird sämtliche aufgenommene Leistung in Verluste umgesetzt. Denn bei Drehzahl Null liegt keine Antriebsleistung vor (P=M•ω). ­Damit ist der Wirkungsgrad in diesem Arbeits­punkt Null und es erweckt den Anschein, dass das System nichts tut. Tatsächlich hält der elektrische Antrieb des Hubwerks die Last in Position und verrichtet dabei Arbeit.

Die Angabe der Verluste in Watt löst diesen Widerspruch. Mit den Leistungswerten bei Drehzahl Null kann gerechnet werden. Somit wird aus der bisherigen Multiplikation der Wirkungsgrade in der Betrachtung nach der neuen Norm EN 50598 eine einfache Addition der Verlustleistungen in Watt. Einer Darstellung in beliebig langer Komponentenkette – Umrichter, Motor, Getriebe, Kupplung – steht nichts mehr im Wege, wobei die EN 50598 den mechanischen Abtriebsstrang (EP: Erweiterter Produktbereich) berücksichtigt.

Acht Lastpunkte für Motor ­und Umrichter definiert

Teil 2 der Norm schafft jetzt Fakten: Aus den Profilen typischer Lastmaschinen wurden acht Punkte herausgefiltert, die stellvertretend für alle Profile zur Anwendung kommen. Dabei werden nicht nur acht Lastpunkte des Motors, sondern ebenso acht Punkte beim Frequenzumrichter (CDM) definiert.

Aufgrund der Tatsache, dass ein Drehstromasynchronmotor funktionsbedingt eine Differenz von Speisefrequenz und Rotordrehfrequenz (Nenndrehzahl) aufweist (Schlupf), werden beim Frequenzumrichter (CDM) nicht die 100-%-, sondern die 90-%-Werte der relativen Frequenz berücksichtigt, also das Verhältnis von Rotorfrequenz zur Speisefrequenz. Nun sind die jeweiligen acht Leistungsangaben (in Watt) der Lastpunkte zu addieren und man erhält die Ist-Werte der Verlustleistungen in Watt für ein Antriebssystem (Power Drive System, PDS). Zu beachten ist, dass das PDS nicht nur aus den zwei Komponenten Motor und Frequenzumrichter besteht. Verbindungskabel und weitere Elemente kommen hinzu und sind ebenfalls zu berücksichtigen.

Effizienzklassen – jetzt auch für Umrichter und Systeme

Und Teil 2 geht noch weiter: Ähnlich den IE-Klassen für Motoren, wurden auch IE-Klassen für Frequenzumrichter festgelegt. Anders als beim Motor, der den Wirkungsgrad mit normativen prozentualen Zahlenwerten vergleicht, sind jetzt konkrete Verlustleistungen in Watt die Bezugs­größen zur Bestimmung der IE-Klasse. Die Einstufung eines Frequenzumrichters ist somit recht einfach gelöst. Nur die Wattangabe bei 90 % Frequenz und 100 % Drehmoment wird in Relation zum normativen Vorgabewert bewertet. Liegen die Verluste in Watt oberhalb von 125 % des Normwertes gehört der Frequenzumrichter in die Klasse IE0. Betra­gen die Verluste in Watt zwischen 75 und 125 % der Referenzangabe in der EN 50598, erreicht er die Kategorie IE1. Liegen die Verluste in Watt in der Relation zur Normenvorgabe unterhalb von 75 %, erreicht der Umrichter die höchste definierte Klasse: IE2.

Klassifizierung von Antriebssystemen gemäß EN 50598: Umrichter (links) werden wie Motoren in Effizienzklassen eingeteilt.SEW-Eurodrive

Die Norm umfasst nun auch die Definitionen, Kennwerte und Algorithmen, um durch Addition der Verluste eine Klassifizierung des elektrischen Antriebssystems vorzunehmen. Zur Unterscheidung der IE-Klassen von Komponenten (Motor, Frequenzumrichter) und den System-Effizienzklassen wurde die Kennzeichnung um den Buchstaben S erweitert. Wie beim Frequenzumrichter wird auch die System-Effizienzklasse in Relation zu Vorgabewerten in der Norm ausgedrückt. Auch hier wird nur die Verlustleistung in Watt zur Klassifizierung berücksichtigt: 100 % relative Drehzahl bei 100 % relativem Drehmoment. Dabei verändert sich der Relationsbetrag auf 20 %. Liegen die Verluste in Watt oberhalb von 120 % des Normwertes gehört das Antriebssystem (PDS) in die Klasse IES0. Liegen die Verluste zwischen 80 und 120 % der Referenzangabe, erhält das PDS die Kennzeichnung IES1. Liegen die Verluste in Relation zur Normenvorgabe unterhalb von 80 %, darf mit IES2 die höchste definierte Klasse angewendet werden. Der dritte Aspekt betrifft die Offenheit des Systemgedankens. Die EN 50598 ermöglicht es Anwendern, selbst eine Systemklassifizierung vorzunehmen. Dabei spielt es keine Rolle, ob alle Komponenten des Systems von einem Produzenten stammen oder Komponenten unterschiedlicher Hersteller kombiniert werden. Wer die Regeln zur Klassifizierung einhält, darf die Systemeffizienz deklarieren.

Kennzeichnung nach Norm-Referenzwerten möglich

Die Norm geht sogar noch einen Schritt weiter und erlaubt eine Kennzeichnung gemäß IES-Klasse selbst bei Verwendung von Komponenten von Herstellern, die keine oder noch keine Angaben zu den acht Lastpunkten machen. An diesen Stellen darf die Kennzeichnung auf die in der Norm enthaltenen Referenzwerte verweisen und diese anstelle der Herstellerangaben in der Berechnung und Klassifizierung verwenden. Damit können auch Hersteller von einzelnen Komponenten eines elektrischen Antriebssystems (PDS) eine Kennzeichnung nach IES vornehmen. Das Erreichen der höchsten Stufe IES2 wird aber mit jeder Übernahme ­eines normativen Referenzwerts schwerer. Komplettanbieter von elektrischen Antriebs­systems (PDS) wie SEW-Euro­drive werden die Kennzeichnung IES in den nächsten Monaten für alle Produktgruppen und Produktsysteme vorantreiben. Das nimmt dem Anwender diesen Teil der Effizienz-Bestimmung ab.

Effizienz-Norm für Umrichter greift ab 2018

In Kenntnis der Ergebnisse beabsichtigt der europäische Gesetzgeber zum 1. Januar 2018 den Verkauf der Frequenzumrichter in Klasse IE0 zu verbieten und nur Geräte mit IE1 und besser zuzulassen. Aus Sichtweise eines Antriebsherstellers enthält die Norm alle Elemente, um künftig mit dem Einsatz von elektrischen Antriebssystemen deutlich einfacher Energie zu sparen.

(sk)