Sparsam bewegen Energieeffizienz von Elektromotoren optimieren

Viele elektrische Motoren und Antriebe verbrauchen mehr Strom als nötig, weil sie nicht im optimalen Wirkungsbereich arbeiten. Feldorientierte Motorsteuerungen (FOC) können Abhilfe schaffen, denn sie ermöglichen eine exakte drehmoment- und geschwindigkeitsorientierte Regelung. Um die Systemkosten im Rahmen zu halten, stehen vor allem sensorlose Lösungen im Fokus.

Ein zentraler Punkt, auf den Entwickler von Elektromotoren künftig verstärkt achten müssen, ist die Umweltverträglichkeit der Systeme, speziell die Energie-effizienz. Nach Angaben des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) entfallen auf Elektromotoren und entsprechende Systeme 40 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs. Zudem sind diese Komponenten für 6 Milliarden Tonnen der globalen CO2-Emissionen verantwortlich. Das entspricht 20 Prozent des gesamten Ausstoßes an Kohlendioxid. Hinzu kommt der Strombedarf von kleineren Elektromotoren, die in Haushaltsgeräten zum Einsatz kommen. Dazu zählen Pumpen von Geschirrspülern und Waschmaschinen oder Ventilatoren von Dunstabzugshauben und WCs.

Nach Daten des Fraunhofer-Instituts werden 2015 in Deutschland große elektrische Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen rund 127 PJ (= 35 TWh) verbrauchen. Auf Umwälzpumpen von Heizungssystemen entfallen weitere 26 PJ (= 7,2 TWh). In Gewerbe, Handel und Dienstleistungen (GHD) prognostiziert das Institut für das Jahr 2020 alleine für Kühlgeräte, Klimaanlagen, Rechenzentren und Umwälzpumpen einen Strombedarf von 106 PJ (29,4 TWh). Dies ist ein Drittel des gesamten Stromverbrauchs in dieser Sparte.

Bei Fraunhofer geht man davon aus, dass sich der Stromverbrauch dieser Geräte durch den Einsatz effizienter Motoren und Antriebe, die Optimierung des Systemdesigns und den Einsatz kleinerer Motoren bis 2030 um 30 bis 40 Prozent reduzieren lässt. Ein weiterer Faktor, der bei der Umweltverträglichkeit von Elektro-motoren eine Rolle spielt, ist die Dimensionierung. Je kompakter ein Motor, desto weniger Material erfordert seine Herstellung und desto weniger aufwendig ist die Entsorgung. Derzeit sind viele Motoren zu groß ausgelegt und werden nur mit Teillast betrieben.

Je geringer die Auslastung des Motors, desto geringer auch sein Wirkungsgrad und sein Leistungsfaktor. Die Energieagentur NRW schätzt, dass im Produktionsbereich die relative Leistungsaufnahme unter Volllast zu installierter Leistung üblicherweise nur bei 50%, im Leerlauf bei nur 25% liegt. Effizient wäre dagegen eine relative Leistungsaufnahme unter Volllast zu installierter Leistung von 100%, im Leerlauf immerhin von 50%.

Die Schweizerische Agentur für Energieeffizienz S.A.F.E. bemängelt zudem, dass Kleinmotoren in Haushaltsgeräten und Pumpen zu groß dimensioniert seien (Bild 1). Die Motoren von Umwälzpumpen fallen demnach meist um den Faktor 3 zu groß aus. Ähnliche Werte seien bei Kleinkompressoren und Kompaktventilatoren festzustellen.

EU-Kommission verschärft Vorschriften

Nicht alleine wirtschaftliche Gründe - Stichwort Stromkosten - zwingen Hersteller und Nutzer von elektrischen Motoren, energieeffiziente Systeme einzusetzen. Hinzu kommen die Mindestanforderungen hinsichtlich der Energieeffizienz von Elektro-motoren, welche die EU-Kommission auf Grundlage der EU-Ökodesign-Richtlinie einführt (Bild 2). Diese sind in der EU-Verordnung 640/2009 über die umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren definiert und werden schrittweise bis 2016 eingeführt.

Unter die Regelung fallen 50/60-Hz-Asynchronmotoren mit einer Leistung von 0,75 kW bis 375 kW. Ab 2015 dürfen demnach Motoren der Effizienzklasse IE2 zwischen 0,75 kW und 375 kW nur noch mit Drehzahlregelung (Frequenzumrichter) betrieben werden. Ab 2017 ist das auch bei Motoren von 0,75 kW bis 7,5 kW der Fall. Der Wirkungsgrad von Elektromotoren lässt sich mithilfe der feldorientierten Regelung (Field-oriented Control, FOC) erhöhen. Mit ihr kann der Anwender den Motor jederzeit mit dem optimalen Drehmoment und der idealen Geschwindigkeit betreiben.

Die bessere Dynamik bietet zudem eine präzise und vor allem schnelle Geschwindigkeitsregelung, etwa beim Umschalten zwischen den Stufen des Programms in Waschmaschinen oder bei Pumpen. Außerdem sorgt die geringere Schwankung des Drehmoments für eine gleichmäßige Motordrehung im Betrieb sowie beim Start und Stopp des Motors.

Ein Nachteil von FOC ist, dass ein mechanischer Sensor zur Steuerung erforderlich ist. Dieser lässt sich allerdings in Form eines Software-Encoders bereitstellen. Das hat jedoch zwei Nachteile: die hohe Komplexität und mögliche Performance-Einbußen, vor allem bei niedrigen Geschwindigkeiten. Ein weiterer Nachteil von FOC ist die relativ hohe Empfindlichkeit gegenüber Parameterschwankungen, beispielsweise wärmebedingten Änderungen von Widerstandswerten.

Mit »InstaSpin-FOC« hat Texas Instruments eine Technik entwickelt, welche die Nachteile der sensorlosen Steuerung eliminieren beziehungsweise auf ein für viele Anwendungen vernachlässigbares Niveau reduzieren kann. In Verbindung mit dem Software-Encoder-Algorithmus »FAST« (Flux - Angle - Speed - Torque) und einem Mikrocontroller der Reihe »C2000 Piccolo« des Unternehmens ermöglicht sie es dem Entwickler, innerhalb weniger Minuten jeden beliebigen dreiphasigen Asynchron- und -Synchronmotor abzustimmen und über unterschiedliche Drehzahlbereiche und Belastungsniveaus hinweg zu regeln.

Gegenüber traditionellen Verfahren, etwa dem Luenberger-Beobachter oder Sliding-Mode-Observer (SMO), bietet InstaSpin-FOC mehrere Vorteile. So lassen sich robuste, langsam drehende Motoren mit hohem Drehmoment für kompakte und leise Direktantriebe entwickeln, die beispielsweise bei E-Bikes eingesetzt werden. Der FAST-Observer-Algorithmus schätzt magnetischen Fluss (Flux), Rotorwinkel, Drehzahl und Drehmoment in jeder Situation zuverlässig ein. Das macht in vielen Fällen reale Drehgeber überflüssig.

FOC bei AC-Induktionsmotoren

Günstig auf den Energieverbrauch wirkt sich bei der Lösung von Texas Instruments ein weiterer Faktor aus: Die Winkelinformation bleibt auch bei deutlich weniger als 1 Hz (typisch) mit vollem Drehmoment, bei Drehrichtungsumkehr und blockiertem Motor (mit problemloser Aufhebung der Blockierung) erhalten. Ebenfalls positiv auf den Energieverbrauch wirkt sich aus, wenn die Anlaufprobleme von Motoren überwunden werden.

Bei InstaSpin-FOC sorgen dafür integrierte Startbetriebsarten. Bis zur Feststellung des Rotorwinkels vergeht weniger als ein elektrischer Zyklus. Unter dem Strich ergibt sich bei Einsatz des FAST-Encoders ein optimierter Wirkungsgrad für alle Arten von Antrieben. AC-Induktionsmotoren sind äußerst beliebt. Gründe dafür sind ihre hohe Robustheit und Langlebigkeit, die Unabhängigkeit von Seltenen Erden, die niedrigeren Kosten und die Tatsache, dass viele Entwickler mit dieser Technologie vertraut sind. Auf solche Antriebe entfallen etwa 80 Prozent des Stromverbrauchs durch Industrie-motoren.

Durch den Einsatz von InstaSpin-FOC zusammen mit »PowerWarp« lassen sich bei diesem Motorentyp hohe Stromeinsparungen erzielen (Bilder 3 und 4). Diese Software erhöht die Motoreffizienz speziell bei niedrigeren Lasten drastisch. Um das Steuersystem stabil zu halten, aktiviert PowerWarp einen Ausgleich im dynamischen Moment und Drehzahlverlauf. Die Grundlage dafür ist die Reduzierung der Motorkupferverluste, und zwar sowohl im Stator als auch im Rotor.

Nach Erfahrungswerten von Texas Instruments lassen sich bei einem Umstieg auf InstaSpin-FOC und Power--Warp bis zu 80 Prozent der Energie einsparen. Die Einsparungen werden insbesondere dann erreicht, wenn der Antrieb im Teillastbereich arbeitet. Bei Volllast fallen die Einspareffekte geringer aus. Da jedoch der Großteil der Elektromotoren in der Regel nur selten unter Volllast arbeitet, lassen sich mit PowerWarp erhebliche Einsparungen erzielen.

So müssen Entwickler auch bei steigenden Energiepreisen und zunehmendem politischen Druck auf die Erhöhung der Effizienz nicht auf diesen wichtigen Motorentyp verzichten. Umweltfreundliche Elektromotoren und Antriebe zeichnen sich jedoch nicht nur durch einen optimalen Wirkungsgrad und niedrigeren Stromverbrauch aus. Traditionelle sensorbasierte FOC-Motorsteuerungen, die statt eines Software-Encoders wie FAST mechanische Sensoren verwenden, benötigen eine aufwendigere Verkabelung, vor allem dann, wenn eine größere Distanz zwischen Motor und Steuerung zu überbrücken ist. Um Störfaktoren wie Rauschen auszuschalten, sind dabei zudem aufwendigere geschirmte Kabel erforderlich. Ebenfalls negativ auf die Umweltbilanz wirkt sich aus, dass bei herkömmlichen Sensor-FOC-Steuerungen der Sensor häufig eine separate Stromversorgung benötigt. Das erhöht die Kosten und die Fehleranfälligkeit.

Über den Autor:

Michael  Seidl ist Business Development Manager bei Texas Instruments.

Betriebsstunden
1000 Stunden/Jahr
2000 Stunden/Jahr
4000 Stunden/Jahr
8000 Stunden/Jahr
Energieeinsparung
2600 kWh/a
5200 kWh/a
10400 kWh/a
20800 kWh/a
Kosteneinsparung
rund 600 Euro
rund 1200 Euro
rund 2400 Euro
rund 4800 Euro
Tabelle 1: Energie- und Kosteneinsparungen, wenn ein Motor mit Wirkungsgrad von 85 % gegen ein Modell der Effizienzklasse IE3 ausgetauscht wird (Strompreis 0,23 Euro/kWh)
Optimierungsmöglichkeiten   
Um den Energieverbrauch von Elektromotoren zu ermitteln, die in der industriellen Antriebstechnik eingesetzt werden, kommen folgende Ansatzpunkte in Frage:   

Erhöhung des Wirkungsgrades des Motors,
variable Anpassung der Drehzahlen sowie
Optimierung des Gesamtsystems, etwa Einsparungen beim Getriebe.
Nach Berechnung des ZVEI lassen sich bei Verwendung einer bedarfsgerechten Drehzahlregelung von Elektromotoren etwa 30 bis 40 Prozent der Betriebskosten einsparen. Allerdings sind derzeit in Deutschland laut ZVEI nur etwa 12 Prozent der elektrischen Antriebe in Produktionsanlagen mit einer elektronischen Drehzahlregelung ausgestattet.