Elektromotoren setzen elektrische Energie hauptsächlich in mechanische Energie in Form von Drehmoment und Drehzahl um. Der Wirkungsgrad beschreibt dabei das Verhältnis der erzeugten nutzbaren Energie zur eingesetzten Energie. Erzeugt zum Beispiel ein Motor aus 1 kW elektrischer Leistung eine mechanische Antriebsleistung von 0,9 kW, so hat er einen Wirkungsgrad von 90 Prozent.
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Die IEC 60034-30 nennt im Teil 1 die Wirkungsgrade bzw. Effizienzklassen von 1- bzw. 3-phasige Netzmotoren (unabhängig von der Technologie) bei 50 und 60 Hz. Die Norm wurde 2014 aktualisiert; seitdem sind für Asynchronmotoren (mit Ausnahmen) folgende Effizienzklassen (IE = International Efficiency) festgelegt:
Beispiel: Beträgt der Wirkungsgrad bei einem 4-poligen 7,5 kW Motor 86 Prozent, so zählt er zur Effizienzklasse IE1. Liegt der Wirkungsgrad bei 88,7 Prozent oder besser, wird der Motor der Klasse IE2 zugeordnet. Bei einem Wirkungsgrad von 90,4 und 92,6 Prozent wird der Motor in IE3 und IE4 eingestuft.
Die IEC 60034-2-1 gibt dabei genau vor, wie die IE-Klasse bei Asynchronmotoren bestimmt wird. Bei direkt am Netz betriebenen Motoren basiert der Wirkungsgrad auf dem Bemessungspunkt.
Zukünftig wird die IEC 60034 auch Wirkungsgradklassen für Motoren definieren, die ausschließlich an einem Frequenzumrichter betrieben werden können. Hierfür liegt aktuell nur eine Technische Spezifikation vor. Sie sieht die Effizienzklassen IE1 bis IE5 vor.
Die am 1. Juli 2021 in Kraft getretene Verordnung (EU) 2019/1781 über Elektromotoren und Drehzahlregelungen gibt vor, wann genau Motoren einer bestimmten Energieeffizienzklasse einzusetzen sind. Danach müssen Motoren in Abhängigkeit von ihrer Nennausgangsleistung und anderen Eigenschaften die Wirkungsgradklasse IE2, IE3 oder IE4 erreichen. So müssen beispielsweise Dreiphasenmotoren mit einer Nennausgangsleistung zwischen 0,75 kW und höchstens 1000 kW bis Juli 2021 das Effizienzniveau IE3 aufweisen. Ab Juli 2023 ist für Motoren mit einer Leistung zwischen 75 kW und 200 kW die Wirkungsgradklasse IE4 verpflichtend.
Um die Energieeffizienzanforderungen der IEC 60034-30-1 zu erfüllen, haben die Motorenhersteller ihre Motorkonzepte und Konstruktionen angepasst. Um die höheren Wirkungsgrade zu erzielen, werden unter anderem Statoren mit höherer Kupfermasse eingesetzt, Eisenkerne mit dünneren Siliziumblechen und einem höheren Siliziumgehalt verwendet, die Luftspalte optimiert, die Kühlsysteme verbessert, und es wird mehr Leitermaterial am Rotor genutzt. Durch diese Änderungen haben IE3- und IE4-Motoren eine höhere Induktivität und geringere Kupferverluste, sodass die Inrush- und Anlaufströme höher sind als die der Standardmotoren IE1 und IE2.
Schaltgeräte, die zusammen mit IE3- und IE4-Motoren eingesetzt werden, müssen sowohl die höheren Anlauf- als auch Inrush-Ströme sicher beherrschen. Auch bei Motorstartern und Softstartern sollte darauf geachtet werden, dass sie für den Betrieb mit energieeffizienten Motoren zugelassen sind. Motorstarter von Eaton erfüllen die aktuellen IEC/EN Normen der 60947-x Serie und werden auch zukünftigen Normen entsprechen. Sie sind bis zu einem 15-fachen Einschaltstrom getestet. Sobald die Anlaufströme für den Betrieb von IE4-Motoren innerhalb dieser Grenzen liegen, werden sie von Eaton-Motorstartern beherrscht.
Gerade im Bereich der IE4-Motoren werden neben den „klassischen“ Drehstrom-Asynchron- auch Permanentmagnet- und Synchron-Reluktanz-Motoren eingesetzt, die nur mit Frequenzumrichter arbeiten. Um die Hocheffizienz-Motoren anzusteuern, benötigen die Frequenzumrichter angepasste Regelalgorithmen. Aber auch bei Drehstrom-Asynchronmotoren verändern sich mit der höheren Energieeffizienzklasse die Verhältnisse von ohmschen zu induktiven Widerständen – damit ändern sich auch die Stromvektoren. Ist der Frequenzumrichter nicht für den Betrieb von IE4-Motoren geeignet, hat das verschiedene Auswirkungen: Im Extremfall läuft der Motor erst gar nicht. Oder der Motor wird nur unzureichend, sprich ineffizient, betrieben. Die Frequenzumrichter der PowerXL-Familie von Eaton sind alle für den Betrieb mit IE4-Motoren ausgelegt und können dabei Standardinduktionsmotoren, Drehstrom-Asynchronmotoren, Permanentmagnetmotoren, bürstenlose Gleichstrommotoren sowie Synchron-Reluktanzmotoren unterschiedlicher Hersteller steuern.
Zur Steigerung der Energieeffizienz ist der zunehmende Einsatz von Motoren mit einer hohen Wirkungsgradklasse vorgesehen. Wichtig dabei ist jedoch, den Motor nicht singulär zu betrachten, sondern im Zusammenhang mit allen anderen Komponenten des Antriebssystems sowie immer im Zusammenhang mit der Applikation. Ausführlichere Informationen rund um die (EU) 2019/1781 liefert das Whitepaper „Energieeffizienz in der Antriebstechnik erfolgreich steigern“ des Energiemanagementunternehmens Eaton, das auf der Website des Unternehmens zum Download bereitsteht.
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