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Systematische Antriebsbetrachtung

Klaus Allgaier ist Branchenmanager bei der ABB Automation Products GmbH in Ladenburg

Andreas Golf ist Produktmanager Antriebstechnik bei Beckhoff Automation in Verl

Klaus Sirrenberg ist Director Low Voltage Products bei WEG in Deutschland

ABB bietet für ihre Pakete aus IE4-Synchronreluktanzmotor plus Frequenzumrichter bereits gemessene Wirkungsgrade, die den Anforderungen der DIN EN 50598 entsprechen

Zum 1. Januar 2015 ist die nächste Stufe der ErP-Richtlinie 2009/125/EG in Kraft getreten. Neu in Verkehr gebrachte Asynchronmotoren von 0,75 kW bis 375 kW müssen jetzt die Wirkungsgradklasse IE3 haben oder benötigen – bei Wirkungsgradklasse IE2 – einen Umrichter. Die neue Normenreihe DIN EN 50598 geht noch einen Schritt weiter und verlagert den Fokus von einzelnen Antriebskomponenten auf ganze Antriebssysteme. Die etz-Redaktion hat einige Antriebshersteller gefragt, wie sie die neue Antriebsnorm sehen und wie sie diese mit ihren Produkten umsetzen.

Auch wenn sie noch nicht bindend ist, welchen Nutzen bietet die DIN EN 50598 für Anwender?
Klaus Sirrenberg: Durch die DIN EN 50598 rückt der ganzheitliche Ansatz mehr in den Fokus. Die Norm berücksichtigt die Verluste des Antriebssystems bestehend aus Komponenten wie Frequenzumrichter, Filter und Drosseln sowie elektrischem Motor. Hierdurch wird dem Anwender ein Systemwirkungsgrad zur Verfügung gestellt, der bei der Betrachtung der Verluste des kompletten Antriebsstrangs – bestehend aus vorher genannten Systemen inklusive Lastübertragung und Lastmaschine – eine entscheidende Rolle spielt. So kann der Anwender die Effizienz seiner Anlagen und Prozesse gerade bei komplexen Anwendungen noch präziser bestimmen und somit auch besser die geeigneten Betriebsmittel für den Antriebsstrang auswählen. Jede Komponente der Energieverbrauchskette kann zwar für sich genommen bereits zu einer Verbesserung der Energieeffizienz beitragen. Eine größtmögliche Wirkung erreicht man jedoch nur durch die Betrachtung des Gesamtsystems – und dieses sollte auf den optimalen Betrieb ausgerichtet sein.
Klaus Allgaier: Ohne das technische Hintergrundwissen machen Anwender oft Fehler in der Beurteilung der Wirkungsgrade von Antrieben und Antriebssystemen. Die IE-Wirkungsgradklassen für Motoren und die Wirkungsgradangaben für Umrichter können nicht einfach multipliziert werden, um den System-Wirkungsgrad zu erhalten. Die DIN EN 50598 legt die IE-Klassen für komplette Antriebsmodule und die neuen IES-Klassen für das Leistungsantriebssystem aus Motor, Frequenzumrichter und Hilfskomponenten fest. Der Anwender kann sich jetzt sicher sein, wenn er die Wirkungsgradangaben verschiedener Hersteller vergleichen möchte, dass er auch wirklich Äpfel mit Äpfeln vergleicht. Die Norm ermöglicht eine einfache und auch richtige Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Fabrikaten hinsichtlich der Motor-, Frequenzumrichter- und Paket-Wirkungsgrade. Künftig müssen die Angaben für die Wirkungs- grade für Frequenzumrichter- und Frequenzumrichter-Motor- Pakete auf einen definierten Standard basieren. Die DIN EN 50598 bietet durch Messungen oder Berechnungen an standardisierten Arbeitspunkten einen standardisierten Weg zur Bestimmung der Systemverluste. Die Leistungsantriebs- Wirkungsgradklasse beruht dabei auf den ermittelten Systemverlusten an einem Arbeitspunkt.
Dr. Lothar Springob: Die DIN EN 50598 verpflichtet die Hersteller von elektrischen Antriebssystemen ökologische Aspekte bei der Produktentwicklung zu berücksichtigen und die Effizienz der Lösungen zu dokumentieren.

WEG beabsichtigt unter Berücksichtigung des Systemgedankens auch eine Kategorisierung nach IES für Motor-Umrichter-Kombinationen vornehmen

Dr. Lothar Springob ist Head of R&D der Bonfiglioli Vectron GmbH in Krefeld

Dies ermöglicht dem Anwender nun eine bessere und fundierte Vergleichbarkeit verschiedener Produkte anhand praxisgerechterer Kriterien. Darüber hinaus können Systemlösungen mit genau aufeinander abgestimmten Einzelkomponenten zusammengestellt werden. Dadurch erhält der Endanwender Produkte mit garantierten, definierten Eigenschaften hinsichtlich der DIN EN 50598. Insgesamt ergibt sich dadurch weiteres Potenzial für Energieeinsparungen.
Andreas Golf: Die DIN EN 50598 verbindet den Motor mit dem Umrichter. Der Umrichter wurde bislang aus der Betrachtung ausgenommen, da häufig Asynchronmotoren mit durchschnittlichem Wirkungsgrad, verbunden mit Getrieben, die im Worst Case ebenfalls einen mittelmäßigen Wirkungsgrad hatten, im Einsatz waren. Der größte Teil der Verlustleistung lag dabei bei den Motoren. Erfreulicherweise wurden in der letzten Zeit die Energierichtlinien ständig verschärft. Mit der Norm wird der Anwender in die Lage versetzt, sein Gesamtkonzept energetisch zu qualifizieren und die optimalen Produkte auswählen zu können. In Summe bedeutet das, der Antriebsstrang wird transparenter. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Einbindung und Ausnutzung der Module, da ein verfehltes Energiemanagementsystem das Gesamtbild wieder eintrüben kann. Hier ist eine fundierte Beratung des Kunden erforderlich, um ein abgerundetes Ergebnis zu erzielen. Aber ich unterstütze den eingeschlagenen Weg; er bietet viele Möglichkeiten, die Produkte weiter zu verbessern.

Wie gut sind Sie auf die neue Norm vorbereitet?
K. Allgaier: Als Mitglied in den relevanten Normengremien weiß man bei ABB, worum es geht. Wir sind bestens vorbereitet und haben die Inhalte der neuen Norm für unsere Synchronreluktanzmotoren schon umgesetzt. Zusätzlich zu den von der Norm vorgeschriebenen Arbeitspunkten haben wir weitere, über den gesamten Drehzahlbereich verteilte Arbeitspunkte nachgeprüft. Damit wird sichergestellt, dass unsere Kunden auch tatsächlich bei den von ihnen genutzten Drehzahlen den gewünschten Systemwirkungsgrad erhalten. Diese Punkte haben wir nach dem im Entwurf der DIN EN 50598 definierten Methoden überprüft.
A. Golf: Bei unseren Motoren waren wir bereits seit Anfang der Einführung der ErP-Richtlinien auf höchstem technologischem Niveau. Die Effizienz unserer Motoren lag immer weit oberhalb geforderter Werte, so dass der Kunde ohne Einschränkungen eine optimale Auswahl treffen konnte. Bei den Umrichtern sehe ich das genauso, jedoch entwickeln wir auf Basis neuer Halbleiter-Technologien neue, effiziente Produkte und auch bestehende Produktreihen werden kontinuierlich auf die Einhaltung der neuen Normen überprüft.
Dr. L. Springob: Eines der Ziele für die Gründung der „Bonfiglioli Mechatronic Drives & Solutions Division“ (MDS) war die Annäherung von Kompetenzen in Mechanik, Elektrik, Elektronik und Anwendung. Das Produktangebot der MDS Division umfasst den kompletten Antriebsstrang: bürstenlose Motoren, spielarme Getriebe, Wechselrichter und Servoantriebe. Die Kombination dieser Produkte, in Verbindung mit dem kompletten Angebot im Geschäftsbereich Industrial, ermöglicht es Bonfiglioli, als One-Stop-Shop für Mechatroniklösungen aufzutreten und sowohl elektronikgestützte Produkte als auch mechatronische und vertikal integrierte Lösungen zu entwickeln. Bei all diesen Aktivitäten spielen auch die Anforderungen der DIN EN 50598 eine zentrale Rolle.
K. Sirrenberg: Als Hersteller von Elektromotoren, Getriebetechnik und Automatisierungskomponenten ist WEG eines der wenigen Unternehmen auf dem internationalen Markt, das über Kompetenz für den gesamten Antriebsstrang verfügt und somit hervorragend positioniert ist, um in Sachen energieeffiziente Antriebe fachkundig zu beraten und Komplettlösungen zu konzipieren. Wir beschäftigen uns schon seit einiger Zeit mit Systemwirkungsgraden in Verbindung mit unseren Umrichtern und Motoren, um dem Kunden optimierte Systeme zur Verfügung zu stellen. Auf Basis der nun ausformulierten Anforderungen werden wir in naher Zukunft mit den Klassifizierungen der Systeme entsprechend der neuen Norm starten und unseren Kunden diese dann entsprechend anbieten.

Für welche Ihrer Produkte geben Sie die Effizienzklassen gemäß DIN EN 50598 an?
A. Golf: Die Einstufung der Produkte in einzelne Effizienzklassen ist noch in Vorbereitung.
K. Allgaier: ABB bietet schon jetzt gemessene Synchronreluktanzmotor- Umrichter-Paketwirkungsgrade, die den Anforderungen der DIN EN 50598 entsprechen. Für rund 50 Pakete haben wir die Leistungen auf dem Prüfstand durchgemessen und entsprechende Herstellererklärungen erstellt. Diese enthalten die verifizierten Systemwirkungsgradwerte für die Motor-Umrichter-Pakete, die für verschiedene Anwendungen vorgesehen sind. Durch die Verwendung der Wirkungsgradkurven der Antriebspakete können die Anwender deren Energieverbrauch präzise bestimmen.
K. Sirrenberg: Im Moment sind unsere Asynchronmotoren nach IE-Klassen eingeteilt. Hier können wir für die komplette Motorenbaureihe W22 alle relevanten Baugrößen bis Energieeffizienzklasse IE4 liefern, selbst der Ultra-Premium- Wirkungsgrad „IE5“ ist bereits möglich. Wir sind gerade dabei, die IE-Effizienzklassen für unsere Umrichter zu ermitteln und werden anschließend unter Berücksichtigung des Systemgedankens auch eine Kategorisierung nach IES für Motor-Umrichter-Kombinationen vornehmen.
Dr. L. Springob: Bonfiglioli Vectron MDS ist ein global operierendes Unternehmen, das den vollständigen Antriebsstrang bestehend aus Getriebe, Motor und Antriebselektronik liefern kann. Dementsprechend können wir die technischen Daten für jede Antriebsstrangkombination angeben.

Stellen Sie auch Verluste bei Teillast gemäß DIN EN 50598 bereit?
A. Golf: Auch diese Werte sind derzeit noch in Vorbereitung.
K. Allgaier: Ja, am Beispiel unserer Herstellererklärungen lässt sich erkennen, dass ABB sowohl für Konstant- als auch für quadratische Momentanwendungen die Werte gemessen hat.
Dr. L. Springob: Wir arbeiten derzeit unter anderem an der Bestimmung der Verlustleistungen der einzelnen Komponenten in den definierten applikationsrelevanten Betriebspunkten. Diese und weitere Daten fließen anschließend in unser Auslegungs-Tool für Antriebssysteme ein, welches dem Anwender über unser Drive Service Center (DSC) zur Verfügung steht.
K. Sirrenberg: Wir werden alle Verluste komplett gemäß der neuen Norm ermitteln und zur Verfügung stellen. Dazu gehören selbstverständlich auch die Verluste im Teillastbereich.

Wie unterstützen Sie Ihre Kunden sonst noch bei der Einhaltung der Vorschriften?
A. Golf: Dies geschieht durch eine enge Zusammenarbeit mit unseren Kunden. Die Berechnung der Gesamteffizienz benötigt auch Informationen über die jeweilige Applikation. Eine geschickte Auswahl und Ausnutzung der Antriebskomponenten hilft, die Energiekosten der Maschine zu senken und dem Endkunden zu einem höheren Ertrag zu verhelfen. Davon wiederum profitiert der Maschinenlieferant und wir erzeugen dadurch eine Win-win-Situation.
K. Sirrenberg: Individuelle, fachkundige Beratung ist in dieser Sache ganz entscheidend. Wann immer möglich geben wir dem Kunden Hilfestellung bei der Interpretation und Umsetzung der Vorschriften. Alles bezogen auf seine Gesamtanlage, also die Verluste (Wirkungsgrad) des Systems. Dies tun wir, indem unsere Experten die Anwendung eingehend analysieren und anschließend entsprechend beraten, mit welcher Antriebslösung der Kunde maximale Energieeffizienz erzielen kann. Als Systemanbieter und Vorreiter in Sachen energieeffizienter Antriebe sind wir wie gesagt bestens aufgestellt, um unsere Kunden in Bezug auf Energieeffizienz zu beraten.
Dr. L. Springob: Bonfiglioli Vectron MDS unterstützt seine Kunden durch das Drive Service Center (DSC). Das DSC bietet neben der präventiven Informationsstrategie die fallgebundene Applikationsunterstützung an. Spezielle Fragen werden dann im Hause Bonfiglioli Vectron mit Unterstützung der R&D-Abteilung für unsere Kunden zur Klärung gebracht. Bonfiglioli Vectron MDS bietet in den Servo- und Frequenzumrichtern zahlreiche Funktionen für die Energieeinsparung. Dies sind zum einen Funktionen, die den Antriebsstrang bestehend aus Getriebe, Motor und Umrichter betreffen, wie Flussabsenkung oder Stand-by-Funktionen, und zum anderen aber auch Funktionen, die applikationsspezifisch der Optimierung der Anwendung dienen. Darüber hinaus bieten wir unseren Kunden die Möglichkeit spezielle Anforderungen hinsichtlich der Energieeffizienz einer Anlage durch kundenspezifische Funktionalitäten, sogenannte Customized Solutions, zu lösen.
K. Allgaier: Zunächst: Die DIN EN 50598 ist noch keine Vorschrift. Das wird sie erst, wenn sie zur Richtlinie wird. Die DIN EN 50598 ist derzeit ein Standard, der noch nicht bindend ist. Bei den IE-Klassen unterstützen wir unsere Kunden durch sehr viel Information. Wir informieren sie mittels Flyern, einer speziellen Internetseite sowie auf Messen, was die Richtlinien für die IE-Klassen und der neue Standard auf sich haben. Zusätzlich gibt es für unsere IE4-Synchronreluktanzmotoren ein sogenanntes Effizienz-Vergleichstool. Damit lässt sich deren Amortisationszeit gegenüber IE2-Asynchronmotoren exakt berechnen. (no)

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