Antriebstechnik Motoren sparen Energie

Motoren verbrauchen einen Großteil der erzeugten elektrischen Energie. Schafft man es, sie effizienter zu gestalten, lässt sich viel Energie und damit auch CO2 einsparen. Eine neue Serie an Synchronservomotoren nebstentsprechendem Regler soll den Energiebedarf um mehr als 40 Prozent senken.

Mit IE4 erfüllen die Synchronservomotoren der Serie »AKM« von Kollmorgen die höchste der Wirkungsgradklassen nach der neuen Norm IEC 60034-30. Sie sollen im Schnitt 30 Prozent weniger Energie als traditionelle Asynchronmotoren benötigen, und auch gegenüber konventionellen Synchronservomotoren punkten sie mit ihrer Effizienz. Noch besser wird die Energiebilanz der AKMs, wenn sie mit dem Servoverstärker »AKD« (Advanced Kollmorgen Drive) kombiniert werden.

Damit soll der Energiebedarf um mehr als 40 Prozent sinken. Pro Achse und Jahr seien Einsparungen von bis zu 1000 Euro möglich. Asynchron-motoren der Wirkungsgradklasse IE1 der IEC 60034-30 sind aufgrund ihrer Ineffizienz in den Fokus der EU geraten: Ab dem 16. Juni 2011 dürfen sie im Leistungsbereich 0,75 kW bis 375 kW nicht mehr auf den EU-Markt gebracht werden (siehe Kasten). Dass die AKM-Motoren so viel effizienter sind als Asynchronmotoren, liegt unter anderem an integrierten Permanentmagneten. Anders als bei nicht synchronen Lösungen benötigen sie deshalb keine Extraenergie, um ein Magnetfeld elektrisch zu erzeugen.

Erheblich im Verbrauch bemerkbar macht sich zudem die wesentlich geringere Massenträgheit der AKM-Lösungen. Sie beträgt mitunter nur ein Zehntel derer von Asynchronmodellen, sodass zur Beschleunigung auch nur ein Zehntel der Energie nötig ist. Bei Anwendungen mit häufig wechselnden Drehzahlen lassen sich manche Parameter gegenüber Asynchronlösungen um bis zu 50 Prozent verbessern. Dies soll ein Beispiel aus der Werkzeugmaschinenbranche belegen: Bei einem Mehrspindeldrehautomaten mit 38 Achsen reduzierte sich die aufgenommene Leistung von 5,36 kW auf 3,12 kW, die Wärmeleistung der Motoren sank von 2,7 kW auf 1,3 kW.

Aufgrund hoher Leistungsdichte, kleinem Trägheitsmoment und geringem Cogging (Rastmoment) erreichen die AKM-Motoren einen Wirkungsgrad, mit dem sie sich auch gegenüber konventionellen Synchronservomotoren abgrenzen. Bei gleicher Leistung bauen sie laut Hersteller 30 Prozent bis 50 Prozent kompakter und 10 Prozent bis 30 Prozent leichter. Dies ermöglicht kleinere, leichtere Maschinen mit verbesserter Wärmeabfuhr, Haltbarkeit, Verfügbarkeit und Performance.

Zudem stehen acht unterschiedliche Baugrößen mit vielen Wicklungsvarianten und optionalen Rückführsystemen zur Verfügung. Durch die Überlappung der Stillstandsmomente und Nenndrehzahlen sind eine feine Abstufung des Leistungsbedarfs und damit eine sehr genaue Auslegung möglich. Überdimensionierte, unnötig viel Energie verbrauchende Motoren, die noch immer weit verbreitet sind, lassen sich so vermeiden.

Passender Servoverstärker

Werden AKM-Motoren mit dem Servoverstärker AKD von Kollmorgen kombiniert, lässt sich die Energieeffizienz einer Antriebslösung weiter steigern, wie vergleichende Testreihen gezeigt haben. Der Grund hierfür liegt vor allem in einer verbesserten Regelung: Im AKD hinterlegte Motordaten sowie Regelalgorithmen bewirken - neben höherer Präzision und Produktivität - auch einen bedarfsgerechten Energieabruf.

Weiterhin lässt sich durch eine DC-Bus-Kopplung Energie aus den Zwischenkreisen zurückgewinnen, die beim Bremsen zwischengespeichert wurde. Besonders effektiv ist eine derartige Zwischenkreiskopplung, wenn mehrere Antriebe »intelligent« aufeinander abgestimmt werden. Weitere Einsparungen lassen sich durch Einsatz eines Kapazitätsmoduls von Kollmorgen realisieren.

Dieses speichert die Energie generatorisch arbeitender Achsen. Ein Rechenbeispiel zeigt, welch Kosteneinsparungen mit dieser Antriebslösung möglich sind: Sinkt die Leistungsaufnahme um 780 W, entspricht dies bei 16 Betriebsstunden der Maschine pro Tag und 250 Arbeitstagen einer Energieeinsparung von 3120 kWh im Jahr. Bei einem Lebenszyklus der Maschine von acht Jahren sind das 24 960 kWh. Bei einem Strompreis von 0,15 Euro pro kWh werden so 3744 Euro pro Achse eingespart.(

Die neue Norm IEC 60034-30

Die IEC 60034-30 definiert und harmonisiert nun weltweit die Wirkungsgradklassen IE1, IE2 und IE3 für Niederspannungs-Drehstrommotoren von 75 W bis 375 kW. Mit dieser Norm wurden ebenfalls neue Verfahren zur Messung des Wirkungsgrades solcher Motoren eingeführt. Die neue Norm führt zu einer deutlich erhöhten Genauigkeit unter definierten Laborbedingungen.

In der IEC 60034-30 ist IE4 definiert als »Super-Premium« und im Anhang A zur Anwendungsrichtlinie IEC 60034-31 zu finden. Zur Information werden dort die vorgesehenen Grenzwerte für Super-Premium-Wirkungsgrade IE4 angegeben, die mit um 15% reduzierten Verlusten gegenüber der Klasse IE3 vorgesehen sind. Diese ist allerdings keine verbindliche Norm, sondern nur eine technische Empfehlung. Das heißt, IE4 ist technisch möglich, aber in keiner Weise gesetzlich vorgeschrieben.

Mittlerweile ist die Verordung (EG) Nr. 640/2009 vom 22. Juli 2009 zur Durchführung der Richtlinie 2005/32/EG im Hinblick auf die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren in Kraft getreten. Damit wird es in Europa erstmals verbindliche Regelungen für Motoren und den Einsatz von Frequenzumrichtern geben. Sie schreibet Folgendes vor:

ab 16.06.2011 müssen Motoren (0,75 kW bis 375 kW) mindestens dem Wirkungsgrad IE2 entsprechen,

ab 01.01.2015 müssen Motoren (7,5 kW bis 375 kW) mindestens IE3 oder IE2 mit Frequenzumrichter entsprechen,

ab 01.01.2017 müssen Motoren (0,75 kW bis 375 kW) mindestens IE3 oder IE2 mti Frequenzumrichter ensprechen.

(Quellen: www.kueenle.de, www.energy-efficient-production.siemens.de, www.danfoss.com)