Herstellung von Drehstrom-Asynchronmotoren mit IE-Klassifizierung

EU – Energiemäßig umdenken

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Wer ab dem 16. 06. 2011 in der EU einen Drehstrom-Asynchronmotor in Verkehr bringt, muss heute bereits wissen, ob er das wie bisher darf: Denn dann gilt die neue Gesetzgebung für Elektromotoren nach dem neuen „International Efficiency Standard“. Ein großer Hersteller liefert und kennzeichnet ab November 2009 seine Motoren nach dem geforderten IE-Standard.

Umweltschutz wird nicht nur in den Medien groß geschrieben, sondern bekommt zusehends aus Industrie und Wirtschaft realen Rückhalt. Die neuen gesetzlichen Richtlinien betreffen neben den Privathaushalten auch die Industrie. Während zum Beispiel der Verabschiedungsprozess der Glühbirnen in Europa mit dem Verkaufsverbot der klaren 100-W-Lampen bereits am 1. September 2009 begonnen hat, werden bis zum Jahr 2012 alle „gemeinen“ Glühbirnen aus Europa verbannt. Sie müssen durch energiesparende Leuchtmittel ersetzt werden. Das hat weit reichende Auswirkungen auf Haushalte, Industrie und Gesellschaft.

Der gleiche Umdenkprozess läuft – etwas außerhalb des Rampenlichts – in der Industrie ab: Um Energie zu sparen und damit die Umwelt zu schonen, dürfen in der Europäischen Union ab dem 16. 06. 2011 nur noch Standard-Elektromotoren mit der Effizienzklasse IE2 – bisher EFF1 – (oder besser) eingebaut und betrieben werden. Das hat auch hier weit reichende Konsequenzen, auf die sich Hersteller von Maschinen und Anlagen heute schon konzentrieren sollten. Denn dieser Wandel bezieht sich auf Elektromotoren bis 1000 V, 50/60 Hz, den Leistungsbereich zwischen 0,75 und 375 kW und gilt für alle Bauformen und die Betriebsart S1, also den Dauerbetrieb.
Kurz zum Hintergrund: Seit 6. Juli 2005 wurde die europäische Richtlinie 2005/32/EG verabschiedet. Auch als EuP-Richtlinie (Energy Using Products) und als Ökodesign-Richtlinie bekannt, beschreibt sie die Maßnahmen zur Erreichung einer nachhaltigen Energieeinsparung. Im 11. Lot (Teil) der EuP ist der Wirkungsgrad und somit der Stromverbrauch bzw. die Effizienz der Asynchronmotoren in Anlehnung an die Norm IEC 60034–30 geregelt. Als gesetzlicher Rahmen für die nationalen Durchführungsmaßnahmen in Deutschland wurde das Energiebetriebene-Produkte-Gesetz (EBPG-Gesetz) verabschiedet.
IE-Klassifizierung ab 1. November 2009
Um den Umdenkprozess möglichst früh auf breiter Ebene aktiv gestalten zu können, stellt Siemens bereits ab dem 1. November 2009 die Klassifizierung ihrer Drehstrom-Asynchronmotoren auf die neue Bewertung um. Aus der bisher bekannten Wirkungsgradbeschreibung EFF2 wird IE1 und aus EFF1 wird IE2. Dabei geht es nicht allein darum, nur die Typenschilder neu zu stempeln, sondern es gehen damit neue Bewertungsgrundlagen der Wirkungsgradmessung einher. Bei der neuen Wirkungsgradermittlung werden die Zusatzverluste nicht mehr pauschal angesetzt sondern durch Messung ermittelt.
Für Anwender läuft dieser Umstellungsprozess automatisch ab, ohne dass sich für sie allzu große Änderungen ergeben, das heißt, alle Auslegungs- und Bestellmodalitäten werden beibehalten – es findet lediglich die automatische Anpassung auf die IE-Klassifizierung (Änderung der Nomenklatur, der Wirkungsgrade, der Stromwerte) durch Siemens statt. Wichtig wird eine eventuelle konstruktive Anpassung von Maschinen und Anlagen ab 16. 06. 2011. Spätestens dann muss nämlich von IE1 auf IE2 umgestellt werden. Durch den dann obligatorischen Einsatz eines noch energieeffizienteren IE2-Elektromotors können sich für den Anwender unter Umständen Motorentypen, Gewichte, Maße oder Preise ändern.
Die seit Oktober 2008 gültige IEC 60034–30 zur Wirkungsgradklassifizierung basiert auf detaillierten Messverfahren, die zu weltweit einheitlichen Wirkungsgradklassen führen soll. Das bedeutet konkret, dass die Messmethoden zur Verlustermittlung und somit der Wirkungsgrade zwischen IEC- und Nema-Normung vergleichbar werden. Schon heute deckt Siemens mit seinen kompakten Niederspannungs-Motorenserien 1LE1 nach IEC-Standard beziehungsweise 1LE2 gemäß Nema fast alle heute bekannten Wirkungsgrad-Levels weltweit ab.
Bis zum Jahr 2015 will Siemens neben den ab 1. November 2009 angebotenen IE1- und IE2-Motoren eine weitere komplette Motorenreihe in der IE3-Effizienzklasse entwickeln und auf den Markt bringen. Hintergrund dieser Maßnahme ist das Wissen um das damit verbundene Einsparpotenzial. Die Lebensdauerkosten von Elektromotoren summieren sich nämlich überwiegend durch den Stromverbrauch zu recht stattlichen Summen: Bei über 95 % Energiekosten bezogen auf die Gesamtkosten der Life-Cycle-Costs spielt also der reine Komponentenpreis nahezu keine Rolle mehr.
Ein gutes Team: IE-Motor und Frequenzumrichter
Ab 16. 06. 2011 dürfen in der Europäischen Union Drehstrom-Asynchronmotoren der Leistungsgrößen 0,75 bis 375 kW nur noch mit der IE2-Klassifika- tion oder einer höheren Klassifikation in Verkehr gebracht werden. Ab 1. Januar 2015 gibt es den nächsten Effizienzsprung; dann nämlich dürfen im Leistungsbereich von 7,5 bis 375 kW ausschließlich IE3-Motoren verbaut werden. Ab 1. Januar 2017 gilt das gleiche dann auch für Motoren von 0,75 bis 375 kW.
Das zeigt, dass Siemens mit seiner Klassifizierung der Drehstrom-Asynchronmotoren nach IE-Standard ab 1. November 2009 zukunftsorientiert handelt. Denn mittelfristig kommt in der Europäischen Union an der Anpassung seiner Maschinen und Anlagen kein Industriebetrieb vorbei. Das gilt natürlich auch für den Rest der Welt, wenn in die EU geliefert wird.
Selbstverständlich gibt es auch Ausnahmen, um die Verbesserung des Energieverbrauchs nicht zu Lasten der Wirtschaftlichkeit gehen zu lassen. Statt eines IE3-Motors kann ab 2015 zur Ermittlung der Energieeinsparung auch die Antriebskombination aus Frequenzumrichter und IE2-Motoren gewählt werden. Der Hintergrund dieser weiteren antriebstechnischen Lösungsmöglichkeit für Hersteller von Maschinen und Anlagen ist, dass in vielen Fällen allein schon der konstruktive Wechsel von einer mechanischen (Drossel-) Bewegungssteuerung zu einer frequenzgeregelten Steuerung eine merkliche Wirkungsgradverbesserung ergibt. Somit ist es sinnvoll, bei Neukonstruktionen die Variante IE2-Motor mit Frequenz- umrichter einzuplanen.
Aus Gründen der „Vernunft“ und der technischen Umsetzbarkeit gibt es zudem weitere Ausnahmen in der neuen EuP-Richtlinie beziehungsweise in der IEC 60034–30. Darunter fallen zum Beispiel:
  • Ex-geschützte Motoren nach Atex 94/9/EC
  • Motoren mit direkt angebauter Bremse
  • Brandgasmotoren u003E400 °C
  • Wassergekühlte Motoren
  • Motoren für Aufstellhöhen über 1000 m und Tamb u003E 40 °C
  • Motoren, die in eine Anlage integriert sind und deren Wirkungsgrad nur in der Gesamtanlage gemessen werden kann
  • Betriebsart S2 … S9
  • Keine Servomotoren
Rentabilität und Amortisation
Durch die grundsätzlich geänderte Messmethode ändern sich die derzeit geltenden Wirkungsgrade und Bemessungsströme. Um diese automatisch auftretende Diskrepanz zu kompensieren und darüber hinaus die Wirkungsgrade weiter zu steigern, sind gewisse konstruktive Maßnahmen notwendig. Siemens erhöht dafür beispielsweise den Kupferanteil im Stator oder setzt verlustreduziertes Blech ein. Im Rotor kommt Kupfer statt Aluminium zum Einsatz, dessen positive Wirkung auf den Stromverbrauch belegen die Kupfer-Druckgussläufermotoren der Serie 1LE1 seit Langem. Gleiches gilt für die Auslegung beziehungsweise Gestaltung der Lüfter und der Lager.
Begleitet von den gesetzlichen Bestimmungen eines Umstiegs auf energieeffizientere Elektromotoren gibt es natürlich wichtige wirtschaftliche Gesichtspunkte für einen Wechsel. Siemens stellt für die übersichtliche Darstellung von Kosten und Amortisation von Antrieben die Software „Sinasave“ zur Verfügung. Das Programm ermittelt sofort, inwiefern und wann sich eine „bessere“ antriebstechnische Lösung rechnet. Auch das ist ein wertvoller Beitrag, die Kosten-Nutzen-Analyse bei Elektromotoren zu führen, um so den Nutzen verbesserter Technik nicht nur am CO2-Gradienten zu fixieren, sondern auch auf einer finanziellen Grundlage zu belegen.
Mit Wirtschaftlichkeit die Umwelt schützen
Aus den Gesetzesverpflichtungen zur neuen IE-Klassifizierung von Drehstrom-Asynchronmotoren wird deutlich, dass Hersteller von Maschinen und Anlagen schon jetzt damit beginnen können – und auch sollten –, der sich ändernden Gesetzeslage zur Optimierung ihrer Antriebstechnik Rechnung zu tragen. Mit Siemens-Motoren geht das bereits ab dem 1. November 2009, und zwar mit der Umstellung von EFF2- beziehungsweise EFF1-Angaben auf die IE-Klassifizierung.
Wer die ab 1. Januar 2015 verpflichtende, beste Wirkungsgrad-Einordnung IE3 schon jetzt umsetzen möchte, um dann später keine Änderungen mehr vornehmen zu müssen, kann dies ebenfalls ab November 2009 erreichen. Dazu ist nicht zwangsläufig ein IE3-Motor notwendig. Durch die Kombination eines IE2-Motors und eines Frequenzumrichters von Siemens wird die geforderte Wirkungsgradverbesserung ebenfalls erreicht. Damit ist eine solche Antriebsvariante – so oder so – schon heute zukunftssicher. Fazit: Mit der gesetzlichen Vorgabe der IE-Standards wird eindeutig ein neuer Grad der Wirtschaftlichkeit erreicht – das kommt auch unser aller Umwelt zugute.
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