Elektrische Antriebe

1. Der Elektroantrieb ist ein System.


Unabhängig von der Anwendung erfordert die Umsetzung eines Elektroantriebs mehrere Arten von Komponenten:

  • Bauteil für die praktische Wirksamkeit: Pumpe, Ventilator, Kompressor, Antriebsräder oder -rollen usw.
  • mechanische Übertragung (Zahnräder, Riemenscheibe, Kette usw.)
  • Elektromotor (Asynchron-, Synchron- oder Gleichstrommotor)
  • Steuerkreis (mit Direktanlauf, mit Stern-Dreieck-Anlauf oder variabler Drehzahl)

Angesichts der weit verbreiteten Verwendung von Antriebssystemen in der Industrie für unterschiedlichste Anforderungen (Maschinen, Transport, Lüften und Pumpen, Kompression und Kälteerzeugung usw.) verdient ihre Energieeffizienz besondere Aufmerksamkeit.
 

2. Mögliche Verbesserungsmaßnahmen

Implementierung eines Drehzahlreglers


Bei schwankendem Drehzahlbedarf empfiehlt sich der Einbau eines Reglers, um die Drehzahl exakt an den Bedarf anzupassen und so gegenüber einer Situation mit dauerhafter voller Drehzahl Energie einzusparen.

Einschlägige Beispiele finden sich in den Bereichen Pumpen oder Lüften (die Reduzierung der Durchflussmenge hat großen Einfluss auf den Energieverbrauch) und im Materialtransport (Einschränkung des Betriebs mit voller Drehzahl).

Moderne Drehzahlregler korrigieren den Leistungsfaktor (cos phi) und die Verzerrungsleistung, was die Energieeffizienz der Anlage weiter verbessert und Störungen im Stromnetz vermeidet.

Bei einem Drehzahlregler treten jedoch Verluste aufgrund der Umwandlung elektrischer Energie auf (Verluste von 2 bis 4 %), was bedeutet, dass die Investition in einen Drehzahlregler bei Lasten mit konstanter Drehzahl nicht immer rentabel ist.

Softstarter beseitigen zwar Stromspitzen im Stromnetz, tragen jedoch nicht zur Optimierung der Energieeffizienz im Betrieb bei.

Darüber hinaus besteht manchmal die Möglichkeit einer Energierückgewinnung beim Bremsen (was einen geeigneten Drehzahlregler und einen gleichzeitigen Energiebedarf erfordert).

Einsparpotenzial: -4 bis 50 % des Energieverbrauchs 


Elektromotoren mit hohem Wirkungsgrad


Die Anschaffungskosten eines Motors allein sind nicht das beste Auswahlkriterium, da diese Kosten nur 5 bis 20 % der Gesamtkosten einer Anlage über ihre gesamte Lebensdauer ausmachen. Im Gegenteil: Bei Hochleistungsmotoren mit intensivem Nutzungsprofil kann der Energieverbrauch einen erheblichen Teil der Kosten während des Lebenszyklus ausmachen (bis zu 90 %). Dies muss beim Kauf eines solchen Gerätetyps berücksichtigt werden.

Gemäß genormten Effizienzklassen bieten diese Motoren einen deutlich höheren Wirkungsgrad als die alten Baureihen: Die Effizienzklassen von Asynchronmotoren werden von IE1 (Standard-Effizienz: geringste Effizienz) bis IE4 (Super-Premium-Effizienz: höchste Effizienz) definiert.

Die europäische Ökodesign-Richtlinie schreibt eine Vermarktung von immer effizienteren Motoren vor, die für den Nutzer rentabel sind und die Umwelt aufgrund des geringeren Energieverbrauchs schonen:

  • Seit dem 16.06.2011 müssen alle neu auf dem Markt befindlichen Motoren dem Wirkungsgrad IE2 „Hohe Effizienz“ (früher „EFF1“) entsprechen.
  • Seit dem 01.01.2015 müssen neue Motoren zwischen 7,5 und 375 kW mindestens den Wirkungsgrad IE3 „Premium-Effizienz“ aufweisen oder den Wirkungsgrad IE2 erreichen und mit einem Drehzahlregler ausgerüstet sein.
  • Seit dem 01.01.2017 müssen neue Motoren zwischen 0,75 und 375 kW mindestens den Wirkungsgrad IE3 aufweisen oder den Wirkungsgrad IE2 erreichen und mit einem Drehzahlregler ausgerüstet sein.

Einsparpotenzial: 2 bis 8 % des Energieverbrauchs

Aufgrund ihrer Eigenschaften unterscheiden sich IE2- und IE3-Motoren jedoch von Standardmodellen: 

  • Ihre Kosten sind infolge der Sorgfalt bei Konstruktion und Materialien höher.
  • Im Inneren der magnetischen und elektrischen Kreise werden edlere und großformatigere aktive Materialien (Spulen, Magnetbleche) verwendet; die mechanischen Elemente (Lager, Lüftung) sind aufwändiger.
  • Äußerlich können Masse und Abmessungen größer ausfallen.
  • Die Nenndrehzahlen können aufgrund unterschiedlicher elektrischer und magnetischer Eigenschaften etwas höher sein (geringerer Schlupf gegenüber der Netzfrequenz).
  • Ihre Erwärmung fällt geringer aus, was mit einer längeren Lebensdauer einhergehen sollte.

 

Rentieren sich diese hocheffizienten Motoren immer?

Der Einsatz dieser Motoren als Ersatz für Standardmotoren lohnt sich im Allgemeinen bei geringer Leistung (< 11 kW) und intensiver Nutzung (> 2.000 Stunden pro Jahr). Vor der Investition ist jedoch eine genauere Wirtschaftlichkeitsberechnung durchzuführen.

Weitere Informationen finden Sie unter: http://www.motorsystems.org/

 

Vermeidung überdimensionierter Motoren


Der Wirkungsgrad hängt stark vom Teillastverhältnis ab. Idealerweise sollte ein Motor stets um seinen Nennpunkt betrieben werden: Leerläufe oder Läufe unter Teillast führen zu Einbußen beim Wirkungsgrad. Aus diesem Grund sollte auf überdimensionierte Elektromotoren verzichtet werden.

 

Einsparpotenzial: 1 bis 3 % des Energieverbrauchs[1]

Wartung

Die Qualität der Reparaturarbeiten (Neuwicklung) hat einen entscheidenden Einfluss auf den Wirkungsgrad gebrauchter Motoren.

Die Qualität von Installation (Ausrichtung der Wellen, Spannung der Riemen) und Wartung ist entscheidend, um langfristig eine gute Leistung bei der Übertragung zu gewährleisten.

Einsparpotenzial: 0,5 bis 2 % des Energieverbrauchs[1]


Wahl der richtigen mechanischen Übertragung


Innerhalb der Getriebekomponenten treten zwangsläufig mechanische Verluste auf: Zahnräder, Riemen, Ketten usw.

Bei der Wahl der Übertragungsart ist daher auch das Kriterium der Energieeffizienz zu berücksichtigen. Generell sind moderne Lösungen mit Direktantrieb am effizientesten, gefolgt von Zahnrädern und Ketten.

Einsparpotenzial: 2 bis 10 % des Energieverbrauchs