Energieberatung in Gewerbe und Industrie Energieeinsparung bei Elektromotoren.

October 17, 2015

 

 

​​Energieeinsparung bei Elektromotoren.

Der erzielbare Wirkungsgrad von Motoren steigt mit zunehmender Leistungsgröße.

Zudem hat das gewählte Motorkonzept und die effektive Belastung Einfluss auf den Wirkungsgrad.

 

Drehstrom- Synchronmotoren mit Permanentmagneten erzielen einen höheren Wirkungsgrad als Drehstrom-Käfigläufermotoren.
 

Hier wird die Erregerleistung durch die eingebauten Magnete gedeckt und nicht dem Netz entnommen.

Vergleich der Wirkungsgrad-Kennlinien A und B
Bei der Auswahl der Motoren für die Fördertechnik ist neben der Bemessungsleistung und des Wirkungsgrads im Bemessungspunkt auch der Verlauf der Kennlinie des Wirkungsgrads im Teillastbereich zu beachten. In folgenden Bild wird der Wirkungsgradverlauf
für zwei verschiedene Motoren mit einem Wirkungsgrad von 90 Prozent im Bemessungspunkt PM 15 kW mit den
Kennlinien A und B verglichen. 

Bei einem Beispiel mit jährlich 900 Stunden Volllast, 1.800 Stunden Teillast mit 7,5 kW und 3.600 Stunden Teillast mit 3,75 kW ergibt sich beim Kennlinientyp B eine jährliche Einsparung von ca. 4.500 kWh und damit ca. 450 € (bei 0,10 €/kWh).
Nach einer freiwilligen Vereinbarungen der EU werden die Wirkungsgrade von 2- und 4-poligen Normmotoren im Bereich von 1,1 bis 90 kW klassifiziert und mit einem eigens entwickelten Logo in Katalogen sowie auf dem Leistungsschild gekennzeichnet.

 

Verbesserung der Energieeffizienz:

Unter dem Gesichtspunkt der Energieeinsparung sollen Antriebsregelungen durch Stromrichter überall dort eingesetzt werden, wo die Last von der Drehzahl abhängt und eine bestimmte Mindest-Jahresbetriebsdauer erreicht wird. Damit wird der Motor thermisch entlastet und seine Lebensdauer verlängert.


Automatisierung mit Steuer- und Regeltechnik ist ein wesentlicher Schlüssel zur Effizienzverbesserung in der Antriebstechnik.


Die Energieeinsparung durch den Einsatz von Stromrichtern kann bei Teillastbetrieb und zusammen mit intelligenter Steuerung 30 – 50 Prozent betragen.

 

Die Investitionen amortisieren sich aufgrund der gesamten Energieeinsparung meist in kurzen Zeiträumen bis unter einem Jahr.

 

Minimierung von Leerlaufverlusten

Der Energieverbrauch von elektrischen Antrieben bei Volllast errechnet sich aus der Motor-Nennleistung multipliziert mit der Betriebszeit.
Bei vielen Anwendungen in der Fördertechnik wechselt der Betrieb zwischen Volllast, Teillast und Leerlauf. 


Auch im Leerlauf nimmt der Motor elektrische Energie auf, die sich aufgrund der Leerlaufverluste des Motors bei abgekuppeltem Getriebe der Förderanlage ergeben.

 

Wenn die Förderanlage eine Abkupplung nicht erlaubt, können sich die Leerlaufverluste der Anlage leicht verdoppeln. Je nach Beschaffenheit und Volumen des Förderguts, Beschickung und Transportgeschwindigkeit wird der elektrische Antrieb zeitweise nur mit einem Teil seiner Bemessungsleistung ausgelastet. Durch Sensorik und Steuerungstechnik können Betriebszustände und Fördergut überwacht werden. Zur Minimierung
der Leeerlaufverluste können elektrische Antriebe automatisch abgeschaltet oder über Frequenzumformer in der Drehzahl zurückgefahren werden.

 

Energieeinsparung durch Drehzahlregelung.

In Antriebsaufgaben mit periodischer Beschleunigung und Bremsung liegen große Potenziale zur Energieeinsparung und Vermeidung von Verlusten durch Einsatz eines Frequenzumformers.


Ein Frequenzumrichter erlaubt eine fast verlustfreie Drehzahl und Drehmomentenregelung und kann beim Hochlaufen die Frequenz kontinuierlich mit der Rotordrehzahl steigern. 


Die Berücksichtigung eines hohen Anfahrmoments erfordert die Auswahl des Motors mit einer höheren Nennleistung, als wenn die Anwendung nur im stationären Betrieb erfolgen würde. Frequenzumrichter steigern die Leistungsausbeute bei dynamischen Anwendungen.


Mit besonderen Umrichtern kann die Bremsenergie elektrischer Maschinen wieder ins Netz zurückgespeist werden.

Energierückspeisung spart elektrische Energie und Kosten für zusätzliche Kühlung.
Bei fachgerechter Anwendung kann diese Art der Drehzahlsteuerung zu besserer Prozess-Steuerung, weniger Verschleiß mechanischer Bauteile, geringerem Geräuschpegel und erheblichen Energieeinsparungen führen.


Besondere Aufmerksamkeit verlangt die erforderliche Begrenzung von Oberwellen-Rückwirkungen auf das Netz.
 

Drehzahlveränderliche Antriebe sollten nicht in Anlagen zur Anwendung kommen, die größtenteils bei voller Last laufen.

 

Energieeinsparung im Antriebssystem.

Der Wirkungsgrad des Antriebssystems hängt von vielen Einflussgrößen ab:

 

  • Größe und Auslegung des Motors

  • relative Auslastung des Motors

  • relative Frequenz des Motors

  • Arbeitsprinzip des Umrichters

  • relative Auslastung des Umrichters

  • relative Frequenz des Umrichters


Im Vergleich der möglichen Antriebssysteme (z. B. mechanischeVerstellgetriebe, Gleichstrommaschinen ode r Drehstrommotoren mit Frequenzumrichter) ist der Gesamt-Wirkungsgrad entscheidend.


Der Wirkungsgrad des Umrichters beläuft sich üblicherweise auf 90 bis 95 Prozent. Bei Umrichterspeisung vermindert sich
der Motor-Wirkungsgrad um bis zu etwa 5 Prozentpunkte.
Bei einem Vergleich der Anschaffungskosten zwischen konventioneller Lösung mit polumschaltbarem Motor für zwei Drehzahlen
(1:6) und Kombination aus Frequenzumrichter und Motor unter Berücksichtigung der erforderlichen gleichwertigen Steuer- und
Schaltgeräte sowie Motorschutz ergeben sich keine nennenswerten Mehrkosten.

Wirkungsgrad von Getrieben.
In vielen Anwendungsfällen in der Fördertechnik muss eine Drehzahluntersetzung erfolgen. Dies kann mit Zugmittel- oder Zahnradgetrieben erfolgen. Bei der Optimierung des Gesamt-Wirkungsgrads von Förderanlagen darf der Wirkungsgrad von Getrieben nicht vernachlässigt werden. 
Bei Drehzahlen zwischen 700 bis 3.000 Umdrehungen/min sind Zugmittelgetriebe in der Anschaffung am kostengünstigsten. Empfindlichkeit gegen Schmutz und Feuchtigkeit, ein zu installierender Berührungsschutz sowie Geräuschemissionen und der besondere Wartungsaufwand sprechen gegen diese Form der Kraftübertragung.


Zahnradgetriebe stellen eine Alternative hierzu dar. Bei der Hintereinanderschaltung mehrerer Untersetzungen multiplizieren sich die Wirkungsgrade der einzelnen Stufen zum Gesamt-Wirkungsgrad.


Innerhalb der Zahnrad-Getriebe zeichnen sich Stirnrad- und Kegelradgetriebe durch geringere Verluste gegenüber Schneckengetrieben aus. Schneckengetriebe können auf Grund der Einbaubedingungen erforderlich werden, wenn sich die Antriebsachsen mechanisch bzw. anlagenbedingt kreuzen. Bei sehr hohen Untersetzungen ergeben sich größere Preisvorteile für Schneckengetriebe.


Die Abbildung 1 zeigt die Wirkungsgrade von Stirnradgetrieben im Vergleich zu Schneckengetrieben, bezogen auf ihre Bemessungsleistung.
Daraus ergibt sich, dass die Verwendung eines verlustarmen Getriebes noch größere Energieeinsparung als die Verwendung eines Energiespar-Motors ergibt, wenn dazu die konstruktiven Voraussetzungen gegeben sind. 
Kompakte Antriebe mit Motor, Frequenzumrichter und direkt angebautem Getriebe erlangen aufgrund ihrer Vorteile bei der Montage und Installation
immer mehr Bedeutung.

 

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung.

Auswahl von Motoren in Neuanlagen.
Die meisten Hersteller bieten listenmäßig Motoren in Normalausführung, d.h. in der eff2-Effizienzklasse an. Motoren der Klasse
eff1 kosten ca. 20 bis 25 Prozent mehr. 
Für die Berechnung der Amortisation spielen neben der Jahreslaufzeit die individuellen
Stromkosten eine Rolle. Das nachfolgende Diagramm lässt eine grobe Einschätzung der Amortisationszeit für drei unterschiedliche
Motorenleistungen bei Verwendung von eff1 gegenüber eff2 Abhängigkeit von der tatsächlichen Nutzungsdauer ergeben sich in der Regel zweistellige Kapitalrenditen. Eine genaue Berechnungmuss auf Basis der tatsächlichen Betriebsdaten erfolgen.

Modernisierung von Motoren im Anlagenbestand.
Alte Motoren im Bestand von Förderanlagen können mit großer Wahrscheinlichkeit hinsichtlich ihres Wirkungsgrades der Effizienzklasse
eff3 zugeordnet werden. Bei altersbedingten Umstellungen und anstehenden Wicklungsreparaturen bietet sich eine
Umstellung auf die Effizienzklasse eff1 an. Gegenüber den „Sowieso- Kosten“ bei einer Neuerrichtung als Differenz zwischen eff1
und eff2 (wie zuvor beschrieben), muss der volle Neupreis beziehungsweise der anteilige Neupreis (aufgrund erfolgter Abschreibung
der Altanlage) bei der Wirtschaftlichkeitsuntersuchung angesetzt werden.
Bei einer Nutzungsdauer der Motoren von 10 Jahren ergibt sich eine interne Verzinsung von ca. 50% bei einer Amortisationszeit
von zwei Jahren (siehe Abb. 5). Für die Umstellung in Altanlagen ergeben sich bei Berücksichtigung des vollen Neupreises für die
angegebenen Motorengrößen folgende Amortisationszeiten:

Motor 1,1 kW: ca. 9.000 Betriebsstunden
Motor 11 kW: ca. 11.800 Betriebsstunden
Motor 110 kW: ca. 14.200 Betriebsstunden

 

 

Wirtschaftlichkeit von Energiesparmotoren:

Bei der Beschaffung und Modernisierungsplanung sind folgende Prioritäten für die Wirtschaftlichkeit der Maßnahmen
zum Einsatz von Energieeinsparungsmotoren zu setzen:
eff2–Motoren verwenden, wenn die Laufzeit mehr als 2 .000 Stunden/Jahr beträgt
eff1-Motoren verwenden, wenn die Laufzeit mehr als 4 .000 Stunden/Jahr beträgt

Der Austausch von Motoren mit einer relativ hohen Auslastung hat Priorität. 
Da kleine Motoren mit höheren Verlusten als große Motoren behaftet sind, ist bei großen Stückzahlen auch
hier ein Austausch gegen hocheffiziente Motoren sinnvoll.

Drehstrom-Asynchronmotoren mit Käfigläufer erlauben eine wirtschaftliche Antriebslösung für viele Förderaufgaben. Sie
sollen als Hochwirkungsgrad-Motoren (HEM) eingesetzt werden.
Hocheffiziente Motoren der Klasse eff1 können die Energieverluste um ca. 40 Prozent gegenüber konventionellen Typen
verringern. 
Bei HEM kann meist eine zweistellige Kapitalrendite erreicht werden. Die bessere Qualität erhöht zugleich die Lebensdauer
des Motors. Jedoch erzielt erst die Kombination von Umrichter und Motor den maximalen Einspareffekt. Motoren und Stromrichter sind abgestimmt aufeinander zu planen.

 

 

 

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