Permanentmagnet-Synchronmotoren und die IE2-Verordnung

Wenn das Anwendungsszenario stimmt, amortisieren sich IE4-Motoren in kurzer Zeit.Bauer Getriebemotoren

Sinn der IE2- und der seit Anfang Januar wirksamen IE3-Vorschrift ist es, Motoren einen Mindestwirkungsgrad abzuverlangen. Interessant an der IE4-Technik ist, dass die Marktnachfrage nicht von den Konformitäts­anforderungen bestimmt wird, sondern rein wirtschaftlichen Erwägungen folgt – obwohl diese Motoren teurer sind.

Bei kleinen bis mittelgroßen Elektromotoren, die die meiste Zeit nah an ihrem optimalen Betriebspunkt laufen, beispielsweise in kontinuierlichen Fertigungsprozessen, amortisieren die eingesparten Energiekosten schnell den höheren Anschaffungspreis. Einige der neuen Technologien, die im Hinblick auf die IE4-Klasse entwickelt wurden, sind bereits in IE3-konformen Elektromotoren zu finden und erhöhen deren Wirkungsgrad.

Die Einsparpotenziale: 60 % der möglichen Energieeinsparungen liegen in der Optimierung des mechanischen Antriebsstrangs, gefolgt von der Drehzahlsteuerung und der Motorentechnologie.Bauer Getriebemotoren

IE3-Bauweisen im Vergleich

In der EU muss die große Mehrheit aller installierten Elektromotoren in der Leistungsklasse 7,5 bis 375 kW entweder als IE3 eingestuft sein oder die IE2-Klasse erfüllen und drehzahlgeregelt sein. Ab 2017 müssen dann alle in der Verordnung (EG) 640/2009 definierten Elektromotoren von 0,75 bis 375 kW diese ‚Premium Efficiency‘-Klasse für Netzbetrieb erfüllen oder als Motor der Klasse IE2 am Frequenzumrichter betrieben werden.

Gängige Asynchronmotoren (ASM) mit Drehzahlregelung erreichen bei niedrigen Drehzahlen oder unter Teillastbedingungen aber nicht ihren maximalen Wirkungsgrad. Ganz anders das Verhalten der Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM): Unter ähnlichen Lastbedingungen erreichen sie durchgängig höhere Wirkungsgrade, auch bei langsamen Drehzahlen und im Teillast-Betrieb.

Die höhere Energieeffizienz der PMSM-Bauweise ist zu einem wesentlichen Teil der Verlustreduzierung beim Anlaufen und im Normalbetrieb zuzuschreiben. Der Hauptunterschied zwischen den Motortypen liegt im permanent magnetisierten Läufer. Im Gegensatz zur ASM-Maschine fließt im Rotorkäfig daher kein Strom. Somit entstehen keine ohmschen Verluste (Pv = I² R) und auch keine Schlupfverluste aufgrund des Versatzes von Ständer- und Rotordrehfeld. Bei Verwendung einer geeigneten Antriebssteuerung bleibt beim PMSM die Leistungsabgabe über den gesamten Drehzahlbereich hoch. Der Leistungsfaktor (cos Phi) kann nahe 1 gehalten werden, was wiederum die ohmschen Verluste in den Ständerwicklungen reduziert.

Bei der Auswahl des Antriebsmotors spielt auch der Betriebsdrehzahlbereich der Anwendung eine wichtige Rolle. Langsam laufende ASM mit hoher Polzahl haben aufgrund der weniger effizienten Läufer-Erregung bei niedrigen Drehzahlen in der Regel auch einen recht nie­drigen Leistungsfaktor und einen geringeren Wirkungsgrad. Das führt zu einer Erhöhung des Nennstroms und schmälert die Eignung des Motors für bestimmte Anwendungen.

Permanentmagnete sind zukunftsweisend

Die permanentmagneterregten Synchronmotoren zeigen dieses Verhalten nicht und lassen sich ohne Wirkungsgrad­verluste mit einer hohen Polzahl auslegen. In Anwendungen, bei denen auf mechanische Übersetzungen verzichtet werden kann, sind hierdurch Kosteneinsparungen und Effizienzsteigerungen zu erzielen. Außer­dem können permanentmagnet­erregte Synchronmotoren auch als Schnellläufer ausgeführt werden.

Trotz Effizienzklasse IE3 bauen Asynchronmaschinen bei Teillast mehr ab als IE3-Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM).Bauer Getriebemotoren

Bei den Elektromotoren, die wie die PMS-Motoren von Bauer, die Effizienzklasse IE4 (Super Premium Efficiency) erfüllen, handelt es sich in der Regel um Permanentmagnet-Ausführungen. Für gewöhnlich werden diese Magnete aus Seltene-Erden-Metallen hergestellt. Anders als der Name vermuten lässt, ist das Material nicht besonders selten, es entstammt ledig­lich dieser Stoffkategorie. Die Magnete sind allerdings teurer in der Herstellung, dafür aber stärker als herkömmliche Varianten. Entsprechende Motoren müssen für gewöhnlich durch einen Umrichter angetrieben werden. Dies ermöglicht wiederum die hohen Wirkungsgrade von bis zu 96 %.

Ein PMSM erreicht durchgängig höhere Wirkungsgrade, auch bei niedrigen Drehzahlen und unter Teillast.Bauer Getriebemotoren

Der Praxisnachweis

Um Anwender zu überzeugen, müssen sich derartige Antriebskonzepte jedoch unter Praxisbedingungen bewähren. Beispielsweise hat Bauer Gear Motor, ein Unternehmen von Altra Industrial Motion, zusammen mit Huber Technology, einem Anbieter von Lösungen für die Wasseraufbereitung, nachgewiesen, dass die Anschaffungskosten eines IE4-Motors aufgrund der erheblichen Einsparungen bei den Betriebskosten rasch hereingeholt werden können. Ein Grund sind die Betriebs­bedingungen: Viele Prozesse in der Wasseraufbereitung sind kontinuierlich, haben aber häufig wechselnde Lastbedingungen – das ideale Einsatzgebiet für PMS-Motoren.

Huber führte einen Vergleichstest an einer Schlammpresse durch, die ein hohes Anlaufmoment und einen weiten Drehzahlstellbereich erfordert. Der PMSM wurde mit einer baugleichen Antriebssteuerung wie der ASM ausgestattet und mit 15 Hz betrieben. Der Motor zog 2,6 A bei 0,54 kW Leistungsaufnahme. Auch der ASM wurde mit 15 Hz betrieben, zog jedoch 3,01 A bei 0,64 kW.

Huber Technology erzielte bei Versuchen mit IE4-Motoren an sogenannten Eindickern knapp 40 % Energieeinsparung gegenüber einem Asynchronmotor.Bauer Getriebemotoren

Bei einer ähnlichen Erprobung wurde ein PMSM der Klasse IE4 mit einem herkömmlichen IE2-Asynchronmotor verglichen. Der Versuch fand in Zusammenarbeit mit dem Umrichterspezialisten Danfoss an einem Scheiben-Eindicker in einer Abwasseraufbereitungsanlage statt. Nachdem der IE4-Motor installiert war, wurde ein Wirkungsgrad von 87,7 % ermittelt und eine Energieeinsparung von knapp 40 % gegenüber dem ASM erzielt.

Die Untersuchungen und Analysen zur PM-Motorentechnologie dauern an und viele Forschungseinrichtungen und Institutionen befassen sich mit der Wirtschaftlichkeit. Das schweizerische Bundesamt für Energie kommt in einem Bericht zur ökonomischen Tragfähigkeit sowie den Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes effizienter Permanentmagnet-Motoren zu folgendem Ergebnis: Unter dem Gesichtspunkt der Energieeinsparung sind Permanentmagnet-Motoren die sinnvollste Antriebs­lösung für Strömungsmaschinen, wenn folgende Kriterien zutreffen:

• Eine Drehzahlregelung unbedingt erforderlich ist
• Erhebliches Energiesparpotenzial in Anwendungen vorhanden ist, bei denen Motoren über größere Zeiträume im Teillastbetrieb laufen.
• In Fällen, in denen die eingesparten Energiekosten die Investitionen in Mecha­nismen zur Drehzahlregelung innerhalb kurzer Zeit übertreffen.
• Wenn der Standardmotor zur Drehzahlregelung ohnehin mit einem Frequenzumrichter auszustatten wäre (und somit Zusatzkosten entstünden).
• Wenn der Wirkungsgrad eines Permanentmagnetmotors höher ist als eines herkömmlichen IE1-/IE2-Motors.

Verluste – wo den Hebel ansetzen

Die PMSM-Serie umfasst eine Reihe umweltfreundlicher Motoren, die anstelle des Käfigläufers einen Läufer mit inte­grierten Permanentmagneten aus Seltenen Erden haben. Die Bauweise reduziert die Wärmeverluste im Läufer um 100 %, die Gesamtverluste um rund 25 % und steigert den Gesamtwirkungsgrad um 10 % und mehr. Für Anwender bedeutet die Leistungssteigerung geringere Gesamtbetriebskosten, eine Reduzierung des CO2-Ausstoßes und kontinuierliche Einsparungen, die künftige Steigerungen der Energiepreise abdämpfen.

PM-Synchronmotoren haben auch unter Teillastbedingungen höhere Wirkungsgrade als Induktionsmotoren und erreichen hohe Wirkungsgrade im Nenn­betrieb, auch unter Teillastbedingungen bis 1:5. Anderen Permanentmagnet-Bauweisen wird oft eine Teillastschwäche vorgehalten, denn außerhalb der idealen Betriebsdrehzahl und -last kann deren Wirkungsgrad stark abfallen. Das breite Drehzahlspektrum und der hohe Wirkungsgrad im Teillastbereich erleichtern die Bemessung, weil eine eventuelle Überdimensionierung kaum Einfluss auf den Wirkungsgrad hat. Außerdem reduziert die PMSM-Technologie die Variantenvielfalt, da ein PMS-Motor bis zu fünf ASM-Motorvarianten ersetzen kann. Dies reduziert Lagerkosten und die Typen­strukturen.

Darüber hinaus haben PMSM eine höhere Leistungsdichte, die bei Getriebemotoren für geringeres Einbauvolumen, Gewichts­vorteile und eine höhere Systemleistung sorgt. Die Leistungsdichte ermöglicht zudem die Entwicklung von Läufern mit niedrigem Trägheitsmoment. Ein weiterer Vorteil von PMSM: Die Antriebe liefern bei gleichem Einbauvolumen höhere Drehmomente als herkömmliche Induktionsmotoren. Daraus entsteht häufig ein Kostenvorteil, da ein kleinerer Motor spezifiziert werden kann. Die PMSM-Serie gibt es mit und ohne Lüfter von 0,55 bis 15 kW für Ausgangsspannungen von 380 bis 500 V.

(sk)