Klassifizierung und EU-Verordnung EI 4710 für Motorwirkungsgrade

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1 Klassifizierung und EU-Verordnung EI 4710 für Motorwirkungsgrade The Gear Motor Specialist Greiner : Eta JEM 2009 Stand : E:\EI\Aufstze\EI4710\EI4710.doc Seite 1

2 Inhaltsverzeichnis 1 Kennzeichnung der Klasse 2 Formeln für die Interpolation 3 Vergleichsdiagramme 4 Super Premium Klasse IE4 für neue Technologie 5 Grenzwerttabellen 6 Anpassung von EFF1 IE2 und EFF2 IE1 7 Verbindliche EU-Verordnung statt freiwillige CEMEP-Vereinbarung Literaturhinweise Diese Druckschrift der Fa. Danfoss Bauer GmbH darf ohne vorherige Genehmigung des Herausgebers weder auszugsweise noch vollständig nachgedruckt werden. Alle Rechte vorbehalten. Die Angaben wurden nach dem derzeitigen Stand der Normen und Vorschriften sorgfältig zusammengestellt und geprüft. Verbindlich ist der jeweilige Stand der technischen und gesetzlichen Regeln sowie der Stand der Konstruktion und Fertigung bei Danfoss Bauer. Für Schäden, die sich aus der Verwendung dieser Angaben ergeben könnten, wird keine Haftung übernommen Greiner : Eta JEM 2009 Stand : E:\EI\Aufstze\EI4710\EI4710.doc Seite 2

3 Klassifizierung und EU-Verordnung für Motorwirkungsgrade Norm IEC/EN Obering. H. Greiner Dieses wichtige Projekt ist nun abgeschlossen: Die endgültige Fassung der DIN und der Europäischen Norm [1] ist auf Basis der IEC [2] erschienen; die Mindestwerte der EN sind in einer EU-Verordnung [3] zur Implementierung der Richtlinie 2005/32/EC für ausgewählte Motorarten verbindlich vorgeschrieben. Diese Zusammenfassung kann das Studium der zitierten Nomen und der EU-Regelung nicht ersetzen; sie enthält wesentliche Änderungen gegenüber den Vorberichten zu diesem Thema. 1 Kennzeichnung der Klasse Zur Kennzeichnen werden die Klassen IE1, IE2, IE3 und IE4 eingeführt. Dieses System erinnert an die im Elektromaschinenbau seit langem verwendeten Codes IP, IM und IC; es steht für "International Energy Efficiency Class" und lässt breite Akzeptanz erwarten. Kennzeichen für die Wirkungsgrad-Klasse Vergleich mit der Klassifizierung nach CEMEP Wirkungsgrad Code Wirkungsgrad Logo Super Premium IE4 Premium IE3 Hoch IE2 hoch Standard IE1 verbessert unter Standard keine Kennzeichnung normal 2 Formeln für die Interpolation Im ersten Entwurf waren die Sollwerte für die Nennwirkungsgrade nur Tabellen mit leistungsabhängigen Stufen genannt. Diese Stufen waren vor allem bei den aus US-Quellen stammenden Werten (EPACT, NEMA) sehr ausgeprägt und mathematisch nicht nachvollziehbar oder für abweichende Leistungswerte nicht leicht zu interpolieren. Grundlage aller neuen 50 Hz-Tabellenwerte sind jetzt die für jede Gruppe (Klasse, Frequenz, Polzahl) festgelegten Formeln für Polynome nach folgendem Schema: Beispiele für die Klassen IE1, IE2, IE3: Motoren 4polig, 50 Hz, A B C D Klasse IE1 0,5234-5, , ,3171 Klasse IE2 0,0278-1, , ,9761 Klasse IE3 0,0773-1,8951 9, ,7025 Die Werte für die Parameter der Polzahlen 2 und 6 sind der Norm zu entnehmen. Die Formel und ihre Parameter ergeben die mathematisch beste Annäherung an die genormten und in den Tabellen festgelegten Grenzwerte. Sie haben keinen physikalischen Hintergrund. Greiner : Eta JEM 2009 Stand : E:\EI\Aufstze\EI4710\EI4710.doc Seite 3

4 Das Rechenergebnis (in %) ist auf die erste Nachkommastelle zu runden. Bei 50 Hz sind die Grenzwerte für die genormten Leistungsstufen den Tabellen 3, 5 und 7 der Norm zu entnehmen (siehe auch Abschnitt 5 dieser Zusammenfassung). Für abweichende Leistungswerte sind die Grenzwerte des Wirkungsgrades nach der Formel zu berechnen. Bei 60 Hz stimmen die Grenzwerte mit den in den USA teilweise gesetzlich festgelegten Stufenwerten (z.b. EPACT) überein. Die US-amerikanischen Normengremien waren zu einer Angleichung an das bei IEC für 50 Hz vereinbarte System nicht bereit. Die Ermittlung eines Grenzwertes für den Wirkungsgrad bei einem von der Norm abweichenden Leistungswert ist in der Norm festgelegt. 3 Vergleichsdiagramme Das Diagramm Bild 1 soll einen visuellen Vergleich für die wichtigste Motorengruppe (4polig, 50 Hz) erlauben. Es ist daher mit grobem Gitternetz erstellt. Die genauen Grenzwerte für die Klassifizierung der Wirkungsgrade sind den nachfolgenden ausführlichen Tabellen und der Norm zu entnehmen. Bild 1 Vergleich der drei Wirkungsgradklassen am Beispiel 4poliger Motoren für 50 Hz Bemessungsleistungen P N = 0, kw Unter Standard (ohne Kennzeichnung IE..) Standard (IE1) Hoch (IE2) Premium (IE3) 4 Super Premium Klasse IE4 für neue Technologie Diese im Entwurf der Norm IEC behandelte, in der Entwicklung befindliche Technologie ist jetzt im Anhang A zur Anwendungsrichtlinie IEC [4] zu finden. Zur Information werden dort die vorgesehenen Grenzwerte für Super-Premium Wirkungsgrade IE4 angegeben, die mit um 15 % reduzierten Verlusten gegenüber der Klasse IE3 vorgesehen sind. Die Klasse IE4 gilt für alle Arten elektrischer Maschinen, besonders für Käfigläufermotoren oder permanenterregte Synchronmotoren mit Umrichterspeisung. Diese Maschinen werden üblicherweise nach Drehmoment und nicht nach Leistung bemessen. Der Gesamtwirkungsgrad ergibt sich unter Einbeziehung der im Umrichter entstehenden Verluste sowie der durch die Drehzahlverstellung gewonnenen, oft erheblichen Prozess-Vorteile. Ein direkter Vergleich der auf den Motor bezogenen Klassen IE4 und IE3 ist daher nicht sinnvoll. Greiner : Eta JEM 2009 Stand : E:\EI\Aufstze\EI4710\EI4710.doc Seite 4

5 5 Grenzwert-Tabellen Als Auszug aus den umfangreichen Tabellen der Norm werden in diesem Abschnitt Werte für die in Europa gebräuchlichen Motorgruppen gezeigt. Tabelle 3 der Norm Nominelle Grenzwerte (in %) für den Standard Wirkungsgrad (IE1) bei Motoren für 50 Hz P N (kw) Polzahl ,75 72,1 72,1 70,0 1,1 75,0 75,0 72,9 1,5 77,2 77,2 75,2 2,2 79,7 79,7 77,7 3 81,5 81,5 79,7 4 83,1 83,1 81,4 5,5 84,7 84,7 83,1 7,5 86,0 86,0 84, ,6 87,6 86, ,7 88,7 87,7 18,5 89,3 89,3 88, ,9 89,9 89, ,7 90,7 90, ,2 91,2 90, ,7 91,7 91, ,1 92,1 91, ,7 92,7 92, ,0 93,0 92, ,3 93,3 93, ,5 93,5 93, ,8 93,8 93,8 200 bis ,0 94,0 94,0 Greiner : Eta JEM 2009 Stand : E:\EI\Aufstze\EI4710\EI4710.doc Seite 5

6 Tabelle 5 der Norm Nominelle Grenzwerte (in %) für den Hohen Wirkungsgrad (IE2) bei Motoren für 50 Hz P N Polzahl kw ,75 77,4 79,6 75,9 1,1 79,6 81,4 78,1 1,5 81,3 82,8 79,8 2,2 83,2 84,3 81,8 3 84,6 85,5 83,3 4 85,8 86,6 84,6 5,5 87,0 87,7 86,0 7,5 88,1 88,7 87, ,4 89,8 88, ,3 90,6 89,7 18,5 90,9 91,2 90, ,3 91,6 90, ,0 92,3 91, ,5 92,7 92, ,9 93,1 92, ,2 93,5 93, ,8 94,0 93, ,1 94,2 94, ,3 94,5 94, ,6 94,7 94, ,8 94,9 94,8 200 bis ,0 95,1 95,0 Greiner : Eta JEM 2009 Stand : E:\EI\Aufstze\EI4710\EI4710.doc Seite 6

7 Tabelle 7 der Norm Nominelle Grenzwerte (in %) für den Premium Wirkungsgrad (IE3) bei Motoren für 50 Hz P N Polzahl kw ,75 80,7 82,5 78,9 1,1 82,7 84,1 81,0 1,5 84,2 85,3 82,5 2,2 85,9 86,7 84,3 3 87,1 87,7 85,6 4 88,1 88,6 86,8 5,5 89,2 89,6 88,0 7,5 90,1 90,4 89, ,2 91,4 90, ,9 92,1 91,2 18,5 92,4 92,6 91, ,7 93,0 92, ,3 93,6 92, ,7 93,9 93, ,0 94,2 93, ,3 94,6 94, ,7 95,0 94, ,0 95,2 94, ,2 95,4 95, ,4 95,6 95, ,6 95,8 95,6 200 bis ,8 96,0 95,8 Greiner : Eta JEM 2009 Stand : E:\EI\Aufstze\EI4710\EI4710.doc Seite 7

8 6 Anpassung von EFF1 IE2 und EFF2 IE1 In der Norm basieren die nominellen IEC-Grenzwerte bei 50 Hz-Motoren für IE1 und IE2 auf den bekannten CEMEP-Grenzwerten EFF2 und EFF1 (siehe Vergleichstabelle in Abschnitt 1). Zur Berücksichtigung der Zusatzverluste beim Messverfahren wurden die Grenzwerte jedoch geringfügig angepasst. P N in kw EFF1 IE2 EFF2 IE1 0,75 79,6 72,1 1,1 83,8 81,4 76,2 75,0 1,5 85,0 82,8 78,5 77,2 2,2 86,4 84,3 81,0 79,7 3 87,4 85,5 82,6 81,5 4 88,3 86,6 84,2 83,1 5,5 89,2 87,7 85,7 84,7 7,5 90,1 88,7 87,0 86, ,0 89,8 88,4 87, ,8 90,6 89,4 88,7 18,5 92,2 91,2 90,0 89, ,6 91,6 90,5 89, ,2 92,3 91,4 90, ,6 92,7 92,0 91, ,9 93,1 92,5 91, ,2 93,5 93,0 92, ,7 94,0 93,6 92, ,0 94,2 93,9 93, ,5 93, ,7 93, ,9 93,8 200 bis ,1 94,0 Vergleich der bisher gültigen CEMEP-Klassen mit den neuen IEC-Klassen bei 4poligen Motoren 50 Hz EFF1 entspricht etwa IE2 EFF2 entspricht etwa IE1 Greiner : Eta JEM 2009 Stand : E:\EI\Aufstze\EI4710\EI4710.doc Seite 8

9 7 Verbindliche EU-Regelung statt freiwillige CEMEP-Vereinbarung In [5] heißt es: "Der jährliche Monitoring-Bericht zeigt, dass sich die Klasse EFF2 zur Standardwirkungsgradklasse entwickelt hat. Der Marktanteil lag 2007 bei 86 Prozent. Der Anteil der Motoren der besten Wirkungsgradklasse EFF1 verharrte in den ersten Jahren im unteren einstelligen Prozentbereich. In den letzten Jahren erhöhte sich der Marktanteil merklich und lag am Ende des Jahres 2007 bei 12 Prozent, Bild 2 Marktanteile der EFF-Motoren im Geltungsbereich der freiwilligen CEMEP-Vereinbarung in Europa Die freiwillige Selbstverpflichtung war ein sehr gutes Instrument zur Marktdurchdringung mit Energiesparmotoren. Bei der umweltpolitisch weltweit geforderten Beschleunigung der Einführung von EFF1-Motoren stößt sie aber an ihre Grenzen. Aktuell wird insbesondere auf europäische Ebene darüber nachgedacht, wie der Marktanteil der EFF1-Motoren spürbar erhöht werden kann. Dabei geht es auch darum, die Käuferseite, d.h. die Endanwender und die OEM bei der gemeinsamen Aufgabe in die Pflicht zu nehmen. Getrieben von internationalen Entwicklungen insbesondere in USA, Kanada, China und Australien gehen die Überlegungen in die Richtung, zukünftig eine Mindestwirkungsgradklasse EFF1 für Motoren in Europa gesetzlich vorzuschreiben." Neue EG-Verordnung Die EG-Verordnung Nr. 640/2009 [3] sieht einen spezifizierten Anwendungsbereich mit einer Auflistung von Einschlüssen und Ausschlüssen vor, dessen Formulierung in der Verordnung zu beachten ist. Für die Einführung der EU-Verordnung ist ein abgestufter Zeitplan nach Bild 3 festgelegt Bild 3 Zeitschiene für die Einführung der EU-Regel für Inverkehrbringen und Inbetriebnahme von energieeffizienten Antrieben Greiner : Eta JEM 2009 Stand : E:\EI\Aufstze\EI4710\EI4710.doc Seite 9

10 Motoren im Sinne der Verordnung Eintourige Dreiphasen Käfigläufer-Induktionsmotoren für 50 oder 50/60 Hz 2- bis 6-polig; Nennspannung U N bis 1000 V; Nennausgangsleistung P N zwischen 0,75 und 375 kw; für Dauerbetrieb ausgelegt. Ausschlüsse aus dem Geltungsbereich Die Verordnung gilt nicht für a) Motoren, die dafür ausgelegt sind, ganz in eine Flüssigkeit eingetaucht betrieben zu werden; b) vollständig in ein Produkt (z. B. ein Getriebe, eine Pumpe, einen Ventilator oder einen Kompressor) eingebaute Motoren, deren Energieeffizienz nicht unabhängig von diesem Produkt erfasst werden kann; c) Motoren, die speziell für den Betrieb unter folgenden Bedingungen ausgelegt sind: i) in Höhen über Meter über dem Meeresspiegel; ii) bei Umgebungstemperaturen über 40 C; iii) bei Betriebshöchsttemperaturen über 400 C; iv) bei Umgebungstemperaturen unter 15 C (beliebiger Motor) bzw. bei Umgebungstemperaturen unter 0 C (luftgekühlter Motor); bei Kühlflüssigkeitstemperaturen am Einlass eines Produkts unter 5 C oder über 25 C; vi) in explosionsgefährdeten Bereichen im Sinne der Richtlinie 94/9/EG des Europäischen Parlaments und des Rates. d) Bremsmotoren. Literatur: [1] DIN EN (VDE ): Drehende elektrische Maschinen Teil 30: Wirkungsgrad-Klassifizierung von Drehstrommotoren mit Käfigläufern, ausgenommen polumschaltbare Motoren (IE-Code) (IEC :2008); Deutsche Fassung EN :2009 [2] IEC : Rotating electrical machines Part 30: Efficiency classes of single-speed, three-phase, cage induction motors (IE-Code) [3] VERORDNUNG (EG) Nr. 640/2009 vom 22. Juli 2009 zur Durchführung der Richtlinie 2005/32/EG des Europäischen Parlaments und des Rates im Hinblick auf die Festlegung von Anforderungen and die umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren [4] IEC/TS : Rotating electrical machines Part 31: Guide for the selection and application of energy-efficient motors including variable-speed applications z. Zt. Entwurf IEC2/1554/CD [5] Doppelbauer, M., Sattler, B.: Energieparmotoren Neue Wirkungsgradklassen (IE Code) Jahresbericht 2008 des FB Elektrische Antriebe im ZVEI Greiner : Eta JEM 2009 Stand : E:\EI\Aufstze\EI4710\EI4710.doc Seite 10