Überdimensionierung beseitigen

Die richtige Antriebsdimensionierung trägt aber wesentlich dazu bei, den Wirkungsgrad des Systems zu erhöhen. Motor und Frequenzumrichter sollten möglichst voll ausgenutzt werden. Im Teillastbetrieb, das heißt bei überdimensionierten Antrieben, verringert sich der Wirkungsgrad und die Verluste werden höher. Der Branchenverband ZVEI hat zusammen mit der Bundesanstalt für Materialforschung den Einsatz von Frequenzumrichtern und Motorstartern getestet.

Dabei zeigt sich, dass bei der energetischen Betrachtung die Kombination von IE3-Motoren mit Schützen und Sanftanlassern bei der Energieeinsparung häufig stärker punktet als die Kombination von IE2-Motoren mit Frequenzumrichtern. „Deshalb sollte sich das Engineering von Maschinen und Anlagen nicht auf die einfachste, sondern auf die praktikabelste und effizienteste Lösung konzentrieren, welche die meiste Energieeinsparung verspricht – zum Beispiel der Betrieb eines IE3-Motors direkt am Netz“, so der ZVEI.

Eine genaue Dimensionierung lässt sich beispielsweise mit dem PC-Softwaretool Drive Size von ABB einfach und schnell erledigen. Dieses Tool schlägt den optimalen Motor und Frequenzumrichter basierend auf den eingegebenen Lastdaten vor und berechnet zusätzlich den Wirkungsgrad und die Verluste.

Ein Problem bestehe aber nach wie vor darin, dass im Planungsprozess einer Anlage oft nicht die Lifecycle-Kosten im Vordergrund stehen, sondern die Anschaffungskosten. Zudem fehle den Endanwendern meist das Know-how, um bei bestehenden Anlagen die großen Energieeinsparpotenziale zu entdecken. ABB könne hier bei der Beurteilung und Berechnung der Einsparungen durch energieeffiziente Antriebe unterstützen, so Peschel weiter.

„Die größten Einsparungen ergeben sich, wenn Überdimensionierungen auf ein Minimum reduziert werden, denn wenn man in jede Komponente noch Sicherheitsfaktoren hineinrechnet, multiplizieren sich diese am Ende, und das gesamte System arbeitet entsprechend ineffizient“, bestätigt Thorben Steinmann.

Deshalb empfiehlt Lenze eine möglichst exakte Berechnung des kompletten Antriebsstranges als System und bietet hierfür den Drive Solution Designer als ein intelligentes Antriebsauslegungstool an. Mit diesem Tool kann der Bedarf einer Anwendung sehr genau berechnet werden und damit der Wirkungsgrad im wirklichen Betriebspunkt – und nicht nur der nominelle Wirkungsgrad.

Asynchronnormmotoren haben bei Pumpen, Lüftern und Kompressoren mit 90 Prozent Marktdurchdringung eine dominierende Stellung. Sie sind auch in verfahrenstechnischen Anlagen besonders weit verbreitet. Läutet das Thema Energieeffizienz ein Ende des Asynchronmotors als Antrieb für Lüfter und Pumpe ein? „Ein klares Nein. Der selbstanlaufende Asynchronmotor ist und bleibt auf absehbare Zeit der kostengünstigste und zuverlässigste Antrieb für Pumpen- und Lüfteranwendungen, wenngleich er in der IE4-Ausprägung seinen Zenit in Sachen Effizienz erreichen wird“, sagt Klaus Sirrenberg.

Höhere Wirkungsgrade sind mit dieser Art der Drehmomententstehung nur schlecht möglich, und die Selbstanlauffähigkeit der Asynchronmaschine behindert praktisch das Erreichen noch höherer Wirkungsgrade zu vertretbaren Kosten. Trotzdem werden Asynchronmotoren in den Energieeffizienzklassen IE2 bis IE4 weiterhin eine ganz entscheidende Rolle bei der Senkung von Energieverbrauch und Betriebskosten in der Pumpenindustrie spielen und erhebliche Einsparungen erzielen können.

Sirrenberg ist überzeugt, dass „der IE4-Asynchronmotor mit Aluminiumkäfig im Läufer für viele Aufgaben im Pumpen- und Lüfterbereich sozusagen das Sahnehäubchen sein wird, da diese Motoren den höchstmöglichen Wirkungsgrad aufweisen, den man mit einer selbstanlaufenden Maschine realisieren kann.“

In der überarbeiteten Version des Standards IEC/EN 60034-30-1 werden auch die neuen Grenzwerte für die nächste Generation von IE4- und IE5-Motoren erwähnt, aber nicht im Gesetz verankert. Im Moment sind sie also noch nicht verpflichtend, sondern zeigen nur die Richtung künftiger Entwicklungen auf. Größere Energieeinsparungen sind nur noch mit Antriebslösungen möglich, die eine andere Art der Drehmomententstehung haben. Das sind beispielsweise permanentmagnet-erregte Synchronmotoren oder Synchron-Reluktanzmotoren.

Diese Motoren erfordern allerdings zum Betrieb den Einsatz eines Frequenzumrichters, wodurch die Investitionskosten im Vergleich zur Asynchronmaschine deutlich zunehmen werden. VEM erwartet, dass in den kommenden Jahren in bestimmten Bereichen diese alternativen Motoren- und Antriebstechnologien größere Marktanteile erringen werden, als dies noch heute der Fall ist.

Das sei besonders im Leistungsbereich bis 7,5 Kilowatt zu erwarten. „Der Verlust der dominierenden Stellung der Asynchronmaschine oder sogar die völlige Bedeutungslosigkeit ist damit aber nicht zu befürchten“, ist sich Lutz Schube sicher. „Bereits zur Hannover Messe 2015 hatten einige Hersteller Asynchronmotoren vorgestellt, bei denen die Verlustleistungen deutlich unter denen für die Wirkungsgradklasse IE3 lagen.“

Noch höhere Ausgangsleistungen, höhere Effizienz und kompaktere Bauweise kann man nach Ansicht von ABB mit dem Synchron-Reluktanzmotor erzielen. Das Unternehmen entwickelte einen komplett neuen Motor, der optimal für den Betrieb mit Umrichtersystemen abgestimmt ist und inzwischen auch für den Netzbetrieb zur Verfügung steht. Er besitzt eine um 20 bis 40 Prozent höhere Leistungsdichte im Vergleich zum Asynchronmotor, eine Rotorkonstruktion ohne Kurzschlusskäfig oder Permanentmagnete sowie eine geringere Baugröße, geringere Wärmeentwicklung und höchste Effizienz nach IE4.

Allerdings haben die Synchron-Reluktanzmotoren unter Umständen einen höheren Strombedarf als Asynchronmotoren, was den Einsatz eines größeren Frequenzumrichters erfordern würde, gibt Thorben Steinmann zu bedenken. Gleichzeitig seien sie weniger überlastfähig, was in vielen Anwendungen eine sehr genaue Abstimmung von Motor und Umrichter notwendig mache. „Pumpen und Lüfter-Applikationen können zwar noch relativ einfach geregelt werden, aber Förder-, Fahr- und Positionieranwendungen sind dann nur noch als Systemlösung realisierbar“, so Steinmann.

„Wesentlich ist, das Thema Energieeffizienz nicht auf den Motor zu reduzieren, denn den einen Antrieb für alle Anwendungen gibt es nicht. Anstatt eines Wettbietens um hohe IE-Klassen, muss die Optimierung des kompletten Antriebsystems im Vordergrund stehen. Der optimale Antrieb für eine Anwendung hängt von zahlreichen Faktoren ab: Feste oder variable Drehzahl, Umgebungstemperaturen, Schutzart, Leistung, Platzbedarf.

Durch die neue DIN EN 50598 und die Systemwirkungsgrade rückt der ganzheitliche Ansatz in den Fokus. Ob also ein IE2-Motor plus Frequenzumrichter, ein IE3- oder IE4-Asynchronmotor oder ein IE5 Permanentmagnetmotor: Das entscheidet erst eine Analyse der Anwendung und der Kundenbedürfnisse. bf