Alter Wein in neuen Schläuchen?

Zur Durchsetzung ihrer ehrgeizigen Klimaschutz-Ziele verabschiedete die Europäischen Union am 21. Oktober 2009 die ErP-Richtlinie (ErP – Energy-related Products) 2009 / 125 / EG, die auch Elektromotoren und Drehzahlregler betrifft.

Michael Burghardt Product Manager VLT® HVAC Drive Danfoss GmbH VLT Antriebstechnik

„Infolge der Forderung nach hoher Energieeffizienz bei Elektromotoren drängen viele unterschiedliche Varianten auf den Markt. Die Kenntnis der traditionellen und neuen Technologien erleichtert dem Anwender die Diskussion mit dem Hersteller und die gemeinsame Entwicklung der besten Antriebslösung für die jeweilige Applikation. “

Knapper werdende fossile Energieträger, Klimawandel, Erderwärmung – vielfältige Beweggründe für eine deutliche Reduzierung des Energieverbrauchs. Der Erreichung dieses Zieles dienen für Hersteller verbindliche Mindestwirkungsgradklassen für Elektromotoren von IE1 (niedrigste Klasse) bis IE4 (höchste Klasse) in der EN 60034-30. Auch sonst arbeiten alle Hersteller intensiv an der Entwicklung immer leistungsfähigerer und effizienterer Motoren.

Mit der Reihe VLT AutomationDrive bietet Danfoss modernste Antriebsreglertechnologie mit integrierten Sicherheitsfunktionen, vollständiger Ausstattung und bewährter Zuverlässigkeit sowie einen sehr hohen Gesamtwirkungsgrad.

Effizienzoptimierung: Wie?

Ihr Fokus liegt auf Veränderungen bestehender und Verwendung neuer bzw. wiederentdeckter Motortechnologien. Anwender sind mit einer Vielzahl von Trends im Markt konfrontiert. Sie fragen sich, was sich hinter den verschiedenen Begriffen und Technologien verbirgt, vor allem aber, welche Motoren für welche Anwendung geeignet sind. Dieser Beitrag versucht, auf diese Fragen eine Antwort zu geben, ohne die verschiedenen Motortypen und –technologien bis ins Detail zu erklären.

Wie lassen sich die Wirkungsgrade optimieren und damit die Effizienzklassen erreichen und einhalten? Hersteller versuchen, die Verluste in Rotor und/oder Stator zu minimieren, etwa durch den Einsatz magnetisch besser leitender Bleche oder Drähte mit höherer Leitfähigkeit wie Kupfer statt Aluminium. Dadurch ändern sich allerdings andere Charakteristika mit, sodass Anwender im Einzelfall prüfen müssen, welche Technologie für den spezifischen Einsatzfall geeignet ist.

Zwei Drittel des gesamten industriellen Verbrauchs erfolgt durch Elektromotoren, die millionenfach in Maschinen, Anlagen und Prozessen arbeiten.

Robust und zuverlässig

Bis heute ist die 1889 von AEG entwickelte Drehstromasynchronmaschine das Arbeitspferd der Industrie und für viele Anwendungen geeignet. Sie arbeitet robust und zuverlässig und benötigt keine Verschleißteile wie Kommutator und Bürsten. Zur Prozessoptimierung trug die Entwicklung von Softstartern und Frequenzumrichtern bei. Der Softstarter verringerte deutlich den Anlaufstrom und übergibt den Motor nach dem Startvorgang üblicherweise ans Netz, der Umrichter erlaubt eine genaue und energieeffiziente Drehzahlregelung.

Der Verbesserung des Wirkungsgrads dient der Einsatz von mehr oder besseren Blechen für Ständer und Rotor. Das vergrößert in vielen Fällen die Motoren, allerdings gewährleisten die Hersteller durch Einhaltung der IEC-Anschlussmaße die Kompatibilität auch zu älteren Anlagen. Der Austausch eines Motors zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist meist nur bei sehr alten Modellen sinnvoll. Der Danfoss VLT® Drive Motor FCM300 hat schon vor über 10 Jahren die heutigen Klasse IE2 eingehalten, ist also auch nach 2017 noch konform. In jedem Fall ist zu prüfen, ob konstruktive Änderungen erforderlich sind. Während mit Drehstrom-Asynchronmotoren die Wirkungsgradklasse IE4 prinzipiell erreichbar ist, wird IE5 kaum zu schaffen sein. Ein reibungsloser Betrieb und eine optimale Drehzahlregelung mit Frequenzumrichtern ist gewährleistet.

Aktives Material

Der Kupferläufermotor unterscheidet sich bei gleichem Aufbau und Funktionsprinzip durch die Käfigwicklung im Rotor. Sie besteht statt aus Aluminium aus Kupfer. Dessen geringerer Widerstand reduziert die Verluste im Läufer und lässt den Motor Wirkungsgradklasse IE3 oder IE4 erreichen. Der Kupferläufermotor eignet sich für den Betrieb mit Frequenzumrichter und ist bis IE4 in IEC-Standardkonformer Bauform oder kleiner erhältlich. Erkauft werden diese Vorteile durch höhere Kosten, da Kupfer teurer und schwieriger zu verarbeiten ist. Im Betrieb sind höhere Anlaufströme und –momente als Folge des geringeren Widerstandes zu beachten.

Effizienz durch Permanentmagnete

Der Permanentmagnetmotor (PM-Motor) besitzt anstelle der Läuferwicklung auf dem Rotor aufgebrachte oder in diesen eingearbeitete Permanentmagnete. Der Stator ist hingegen meist analog zur Asynchronmaschine aufgebaut. Beim PM-Motor handelt es sich um einen Synchronmotor ohne Schlupf zwischen Rotor- und Statordrehfeld. Die Permanentmagnete sorgen verlustlos für die Magnetisierung des Rotors, was gegenüber dem Asynchronmotor zu geringeren Rotorverlusten und einem höheren Wirkungsgrad führt. Bereits seit langem als Servomotor im Einsatz, sind PM-Motoren neuerdings auch in der Bauform als IEC-Normmotor verfügbar. Die Kosten für die seltenen Erden in den Magneten schwanken, sind jedoch nach dem Fund neuer Vorkommen wieder deutlich nach unten gegangen.

PM-Motoren benötigen für ihren Betrieb Frequenzumrichter oder Regler, diese brauchen eine Positionsrückmeldung, um das Magnetfeld optimal an die Position der Permanentmagnete anzupassen. Daher besitzen solche Systeme häufig Geber. Allerdings können manche Hersteller – z.B. Danfoss – die PM-Motoren auch geberlos betreiben. In der Praxis erreichen die aktuellen PM-Motoren Wirkungsgradklassen von IE3 und IE4.

Gleichstrommotor für Drehstrom

Der EC-Motor kommt als kleiner Stellmotor mit wenigen Watt ebenso zum Einsatz wie im HVAC-Bereich. Herstellerangaben eines hohen Wirkungsgrades beziehen sich oft auf Einsatzbereiche wie Kleinstantriebe, wo die Überlegenheit gegenüber Universal- oder Spaltpolmotoren mit η ca. 30% ausgeprägt ist. Aktuelle EC-Motoren liegen je nach Ausführung zwischen IE2 und IE4. Der Rotor ist mit Magneten bestückt. Vom ursprünglichen Konzept stammt die für einen Wechselstrommotor irreführende Bezeichnung BLDC (Brushless DC-Motoren).

Wie die PM Motoren benötigen auch die als Außenläufer konstruierten EC-Motoren Positionsgeber. Die Nachteile des Konzepts – höherer Phasenstrom und Momenten-Rippel – werden durch verbesserte, auch sensorlose Steuerungsverfahren kompensiert. Da alte wie neue Verfahren unter dem Begriff EC Motor laufen, ist nicht auf den ersten Blick erkennbar, ob es sich bereits um ein PM-ähnliches Konzept mit besserem Wirkungsgrad handelt. Wegen der Permanentmagnete bringen auch hier die seltenen Erden eine Kostenunsicherheit.

Kombination von Technologien

Der Line-Start-PM-Motor ist eine Hybridlösung mit Magneten in einem Käfigläufer. Die aufwändige Konstruktion des Läufers macht den Motor teurer. Dafür läuft er ohne Regler synchron direkt am Netz, nur während des Anlaufs ist die Käfigwicklung aktiv. Bei Anlauf kann der Motor auch mal kurz rückwärts laufen und auch die Momentspitzen können beim Start bis zum 17-fachen Nennmoment erreichen. Der Motor beherrscht keinen Schweranlauf, verfügt über keine hohe Dynamik und kann bei Lastspitzen aus der Synchronität fallen, was den Wirkungsgrad drastisch verschlechtert. Empfindlich reagiert er auch auf Unterspannung.

Bei Netzbetrieb erreichen Line-Start-PM-Motoren die Klassen IE3 bis IE4. Die Wirkungsgrade sinken beim prinzipiell möglichen Umrichterbetrieb um 5 – 10 %. Erhältliche Bauformen entsprechen der IEC-Norm oder sind etwas kleiner. Auch bei diesem Motor treten die Einflüsse der seltenen Erden auf.

Die Kraft der Reluktanz

Synchron-Reluktanz-Motoren nutzen die aus einer Änderung des magnetischen Widerstands resultierende Reluktanzkraft. Diese Technik ist nicht neu, wurde jedoch in jüngster Zeit optimiert. Neue, spezielle Rotorschnitte zur Führung der Magnetlinien im Innern des Rotors erzeugen ein Reluktanzmoment bei hoher Energieeffizienz. So ergeben sich Wirkungsgrade bis IE4, die jedoch ebenso wie ein sehr gutes Verhalten bei niedrigen Drehzahlen erst bei Leistungen über 10 kW erreicht wird. Auch Synchron-Reluktanz-Motoren benötigen Frequenzumrichter. Ihr bauartbedingter schlechterer cos φ führt je nach Umrichtertyp zu Überdimensionierungen um 1 bis 2 Leistungsgrößen. Noch sind die Preise stückzahlbedingt recht hoch. Beim Sonderfall Synchron-Reluktanz DOL füllt der Hersteller offene Stellen im Rotorblech mit Aluminium, das an den Enden kurzgeschlossen wird. Hier ist der große Vorteil, dass dieser Motor direkt am Netz läuft. Gleichzeitig liefert er einen besseren cos φ.

Eine Frage der Wirtschaftlichkeit

Infolge der ErP-Regelung und des Rufes nach hoher Energieeffizienz drängen viele Varianten in traditionellen, aber auch neuen Technologien auf den Markt. Die Entwicklung ist noch lange nicht am Ende. So prüfen Hersteller die Option, Ferrite statt Magneten einzusetzen. Erste Tests sind vielversprechend. Es wird sehr spannend sein, zu sehen, welche Technologien sich auf Dauer durchsetzen können. Anwender müssen genau abwägen, wann der Einsatz hocheffizienter Motoren wirtschaftlich sinnvoll ist. Die erzielbare Einsparung beim Schritt von IE3 auf IE4 ist wesentlich kleiner als noch vor einigen Jahren von IE1 auf IE2.