Energieeinsparmöglichkeiten - Antriebstechnik: Unterschied zwischen den Versionen

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{{Menü_Energieeffizienz_in_elektrischen_Verteilnetzen}}
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__TOC__


{{Highlightbox|
In industriellen Anwendungen entfallen 80 % des Energieverbrauchs auf Motoren.}}


Motorisierte Systeme stellen eine der potentiellen Bereiche dar, wo Energie eingespart werden kann.
Die Antriebstechnik stellt einen der potentiellen Bereiche dar, in dem Energie eingespart werden kann.


Wenn die passive Energieeffizienz verbessert werden soll, wird oft mit dem Austausch von Motoren begonnen.
Es gibt viele Lösungen, mit denen man die Energieeffizienz bei Antrieben wie unten beschrieben, verbessern kann. Außerdem sind entsprechende Informa­tionen im Whitepaper „Energy efficiency of machines: the choice of motorization (Energieeffizienz bei Maschinen: Wahl der Motorisierung)“ zu finden.
www.schneider-electric.com/ww/en/download/document/998-2095-02-04-12AR0_EN


Dieser Trend wird unterstützt durch den Beschluss führender industrieller Länder, den Vertrieb von nicht energieeffizienten Motoren in naher Zukunft zu verbieten.  
== Auswahl/Austausch des Motors ==
Wenn die passive Energieeffizienz verbessert werden soll, wird oft mit dem Austausch von Motoren begonnen, insbesondere wenn bestehende Motoren alt sind und neu gewickelt werden müssen.


Nach IEC 60034-30 (VDE 0530-30) werden Motoren in 3 Effizienzklassen eingeteilt (IE1, IE2 und IE3). Viele Länder haben auch Pläne, damit die Systeme mit Motoren der Klasse IE1 und IE2 eine gleiche Effizienz wie mit Motoren der Klasse IE3 erreichen.
Dieser Trend wird noch verstärkt durch den Beschluss führender industrieeller Länder, den Vertrieb von nicht energieeffizienten Motoren in naher Zukunft zu verbieten. Viele Länder haben auf Grundlage der in der Norm IEC 60034-30 (VDE0530-30) definierten Effizienzklassen (IE1, IE2, IE3) einen Plan aufgestellt, mit dem der Verkauf von Motoren der Klasse IE1 und IE2 schrittweise umgestellt wird auf Motoren, die IE3-Anforderungen erfüllen.  


In der EU müssen beispielsweise Motoren mit einer Leistung < 375 kW der Klasse IE3 entsprechen (EC640/2009).  
In der EU müssen Motoren von 0,75 bis 375 kW beispielsweise bis Januar 2017 umgestellt werden, um die IE3-Anforderungen zu erfüllen oder die IE2- Anforderungen in Kombination mit einem Frequenzumrichter, entsprechend Verordnung (EG) Nr. 640/2009 vom 22 Juli 2009.


Dafür gibt es zwei Gründe:
Für den Austausch eines alten Motors gibt es zwei Gründe:
* Die Vorteile von neuen Hochleistungsmotoren (siehe ''' Abb. K8''').
* Ausnutzen der Vorteile von neuen Hochleistungsmotoren (siehe {{FigRef|K13}})
* Die Korrektur von Überdimensionierung
Abhängig von ihrer Bemessungsleistung können Hochleistungsmotoren die betriebliche Effizienz im Vergleich zu konventionellen Motoren um bis zu 10 % steigern. Im Vergleich zu Originalmotoren sinkt dagegen die Effizienz von Motoren nach der Neuwicklung um 3 % bis 4 %.
* Vermeiden von Überdimensionierungen
In der Vergangenheit haben Planer oft übergroße Motoren eingebaut, um eine angemessene Sicherheitsmarge zu gewährleisten und das Risiko von Defekten, sogar unter sehr unwahrscheinlichen Bedingungen, zu vermeiden. Studien haben gezeigt, dass mindestens ein Drittel der Motoren klar überdimensioniert sind und mit weniger als 50 % ihrer Bemessungslast arbeiten.


{{FigImage|Abb_K08|svg|K8|Definition der Energieeffizienzklassen für NS-Motoren nach IEC 60034-30 (VDE 0530-30)}}  
{{FigImage|DB422550_DE|svg|K13|Definition der Energieeffizienzklassen für NS-Motoren nach IEC 60034-30 (VDE 0530-30)}}
Motoren, die schon für eine längere Zeit im Einsatz sind, kommen ganz klar für den Austausch gegen Hochleistungsmotoren in Frage, besonders wenn diese bestehenden Motoren alt sind und neue Wicklungen benötigen.


Abhängig von ihrer Leistung können Hochleistungsmotoren die betriebliche Effizienz im Vergleich zu konventionellen Motoren um bis zu 10 % steigern. Im Vergleich zu Originalmotoren sinkt die Effizienz von Motoren nach der Neuwicklung um 3 bis 4 %.
Aber:
* Überdimensionierte Motoren sind teurer.
* Überdimensionierte Motoren sind unter Umständen weniger effizient als korrekt dimensionierte Motoren. Motoren erreichen ihren effektivste Arbeitspunkt, wenn sie zwischen 60 % und 100 % ihrer Bemessungslast in Betrieb sind und so gebaut sind, dass sie kurzzeitg 120 % ihrer Bemessungslast aufrechterhalten können.
Die Effizienz sinkt rapide bei Lasten unter 30 %.
* Arbeitet der Motor nicht bei Volllast, fällt der Leistungsfaktor drastisch ab, was durch eine erhöhte Blindleistungsaufnahme zu Kosten führen kann.


Allerdings ist die Anschaffung eines neuen Hochleistungsmotors nicht kosteneffizient, wenn der bestehende, konventionelle Motor nur eingeschränkt bzw. selten eingesetzt wurde. Außerdem muss sichergestellt werden, dass die kritischen Leistungsmerkmale des neuen Motors (z.B. Drehzahl) denen des bestehenden Motors entsprechen.
Wenn man weiß, dass Energiekosten über 97 % der Lebenszykluskosten eines Motors ausmachen, kann eine Investition in einen zwar teureren, aber effizienteren Motor schnell sehr gewinnbringend sein.
Vor der Entscheidung, einen Motor auszutauschen, ist es jedoch wichtig:
* den restlichen Lebenszyklus des Motors zu berücksichtigen,
* daran zu denken, dass die Kosten für den Austausch eines Motors, auch wenn dieser klar überdimensioniert ist, nicht gerechtfertigt sind, wenn seine Last sehr gering ist oder er ohnehin nur selten eingesetzt wird (z.B. unter 800 Stunden pro Jahr, siehe {{FigRef|K14}}),
* sicherzustellen, dass die kritischen Leistungsmerkmale des neuen Motors (z.B. Drehzahl) denen des bestehenden Motors entsprechen.


* Neben ihrer Ineffizienz sind überdimensionierte Motoren außerdem teurer in der Anschaffung als korrekt dimensionierte Motoren. Motoren erreichen ihre höchste Effizienz, wenn sie bei 60 % bis 100 % ihrer Nennlast betrieben werden. Bei einer Nennlast unter 50 % sinkt die Effizienz deutlich. In der Vergangenheit wurden oft übergroße Motoren eingesetzt, um eine angemessene Sicherheitsmarge zu gewährleisten und um das Risiko von Ausfällen, sogar unter sehr unwahrscheinlichen Bedingungen, zu vermeiden. Studien haben gezeigt, dass mindestens ein Drittel der Motoren deutlich überdimensioniert ist und mit weniger als 50 % seiner Nennlast betrieben wird. Die durchschnittliche Last eines Motors beträgt ca. 60 %.
{{FigImage|DB422551_DE|svg|K14|Senkung der Lebenszykluskosten für Motoren der Klasse IE2 und IE3 im Vergleich zu Motoren der Klasse IE1, abhängig von der Anzahl der Betriebsstunden pro Jahr}}


Größere Motoren haben oftmals auch einen geringeren Leistungsfaktor, was zu zusätzlichen Betriebskosten durch Blindleistung führen kann. Bei der Entscheidung einen Motor auszutauschen ist es wichtig, all diese Faktoren und die verbleibende Nutzungsdauer des Motors zu berücksichtigen. Es muss außerdem bedacht werden, dass die Kosten für den Austausch eines überdimensionierten Motors nicht gerechtfertigt sind, wenn seine Last sehr gering ist oder er ohnehin nur selten eingesetzt wird, da in diesem Fall die notwendigen Investitionskosten in keinem betriebswirtschaftlichen Verhältnis zu den Einsparmöglichkeiten an Energiekosten stehen (weniger als 800 Betriebsstunden im Jahr siehe {{FigRef|K9}}).
== Betrieb des Motors ==


{{FigImage|Abb_K09|svg|K9|Reduktion der Betriebskosten von IE2- und IE3- Motoren im Vergleich zu IE1-Motoren bezogen auf die jährlichen Betriebsstunden}}
{{Highlightbox|
Zieht man alle diese Dinge in Betracht, müssen alle Parameter bedacht werden, bevor man die Entscheidung fällt, einen Motor auszutauschen.
Einsparungen sind möglich durch:
 
* Austausch eines überdimensionierten alten Motors durch einen entsprechenden Hochleistungsmotor
Was Motoren anbelangt, sind auch andere Ansätze denkbar:
* Die Steigerung der aktiven Energieeffizienz, ganz einfach durch das Abschalten von Motoren, wenn sie nicht mehr gebraucht werden. Diese Maßnahme setzt unter Umständen eine Verbesserung der Automatisierungssysteme, Schulungen, Überwachung oder einen Anreiz für das Bedienpersonal voraus. Wenn eine Bedienperson für den Energieverbrauch nicht verantwortlich ist, dann vergisst er/sie schnell einmal, den Motor abzuschalten, wenn er nicht gebraucht wird.
* Überwachung und Korrektur aller Komponenten innerhalb der Kettentriebe, angefangen mit den größeren Motoren, welche die Gesamteffizienz beeinträchtigen können. Dabei könnte beispielsweise die Justierung von Wellen oder Kupplungen notwendig sein. Ein Winkelversatz von 0,6 mm in einer Kupplung kann zu einem Leistungsverlust von bis zu 8 % führen.
* Achten Sie aus folgenden Gründen besonders auf Pumpen und Lüfter:
** 63% der von Motoren verbrauchten Energie wird für Strömungsantriebe in Komponenten wie Pumpen und Lüfter eingesetzt.
** Bei der Strömungskontrolle kommen oft Komponenten wie Ventile oder Drosselklappen zum Einsatz, die alle zum Verlust von Energie durch das mechanische Regulieren von Medien wie Luft oder Flüssigkeiten führen, während die Motoren bei maximaler Drehzahl arbeiten.
** Durch eine effiziente Projektplanung können sich Investitionen oft nach weniger als 10 Monaten amortisieren.
 
 
== Drehzahlregelung von Motoren ==
 
{{Highlightbox |
Einsparungen können erzielt werden durch:  
 
* Ersatz eines alten überdimensionierten Motors durch einen IE-klassifizierten Motor
* Optimierten Betrieb des Motors
* Optimierten Betrieb des Motors
* Einsatz einer Drehzahlregelung oder eines Sanftanlassers.
* Einsatz einer Drehzahlregelung oder eines Sanftanlassers.}}
}}
 
Es steht eine Anzahl an Technologien zur Verfügung, um die Strömung oder den Druck innerhalb eines Systems zu beeinflussen (siehe {{FigRef|K10}}).
 
{{FigImage|Abb_K10|svg|K10|Theoretische Energieeinsparung durch die Reduzierung der Lüfterdrehzahl auf die
Hälfte}}
 
Welche Technologie am besten genutzt wird, hängt von der Konstruktion der Pumpe und des Lüfters ab. Die eingesetzte Pumpe könnte beispielsweise eine Verdränger- oder Zentrifugalpumpe sein, und der Lüfter ein Zentrifugal- oder Axialventilator.
 
Immer wenn ein Lüfter oder eine Pumpe installiert wird, um ein bestimmtes Strömungs- oder Druckniveau zu erreichen, hängt die Größe von den maximalen Anforderungen ab. Dies führt häufig zu Überdimensionierung, da das entsprechende Gerät bei anderen Drehzahlen ineffizient arbeitet. Im Allgemeinen führt die systematische Überdimensionierung in Verbindung mit den oben beschriebenen, ineffizienten Steuersystemen zu einem hohen Einsparpotential durch Steuersysteme zur Reduzierung der Stromversorgung einer Pumpe oder eines Lüfters, wenn diese im Teillastbereich arbeiten müssen.
 
In Systemen mit Lüftern und Pumpen bestehen bestimmte Zusammenhänge:
* Die Strömungsgeschwindigkeit ist proportional zur Drehzahl der Welle (siehe '''Abb. K11''').
 
{{FigImage|Abb_K11|svg|K11|Beziehung zwischen Energie und Strömungsgeschwindigkeit für verschiedene
Lüftersteuerungen (Klappen, Drallregler und Frequenzumrichter)}}
 
* Die Druckhöhe ist proportional zum Quadrat der Wellendrehzahl. Eine Halbierung der Wellendrehzahl führt zur Reduzierung des Drucks um ein Viertel.
* Die Energie ist proportional zur dritten Potenz der Wellendrehzahl.
 
Die Halbierung der Wellendrehzahl reduziert den Energieverbrauch um ein Achtel, was impliziert, dass der Energieverbrauch bei einer Halbierung der Strömungsgeschwindigkeit um ein Achtel sinkt.


In Anbetracht dieser Tatsache kann der Energieverbrauch in Zeiten, wenn Lüfter oder Pumpe nicht bei voller Leistung arbeiten müssen, gesenkt werden. Die damit verbundenen Einsparungen sind signifikant, selbst wenn die Strömung nur geringfügig reduziert wird (siehe {{FigRef|K12}}). Leider ist es in der Praxis nicht möglich, alle theoretisch möglichen Werte zu erzielen, da die Effizienz durch den Einsatz verschiedener Komponenten sinkt.
Die Energieeffizienz von Motoren kann auch noch auf andere Weisen verbessert werden:
* Steigern der aktiven Energieeffizienz durch einfaches Abschalten der Motoren, sobald sie nicht mehr gebraucht werden. Für diese Maßnahme müssen möglicherweise Automatisierungssysteme, Schulungen oder Überwachungen verbessert oder Anreize für das Bedienpersonal geboten werden.
Bedienpersonen, die nicht für den Energieverbrauch verantwortlich sind, vergessen eventuell schnell einmal, den Motor abzuschalten, wenn er nicht gebraucht wird.
* Überwachung und Korrektur aller Komponenten innerhalb der Kettentriebe, angefangen mit denen der größeren Motoren, welche die Gesamteffizienz beeinträchtigen können. Dabei könnte beispielsweise die Justierung von Wellen oder Kupplungen notwendig sein. Ein Winkelversatz von 0,6 mm in einer Kupplung kann zu einem Leistungsverlust von bis zu 8 % führen.


{| class="wikitable"
== Steuerung des Motors ==
|-
! Technik
! Nachteil
|-
| Steuerung durch Stoppen und Starten
| Diese Methode ist nur effizient, wenn eine unterbrochene Strömung möglich ist.
|-
| Steuerventil: zur Steuerung der Strömung wird ein Ventil eingesetzt, das den Reibungswiderstand am Pumpenausgang erhöht.
| Es geht Energie verloren, da die von der Pumpe erzeugte Strömung anschließend durch das Ventil reduziert wird. Außerdem besitzen Pumpen ein optimales Betriebsniveau. Eine Erhöhung des Widerstands kann dieses Betriebsniveau beeinflussen, wodurch Effizienz und Zuverlässigkeit der Pumpe beeinträchtigt werden (zusätzlicher Energieverlust).
|-
| Bypass: Bei dieser Methode arbeitet die Pumpe permanent mit voller Drehzahl, wobei übermäßige Strömung am Ausgang der Pumpe stromaufwärts umgeleitet wird, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit ohne das Risiko eines erhöhten Austrittsdrucks.
| Dieses System ist sehr ineffizient, da die Energie für das Pumpen der überschüssigen Flüssigkeit komplett verloren geht.
|-
| Mehrere Pumpen oder Lüfter: Diese Konfigurationen unterstützt eine spontane Verstärkung durch die Aktivierung von zusätzlichen Pumpen oder Lüftern, wodurch die Steuerung schwierig wird.
| Dies ist normalerweise mit einem Effizienzverlust verbunden, da der tatsächliche Bedarf oft im Bereich zwischen den verschiedenen, zur Verfügung stehenden Drehzahlen liegt.
|-
| Klappen: Diese Technologie ähnelt dem Einsatz von Steuerventilen in Pumpensystemen und reduziert die Strömung durch das teilweise verschließen eines Lüfterausgangs.
| Es geht Energie verloren, da die vom Lüfter erzeugte Strömung anschließend durch die Klappe reduziert wird.
|-
| Überströmventil: Diese Technologie ähnelt dem Einsatz von Bypassventilen in Pumpensystemen. Der Lüfter dreht sich permanent bei maximaler Drehzahl und übermäßige Strömung wird abgeführt.
| Dieses System ist sehr ineffizient, da die Energie für das Antreiben der Luft oder des Gases komplett verloren geht.
|-
| Lüfter mit verstellbaren Flügeln: Die Strömung kann durch das Verstellen der Flügel geregelt werden.
| Es geht Energie verloren, da die vom Lüfter erzeugte Strömung anschließend durch die Flügel reduziert wird.
|-
| Leitflügel am Einlass: Zum Regeln des Gasflusses und der Effizienz werden im Inneren von Lüftern Lamellen angebracht.
| Der Lüfter erzeugt keine übermäßige Strömung, arbeitet allerdings auch nicht bei maximaler Effizienz.
|}


'''''Abb. K12''''': ''Beispiele von Technologien, die von Frequenzumrichtern profitieren können''
{{Highlightbox|
Das Verfahren für den Start bzw. die Regelung eines Motors sollte grundsätzlich auf einer Analyse auf Systemebene beruhen.


[[File:Abb_K13.png|thumb|none|600px|'''''Abb. K13''''': ''Motorstarterkombination als Direkt-, Stern-Dreieck- und Sanftanlauf von Schneider Electric'']]
Dabei sollten verschiedene Faktoren, wie z.B. die Notwendigkeit variabler Drehzahlen, Gesamteffizienz und Kosten, mechanische Bedingungen, Zuverlässigkeit usw. berücksichtigt werden.}}


* Für Anwendungen mit konstanter Drehzahl sind Motorstarter die kostengünstigste und Energie effizienteste Lösung. Es gibt je nach Anforderung drei Arten von Motorstartern:
Um die bestmögliche Gesamtenergieeffizienz zu gewährleisten, ist bei der Auswahl des Steuerungssystems für den Motor je nach dessen Anwendung mit größter Sorgfalt vorzugehen:
** Direktstartkombination (Schütz)
* Für Anwendungen mit konstanter Drehzahl bieten Motorstarter preisgünstige Lösungen mit niedrigem Energieverbrauch. Abhängig von den Bedingungen, denen das System unterliegt, sind drei Arten von Startern möglich:
** Stern / Dreieck Kombination: begrenzt den Anlaufstrom, stellt sicher, dass der Hochlauf nur mit einem Drehmoment nicht höher als ein Drittel des Nenndrehmomentes stattfindet
* Direktstartkombination (Schütz)
** Sanftanlasser: Wenn die Stern-Dreieck-Kombination nicht sicherstellt, den Anlaufstrom zu begrenzen. Beispiele für solche Anwendungen finden wir im Klima- und Lüftungsbereich, Druckwasserregelanlagen, Abwassertechnik usw.
* Stern / Dreieck Kombination: begrenzt den Anlaufstrom, stellt sicher, dass der Hochlauf nur mit einem Drehmoment nicht höher als ein Drittel des Nenndrehmomentes stattfindet
* Sanftanlasser: Wenn die Stern-Dreieck-Kombination nicht sicherstellt, den Anlaufstrom zu begrenzen. Beispiele für solche Anwendungen finden wir im Klima- und Lüftungsbereich, Druckwasserregelanlagen, Abwassertechnik usw.
* Muss bei der Anwendung die Drehzahl verändert werden, bietet ein Frequenzumrichter (FU) eine höchst effiziente aktive Lösung an, da er die Motordrehzahl zur Einschränkung des Energieverbrauchs anpasst.


Im Gegensatz zu den zuvor genannten Technologien, stellt der Einsatz eines Frequenzumrichters (siehe {{FigRef|K14}}) eine Methode zur Förderung der aktiven Energieeffizienz dar und bietet die Art an flexibler Effizienz, die für einen optimalen Betrieb von Pumpen oder Lüftern benötigt wird. Unter manchen Umständen werden einfache Lösungen bevorzugt:
{{Gallery|K15|Motorstarterkombination als Direkt-, Stern-Dreieck- und Sanftanlauf von Schneider Electric)|170px|
|PB116781.jpg||LC1 D65A••
|PB116782.jpg||LC3 D32A••
|PB116783.jpg||ATS48••}}


[[File:Abb_K14.png|thumb|none|600px|'''''Abb. K14''''': ''Frequenzumrichter Altivar von Schneider Electric für Motoren unterschiedlicher
Diese Lösung kann sich gut mit herkömmlichen mechanischen Lösungen (Ventile, Drosselklappen usw.) messen, die speziell in Pumpen und Lüftern eingesetzt werden, wo sie durch ihr Arbeitsprinzip durch das Blockieren von Leitungen zu einem Energieverlust führt während die Motoren bei maximaler Drehzahl laufen.
Leistungen'']]


* Eine Größenänderung der Riemenscheiben ermöglicht es, dass Lüfter oder Pumpen mit optimaler Drehzahl arbeiten können. Diese Lösung erfordert nicht die Flexibilität in Verbindung mit Frequenzumrichtern, sondern kann einfach umgesetzt und über das Wartungsbudget ohne zusätzliche Investitionen finanziert werden.
Außerdem bieten Frequenzumrichter eine bessere Steuerung, sind geräuscharm und mit weniger transienten Einflüssen und Erschütterungen verbunden. Weitere Vorteile bietet die Kombination dieser Frequenzumrichter mit Steuersystemen, die auf individuelle Anforderungen ausgelegt sind.  
* Im Falle, dass der Lüfter oder die Pumpe permanent bei voller Drehzahl arbeiten kann, ohne dass eines der oben genannten Steuersysteme installiert werden muss (z. B. bei vollständig geöffneten Klappen und Ventilen). Unter diesen Umständen arbeitet das Gerät mit optimaler oder nahe der optimalen Energieeffizienz.


Tatsächlich hängt das Einsparpotential vom Lüfter- bzw. Pumpentyp ab, dessen Wirkungsgrad, der Größe des Motors, der jährlichen Betriebsstunden und des örtlichen Stromtarifs. Diese Einsparungen können entweder über eine spezielle Software berechnet oder durch die Installation von temporären Messgeräten und eine Analyse der gewonnen Daten mit einer gewissen Genauigkeit geschätzt werden.
Da Frequenzumrichter kostenintensive Geräte sind, die zusätzliche Energieverluste verursachen und eine Quelle elektrischer Störgrößen sind, sollten sie nur für solche Anwendungen eingesetzt werden, die grundsätzlich Funktionen für variable Drehzahlen oder Feinregelung benötigen.


== Motorsteuerungen ==
Beispiele für Anwendungen mit variabler Drehzahl: Hebeanwendungen, Platzierung in Werkzeugmaschinen, geschlossene Regelkreise, Kreiselpumpen oder Belüftung (ohne Drosselklappe) bzw. Boosterpumpen usw.


{{Highlightbox |
{{Gallery|K16|Frequenzumrichter mit verschiedenen Leistungsgrößen (Baureihe Altivar, Schneider Electric)|170px|
Drehzahlregelung: Die korrekte Anpassung des Energieverbrauchs gemäß dem Bedarf
|PB116784.jpg||Altivar 12 (≤ 4 kW )
}}
|PB116785.jpg||Altivar 212 (≤ 75 kW)
|PB116786.jpg||Altivar 71 (≤ 630 kW)}}


Im vorherigen Abschnitt wurde beschrieben, wie Pumpen und Lüfter durch den Einsatz von Frequenzumrichtern profitieren. Weitere Vorteile bietet die Kombination dieser Frequenzumrichter mit Steuersystemen, die auf individuelle Anforderungen ausgelegt sind.
* Für die Handhabung von Lasten, die sich je nach den Anforderungen der Anwendung ändern, sollten Starter, Frequenzumrichter oder eine Kombination aus den beiden Geräten mit angemessener Regelstrategie (siehe {{FigRef|K17}}, kaskadierende Pumpen) in Betracht gezogen werden, um die effizienteste und einträglichste Gesamtlösung zu erlangen.
* Steuersysteme basierend auf einem festen Druck und einer variablen Strömung: Diese Art der Steuerung wird oft in der Wasserwirtschaft (Trinkwasser, Bewässerung) genutzt. Außerdem kommen sie bei der Zirkulation von Kühlflüssigkeiten zum Einsatz.
* Steuersysteme für Heizsysteme: In Heiz- und Kühlkreisläufen ist die Strömungsgeschwindigkeit von der Temperatur abhängig.
* Steuersysteme basierend auf einer festen Strömung und einem variablen Druck: Diese kommen hauptsächlich bei Pumpanwendungen (Druckdifferenz durch verschiedene Niveaus) wie Reinigungs-, Bewässerungs- und Kühlsystemen zum Einsatz. Sie benötigen eine gewisse Menge an Wasser, selbst wenn die Saug- und Druckverhältnisse variieren.


Die unmittelbaren Vorteile sind:
Anwendungsbeispiele: HLK für Gebäude, Warentransport, Wasserversorgungsanlagen usw.
* Verbesserte Steuerung und Genauigkeit von Druck- und Strömungswerten
* Erhebliche Reduzierung von transienten Einflüssen im elektrischen Netz und von mechanischen Einschränkungen von Systemen
* Weniger Geräusche und Vibrationen, da die Antriebe eine Feinanpassung der Drehzahl ermöglichen, um zu verhindern, dass die Geräte mit der Resonanzfrequenz von Leitungen und Rohren arbeiten.
* Sanfter Start und Stopp


Diese führen zu weiteren Vorteilen:
Das Verfahren für den Start bzw. die Regelung eines Motors sollte grundsätzlich auf einer Analyse auf Systemebene beruhen. Dabei sollten verschiedene Faktoren, wie z.B. die Notwendigkeit variabler Drehzahlen, Gesamteffizienz und Kosten, mechanische Bedingungen, Zuverlässigkeit usw. berücksichtigt werden.
* Höhere Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer der Systeme
* Einfacherer Leitungs- und Rohrsysteme (durch den Verzicht auf Klappen, Steuerventile und Bypässe)
* Geringerer Wartungsaufwand


Das Endziel ist die Reduzierung des Energieverbrauchs und damit verbundener Kosten.
{{FigImage|DB422552_DE|svg|K17|Beispiel einer kaskadierten Pumpenanordnung, welche Starterkombinationen und Frequenzum­richter kombiniert, um eine effiziente und kostengünstige Lösung zu  realisieren}}


{{FigImage|Abb_K15|svg|K15|Beispiel einer kaskadierten Pumpenanordnung, welche Starterkombinationen und
Frequenzumrichter kombiniert, um eine effiziente und kostengünstige Lösung zu realisieren}}
[[en:Energy_saving_opportunities_-_Motors]]
[[en:Energy_saving_opportunities_-_Motors]]

Version vom 9. August 2017, 01:03 Uhr

In industriellen Anwendungen entfallen 80 % des Energieverbrauchs auf Motoren.

Die Antriebstechnik stellt einen der potentiellen Bereiche dar, in dem Energie eingespart werden kann.

Es gibt viele Lösungen, mit denen man die Energieeffizienz bei Antrieben wie unten beschrieben, verbessern kann. Außerdem sind entsprechende Informa­tionen im Whitepaper „Energy efficiency of machines: the choice of motorization (Energieeffizienz bei Maschinen: Wahl der Motorisierung)“ zu finden. www.schneider-electric.com/ww/en/download/document/998-2095-02-04-12AR0_EN

Auswahl/Austausch des Motors

Wenn die passive Energieeffizienz verbessert werden soll, wird oft mit dem Austausch von Motoren begonnen, insbesondere wenn bestehende Motoren alt sind und neu gewickelt werden müssen.

Dieser Trend wird noch verstärkt durch den Beschluss führender industrieeller Länder, den Vertrieb von nicht energieeffizienten Motoren in naher Zukunft zu verbieten. Viele Länder haben auf Grundlage der in der Norm IEC 60034-30 (VDE0530-30) definierten Effizienzklassen (IE1, IE2, IE3) einen Plan aufgestellt, mit dem der Verkauf von Motoren der Klasse IE1 und IE2 schrittweise umgestellt wird auf Motoren, die IE3-Anforderungen erfüllen.

In der EU müssen Motoren von 0,75 bis 375 kW beispielsweise bis Januar 2017 umgestellt werden, um die IE3-Anforderungen zu erfüllen oder die IE2- Anforderungen in Kombination mit einem Frequenzumrichter, entsprechend Verordnung (EG) Nr. 640/2009 vom 22 Juli 2009.

Für den Austausch eines alten Motors gibt es zwei Gründe:

  • Ausnutzen der Vorteile von neuen Hochleistungsmotoren (siehe Abb. K13)

Abhängig von ihrer Bemessungsleistung können Hochleistungsmotoren die betriebliche Effizienz im Vergleich zu konventionellen Motoren um bis zu 10 % steigern. Im Vergleich zu Originalmotoren sinkt dagegen die Effizienz von Motoren nach der Neuwicklung um 3 % bis 4 %.

  • Vermeiden von Überdimensionierungen

In der Vergangenheit haben Planer oft übergroße Motoren eingebaut, um eine angemessene Sicherheitsmarge zu gewährleisten und das Risiko von Defekten, sogar unter sehr unwahrscheinlichen Bedingungen, zu vermeiden. Studien haben gezeigt, dass mindestens ein Drittel der Motoren klar überdimensioniert sind und mit weniger als 50 % ihrer Bemessungslast arbeiten.

Abb. K13 – Definition der Energieeffizienzklassen für NS-Motoren nach IEC 60034-30 (VDE 0530-30)

Aber:

  • Überdimensionierte Motoren sind teurer.
  • Überdimensionierte Motoren sind unter Umständen weniger effizient als korrekt dimensionierte Motoren. Motoren erreichen ihren effektivste Arbeitspunkt, wenn sie zwischen 60 % und 100 % ihrer Bemessungslast in Betrieb sind und so gebaut sind, dass sie kurzzeitg 120 % ihrer Bemessungslast aufrechterhalten können.

Die Effizienz sinkt rapide bei Lasten unter 30 %.

  • Arbeitet der Motor nicht bei Volllast, fällt der Leistungsfaktor drastisch ab, was durch eine erhöhte Blindleistungsaufnahme zu Kosten führen kann.

Wenn man weiß, dass Energiekosten über 97 % der Lebenszykluskosten eines Motors ausmachen, kann eine Investition in einen zwar teureren, aber effizienteren Motor schnell sehr gewinnbringend sein. Vor der Entscheidung, einen Motor auszutauschen, ist es jedoch wichtig:

  • den restlichen Lebenszyklus des Motors zu berücksichtigen,
  • daran zu denken, dass die Kosten für den Austausch eines Motors, auch wenn dieser klar überdimensioniert ist, nicht gerechtfertigt sind, wenn seine Last sehr gering ist oder er ohnehin nur selten eingesetzt wird (z.B. unter 800 Stunden pro Jahr, siehe Abb. K14),
  • sicherzustellen, dass die kritischen Leistungsmerkmale des neuen Motors (z.B. Drehzahl) denen des bestehenden Motors entsprechen.
Abb. K14 – Senkung der Lebenszykluskosten für Motoren der Klasse IE2 und IE3 im Vergleich zu Motoren der Klasse IE1, abhängig von der Anzahl der Betriebsstunden pro Jahr

Betrieb des Motors

Einsparungen sind möglich durch:

  • Austausch eines überdimensionierten alten Motors durch einen entsprechenden Hochleistungsmotor
  • Optimierten Betrieb des Motors
  • Einsatz einer Drehzahlregelung oder eines Sanftanlassers.

Die Energieeffizienz von Motoren kann auch noch auf andere Weisen verbessert werden:

  • Steigern der aktiven Energieeffizienz durch einfaches Abschalten der Motoren, sobald sie nicht mehr gebraucht werden. Für diese Maßnahme müssen möglicherweise Automatisierungssysteme, Schulungen oder Überwachungen verbessert oder Anreize für das Bedienpersonal geboten werden.

Bedienpersonen, die nicht für den Energieverbrauch verantwortlich sind, vergessen eventuell schnell einmal, den Motor abzuschalten, wenn er nicht gebraucht wird.

  • Überwachung und Korrektur aller Komponenten innerhalb der Kettentriebe, angefangen mit denen der größeren Motoren, welche die Gesamteffizienz beeinträchtigen können. Dabei könnte beispielsweise die Justierung von Wellen oder Kupplungen notwendig sein. Ein Winkelversatz von 0,6 mm in einer Kupplung kann zu einem Leistungsverlust von bis zu 8 % führen.

Steuerung des Motors

Das Verfahren für den Start bzw. die Regelung eines Motors sollte grundsätzlich auf einer Analyse auf Systemebene beruhen.

Dabei sollten verschiedene Faktoren, wie z.B. die Notwendigkeit variabler Drehzahlen, Gesamteffizienz und Kosten, mechanische Bedingungen, Zuverlässigkeit usw. berücksichtigt werden.

Um die bestmögliche Gesamtenergieeffizienz zu gewährleisten, ist bei der Auswahl des Steuerungssystems für den Motor je nach dessen Anwendung mit größter Sorgfalt vorzugehen:

  • Für Anwendungen mit konstanter Drehzahl bieten Motorstarter preisgünstige Lösungen mit niedrigem Energieverbrauch. Abhängig von den Bedingungen, denen das System unterliegt, sind drei Arten von Startern möglich:
  • Direktstartkombination (Schütz)
  • Stern / Dreieck Kombination: begrenzt den Anlaufstrom, stellt sicher, dass der Hochlauf nur mit einem Drehmoment nicht höher als ein Drittel des Nenndrehmomentes stattfindet
  • Sanftanlasser: Wenn die Stern-Dreieck-Kombination nicht sicherstellt, den Anlaufstrom zu begrenzen. Beispiele für solche Anwendungen finden wir im Klima- und Lüftungsbereich, Druckwasserregelanlagen, Abwassertechnik usw.
  • Muss bei der Anwendung die Drehzahl verändert werden, bietet ein Frequenzumrichter (FU) eine höchst effiziente aktive Lösung an, da er die Motordrehzahl zur Einschränkung des Energieverbrauchs anpasst.
Abb. K15 – Motorstarterkombination als Direkt-, Stern-Dreieck- und Sanftanlauf von Schneider Electric)
  • LC1 D65A••

    LC1 D65A••

  • LC3 D32A••

    LC3 D32A••

  • ATS48••

    ATS48••

Diese Lösung kann sich gut mit herkömmlichen mechanischen Lösungen (Ventile, Drosselklappen usw.) messen, die speziell in Pumpen und Lüftern eingesetzt werden, wo sie durch ihr Arbeitsprinzip durch das Blockieren von Leitungen zu einem Energieverlust führt während die Motoren bei maximaler Drehzahl laufen.

Außerdem bieten Frequenzumrichter eine bessere Steuerung, sind geräuscharm und mit weniger transienten Einflüssen und Erschütterungen verbunden. Weitere Vorteile bietet die Kombination dieser Frequenzumrichter mit Steuersystemen, die auf individuelle Anforderungen ausgelegt sind.

Da Frequenzumrichter kostenintensive Geräte sind, die zusätzliche Energieverluste verursachen und eine Quelle elektrischer Störgrößen sind, sollten sie nur für solche Anwendungen eingesetzt werden, die grundsätzlich Funktionen für variable Drehzahlen oder Feinregelung benötigen.

Beispiele für Anwendungen mit variabler Drehzahl: Hebeanwendungen, Platzierung in Werkzeugmaschinen, geschlossene Regelkreise, Kreiselpumpen oder Belüftung (ohne Drosselklappe) bzw. Boosterpumpen usw.

Abb. K16 – Frequenzumrichter mit verschiedenen Leistungsgrößen (Baureihe Altivar, Schneider Electric)
  • Altivar 12 (≤ 4 kW )

    Altivar 12 (≤ 4 kW )

  • Altivar 212 (≤ 75 kW)

    Altivar 212 (≤ 75 kW)

  • Altivar 71 (≤ 630 kW)

    Altivar 71 (≤ 630 kW)

  • Für die Handhabung von Lasten, die sich je nach den Anforderungen der Anwendung ändern, sollten Starter, Frequenzumrichter oder eine Kombination aus den beiden Geräten mit angemessener Regelstrategie (siehe Abb. K17, kaskadierende Pumpen) in Betracht gezogen werden, um die effizienteste und einträglichste Gesamtlösung zu erlangen.

Anwendungsbeispiele: HLK für Gebäude, Warentransport, Wasserversorgungsanlagen usw.

Das Verfahren für den Start bzw. die Regelung eines Motors sollte grundsätzlich auf einer Analyse auf Systemebene beruhen. Dabei sollten verschiedene Faktoren, wie z.B. die Notwendigkeit variabler Drehzahlen, Gesamteffizienz und Kosten, mechanische Bedingungen, Zuverlässigkeit usw. berücksichtigt werden.

Abb. K17 – Beispiel einer kaskadierten Pumpenanordnung, welche Starterkombinationen und Frequenzum­richter kombiniert, um eine effiziente und kostengünstige Lösung zu realisieren
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