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Versetzung in die höchste Klasse

Energiesparen mit IE4-konformem Permanent-Magnet-Motor
Versetzung in die höchste Klasse

Mit den steigenden Energiekosten haben Entwicklung und Einsatz von Energiesparmotoren in den letzten Jahren deutlich an Relevanz gewonnen. Aktuellster Stand der Technik in diesem Zusammenhang: Motoren, die die Effizienz- Anforderungen der höchsten Klasse IE4 gemäß IEC TS 60034–31 erfüllen. Ein Beispiel für diese neueste Generation ist der Permanent-Magnet-Motor SPRiPM, der von einem V1000- oder A1000-Umrichter gesteuert werden kann.

 

Exklusiv in KEM Der Autor Stephan Hensel ist B (Eng) Automatisierungstechnik bei der Yaskawa Europe GmbH, Eschborn

Die Entwicklung von Energiesparmotoren setzte in Japan bereits zu Beginn der 1990er Jahre ein. Relevante Standards in Bezug auf die Energieeffizienz von Industrieanwendungen setzt aber erst die europäische EuP-Richtlinie für energiebetriebene Produkte und Elektromotoren (EG640/2009) aus dem Jahr 2009. Die Richtlinie ist für Elektromotoren im Leistungsbereich von 0,75 bis 375 kW relevant.
Die internationale Norm IEC 60034–30 definierte zunächst drei Effizienzklassen: von IE1 als niedrigste bis IE3 als höchste Klasse. Seit 2011 müssen alle neu installierten Elektromotoren dem IE2-Standard entsprechen. In einem zweiten Schritt müssen ab 2015 Motoren mit einer Leistung von 7,5 bis 375 kW die Anforderungen der IE3 oder – in Verbindung mit einem Frequenzumrichter – der IE2 erfüllen. In der letzten Phase, ab 2017, gilt diese Anforderung auch für kleinere Motoren ab 0,75 kW. Bis 2020 soll der europäische Gesamtstromverbrauch durch diese Vorgaben um rund fünf Prozent sinken.
Während also aktuell die meisten europäischen Industrieunternehmen über die Umsetzung der IE2-Vorgaben nachdenken, haben innovative Anbieter von Elektromotoren bereits die ersten Modelle der Effizienzklasse IE4 vorgestellt. Die entsprechenden Anforderungen definiert die aktuelle Normen-Version IEC TS 60034–31. Allerdings handelt es sich dabei noch um eine Vornorm. Die weiterhin gültige Vorgänger-Norm IEC 60034–30 regelt die Klassen 1 bis 3, bezieht sich aber lediglich auf die „Wirkungsgradgrenzwerte von Asynchronmaschinen“. Im Unterschied dazu definiert die Nachfolger-Version nicht nur die Anforderungen an die neue Effizienzklasse 4, sondern gilt explizit für alle Arten von Elektromotoren. Das heißt: insbesondere auch für Permanent-Magnet-Motoren.
Besondere Energieeffizienz
Ein Beispiel für die neueste Generation von Energiesparmotoren ist der Permanent-Magnet-Motor SPRiPM (Super Premium IPM Motor, gesprochen wie englisch „Supreme“) von Yaskawa. Dieser wird als Antriebspaket gemeinsam mit dem Frequenzumrichter V1000 bzw. A1000 angeboten und deckt einen außergewöhnlich weiten IE4-konformen Bereich ab.
Testläufe der Universität Coimbra, die auch die Erstellung der ErP-Richtlinien wissenschaftlich begleitet, haben dies bestätigt. Insgesamt sind aktuell acht verschiedene Varianten verfügbar: für Motorwellenleistungen von 0,4 bis 15 kW verfügbar, für 1500 und 3000 min-1, mit Standard-Achshöhen von 71 bis 112 cm und zur normgerechten Fuß- oder Flanschmontage (B3/B5). Alle Varianten sind CE- und IP55-konform.
Die extrem energiesparende Neuentwicklung setzt bereits fünf Jahre vor der zwingenden Gültigkeit der entsprechenden EuP-Richtlinien Hocheffizienz-Anforderungen (Super Premium Efficiency) nicht nur um, sondern übertrifft sie noch mit der (inoffiziellen) Klasse IE4+. Die realisierbaren Energieeinsparungen sind damit so hoch, dass es sich lohnt, statt der derzeit geforderten IE2-Motoren gleich die aktuell höchste Klasse einzusetzen: Die Mehrkosten bei der Erstinves- tition amortisieren sich in der Regel nach rund zwei Jahren. Danach zahlt sich jede einzelne eingesparte Kilowattstunde direkt aus.
Und selbst im Vergleich zur bisher besten Klasse IE3 ergeben sich deutliche Kostenvorteile, wie dieses Beispiel zeigt: In einer Klimaanlage laufen 100 Pumpen mit jeweils 4kW rund um die Uhr. Betrieben mit IE3-Motoren des Typs IM von Yaskawa, deren Effizienz bei 83,1 % liegt, verbrauchen sie dabei pro Jahr rund 4 216 600 kWh. Im Gegensatz dazu gewährleistet der SPRiPM mit IE4+ einen Wirkungsgrad von 92 %. Die Ersparnis in diesem Beispielfall beträgt dadurch 407 900 kWh. Bei einem Strompreis von 0,13 €/kWh bedeutet das: über 53 000 € weniger Energiekosten jährlich.
Kompaktes Design und hohes Drehmoment
Über die besondere Energieeffizienz hinaus zeichnet sich der SPRiPM durch sein extrem kompaktes Design aus. Das spart Platz in der Maschine. Permanent-Magnet-Motoren sind schon konstruktionsbedingt deutlich kleiner und leichter als ein vergleichbarer Asynchronmotor. Bei der Neuentwicklung konnten die Abmessungen nochmals reduziert werden, sodass der neue Motor bis zu 40 % kleiner als ein entsprechender Asynchronmotor ist. Dies entspricht einer zwei Standardgrößen kleineren Rahmen-Abmessung. Damit werden kompaktere Maschinenkonstruktionen möglich. Zudem hat der SPRiPM ein um 50 % geringeres Gewicht und 60 % weniger Massenträgheit als ein Asynchronmotor. Das bedeutet: eine um 60 % schnellere Anlauf- und Auslaufzeit.
Vor allem zeichnet sich die Motor-Innovation durch ein sehr hohes Drehmoment auch im unteren Drehzahlbereich aus. Der IPM-Motor erreicht sein Nennmoment von 100 % vom Start an, also quasi ab der ersten Umdrehung. Bereits bei 150 min-1
ist ein Drehmoment von 150 % möglich.
IE4-Antriebspaket für vielfältige Anwendungen
In Kombination mit dem bewährten Yaskawa V1000-Umrichter bildet der Motor ein leistungsfähiges und technisch einheitliches IE4-Antriebspaket für vielfältige Anwendungen. Zur präzisen und sicheren Steuerung von Permanent-Magnetmotoren bietet der Frequenzumrichter V1000 von Yaskawa eine ebenso zuverlässige wie effiziente Lösung. Dabei ist keine Rückführung notwendig. Das Antriebs- paket ist also preiswerter und robuster. Eingeführt als kleinster Kompaktfrequenzumrichter der Welt, zeichnet sich der V1000 zudem durch einen ausgesprochen geringen Platzbedarf aus.
Im Zusammenspiel mit einem Premium-Frequenzumrichter der Reihe A1000 ist eine noch bessere Performance realisierbar: So kann der Umrichter mit einem speziellen Regelungsverfahren – wiederum ohne Geber oder Sensor – die jeweilige Position des Motors präzise erfassen und ihn exakt positionieren. Dadurch ist sogar ein Drehmoment von über 200 % bei Null Drehzahl möglich. Durch die integrierte Self-Tuning-Funktion des A1000- Umrichters dauert das Set-up lediglich drei Minuten.
Einsatzbereiche und charakteristische Vorteile
Das hohe Anlaufdrehmoment des SPRiPM gewährleistet eine schnellere Motor-Beschleunigung und damit kürzere Zykluszeiten. Vor allem prädestiniert es den Motor aber für Einsatzbereiche, in denen ein hohes Startmoment zum Losbrechen großer Massen gefragt ist, etwa beim Anlaufen einer Förderschnecke mit viskoser Kunststoffmasse. Weitere Beispiele sind Förderbänder, große Füller, Extruder, Kompressoren, Hydraulikpumpen oder sonstige Anlagen in der Getränkeindustrie. Anwendungen finden sich aber auch in der Kälte- und Klimatechnik, im Baugewerbe, in der Produktion, in Petrochemie, Raffinerien, Stahl- und Automobilindustrie sowie in der Medizintechnik und im Prüfstandsbau.
Yaskawa, Tel.: 06196 569-483, E-Mail: annette.vorreiter@ yaskawa.eu.com
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