Informationen über das neue Ökodesign für Antriebssysteme

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1 Informationen über das neue Ökodesign für Antriebssysteme

2 Einleitung Nach der stufenweisen Marktumstellung der am Netz betriebenen Asynchronmotoren auf Energiesparmotoren und deren Klassifizierung in IE-Wirkungsgradklassen folgt in der nächsten Stufe die Erweiterung der Klassifizierung auf leistungselektronische Komponenten und Systeme sowie angetriebene Einrichtungen. Im Folgenden werden einige Informationen zur neuen EN , zur Bestimmung der Verlustleistung und zur Eingruppierung von Antriebssystemen in IES-Klassen gegeben. Was beinhaltet die Norm EN 50598? Die Norm umfasst 3 Teile. Der Teil 2 trifft Festlegungen für die Ermittlung und Bewertung der Energieeffizienz von Antriebssystemen im Leistungsbereich von 0,12 kw bis kw. Er beinhaltet außerdem einen Vorschlag für das Vorgehen zur Charakterisierung der energieeffizientesten Lösung für das sogenannte erweiterte Produkt aus Antriebssystem und Lastmaschine. Die Norm legt die Methodik zur Bestimmung der Verluste des vollständigen Antriebsmoduls, des Antriebssysteme sowie des gesamten Motorsystems fest. Es werden Effizienzklassen für vollständige Antriebsmodule (IE-Klassen) und Antriebssysteme (IES-Klassen) definiert und Grenzwerte und Prüfverfahren für deren Klassifizierung angegeben. Außerdem wird die Methodik zur Charakterisierung der zu realisierenden energieeffizientesten Lösung vorgeschlagen, welche sich nach der Architektur des Motorantriebssystems, des Drehzahl/Last- Profils und den Betriebspunkten der Anwendung richtet. Die spezifischen Daten zu Verlusten und IE/IES-Klassen müssen in Zukunft für Niederspannungsantriebssysteme mit Drehstrom-Asynchronmotoren im Spannungsbereich von 100 V bis V angegeben werden. Die EN befasst sich schwerpunktmäßig mit den vollständigen Antriebsmodulen und mit den Antriebssystemen. Diese, sowie die weiteren Komponenten eines erweiterten Produkts sind in der folgenden Grafik dargestellt. Wichtige Abkürzungen und deren Erläuterung CDM Complete Drive Modul (vollständiges Antriebsmodul) vollständiger Frequenzumrichter mit allen Komponenten, wie Einspeisung, Ein- und Ausgangsfi lter usw. PDS Power Drive System (Antriebssystem) Antriebssystem bestehend aus CDM und Motor sowie Motorkabel EEI Energy Efficiency Index (Energieeffizienzindex eines erweitertes Produkts, z. B. eines Pumpenantriebes) Je kleiner der EEI-Wert, umso geringer sind die Verluste des erweiterten Produktes IES-Klasse International Efficiency of Systems (Effizienzklasse eines Antriebssystems, eines PDS) 2

3 Motorsystem Antriebssystem (PDS) Erweitertes Produkt Vollständiges Antriebsmodul (CDM) Angetriebene Einrichtung Hilfseinrichtungen Antriebsgrundmodul (BDM) Lastmaschine Einspeiseabschnitt Hilfseinrichtungen Motor Netz und Netzverkabelung Übertragung Motorstarter (Schaltschutz, Sanftanlauf,...) Motorregelsystem = CDM oder Starter RCDM Referenz-CDM Die gemessenen oder errechneten Verluste eines einzelnen CDM werden im Vergleich zu den Verlusten des Referenz-CDM bewertet. Die Verlustleistung des Referenz-CDM wird der Effizienzklasse IE1 zugeordnet. Das RCDM dient auch dazu einem Motorenhersteller zu ermöglichen die IES-Klasse eines PDS zu bestimmen, ohne das reale CDM und dessen Hersteller zu kennen. RM Referenzmotor Die gemessenen oder errechneten Verluste eines einzelnen Motors werden im Vergleich zu den Verlusten des Referenzmotors bewertet. Der RM dient auch dazu einem Umrichterhersteller zu ermöglichen die IES-Klasse eines PDS zu bestimmen, ohne den realen Motor und dessen Hersteller zu kennen. Die Verluste der RM wurden von den IE2-Wirkungsgraden der 4poligen Asynchronmotoren für 50 Hz nach EN unter Einbeziehung der rhl-faktoren abgeleitet (rhl Verhältnis der zusätzlichen Oberschwingungsverluste zu den Verlusten bei sinusförmiger Versorgung eines Motors). Die Verluste des Referenzmotors gelten auch für Anwendungen bei 60 Hz. RPDS Referenz-PDS (Kombination aus Referenzmotor und Referenz-PDS) Die gemessenen oder errechneten Verluste eines PDS werden mit den Verlusten des Referenz-PDS verglichen. Die Verlustleistung des Referenz-PDS ist der Klasse IES 1 zugeordnet. Das Referenz-PDS dient auch dazu, z. B. einem Pumpenhersteller zu ermöglichen, den Energieeffizienzindex eines erweiterten Produktes, in diesem Fall einer Pumpe incl. Referenz-PDS zu bestimmen, ohne das reale PDS und die realen Komponenten (Motor und CDM) und deren Hersteller zu kennen. 3

4 Referenzprodukte Definition Um das energieeffizienteste erweitere Produkt für eine Anwendung zu bestimmen, ist es erforderlich, dass die unterschiedlichsten leistungselektronischen Komponenten, Motoren und Systeme auf einfache Art und Weise miteinander verglichen werden können. Der in der EN beschriebene erweiterte Produktansatz, auf den hier nicht eingegangen wird, macht das möglich. Die Referenzprodukte sind unabhängig vom realen Produkt eines bestimmten Herstellers und gestatten: die Festlegung von Grenzwerten für Klassifizierungen die Klassifizierung realisierter PDS im Vergleich zum Referenz-PDS die Klassifizierung des CDM und die Anwendung der zukünftigen IEC/TS zur Klassifizierung umrichtergespeister Motoren die Bestimmung nur einiger geeigneter Messpunkte oder Berechnungsergebnisse, um den Energieverbrauch unterschiedlicher Antriebsanwendungen zu entwickeln. Die Einführung der Referenzprodukte dient einem Hersteller dazu, seine Produkte mit den Referenzprodukten zu vergleichen und in eine IE- bzw. IES-Klasse einzugruppieren. Ein Nur-Motorhersteller kann auch die IES-Klasse eines endgültigen PDS im Voraus bestimmen, ohne das reale CDM und dessen Hersteller zu kennen. Dazu muss er die Verluste des eigenen Motors gemeinsam mit dem Referenz-CDM messen oder berechnen. Zurzeit sind die IE-Klassen für umrichtergespeiste Motoren aber noch in Beratung. Referenzprodukte Verlustleistungspunkte Für die Referenzmotoren, Referenz-CDM und Referenz-PDS wurden jeweils 8 Verlustpunkte festgelegt. Auf die Bestimmung der Verluste der Referenz-CDM wird an dieser Stelle nicht näher eingegangen. Die untere Grafik zeigt die 8 Verlustpunkte für die Referenz-PDS. Es sind die gleichen, die auch für die Referenzmotoren festgelegt wurden. RPDS relatives Drehmoment in % p L, RPDS (0; 100) (3) (2) (6) (5) (4) (8) p L, RPDS (0; 50) p L, RPDS (0; 25) 50 p L, RPDS (50; 100) p L, RPDS (100; 100) p L, RPDS (50; 50) (7) p L, RPDS (50; 25) 100 (1) RPDS relatives Drehzahl in % 4

5 Theoretisch müssen die Verluste in jedem Arbeitspunkt zwischen 0 % und 100 % der relativen Drehzahl und zwischen 0 % und 100 % des relativen Drehmoments bekannt sein. In der Praxis ist es jedoch ausreichend, die Verluste in acht Arbeitspunkten zu kennen. Zur Bestimmung der IE- und der IES-Klasse wird aber ausschließlich der Vergleich der Verlustleistung des realen Motors bzw. des realen PDS zu den Verlusten des Referenzmotors bzw. des Referenz-PDS im Bemessungsarbeitspunkt (100; 100) herangezogen. Liegt die Verlustleistung des realen PDS in einem Bereich von +/-20 % der Verlustleistung des Referenz- PDS, dann wird das PDS in die Klasse IES1 eingruppiert. Sind die Verluste des realen PDS geringer als 80 % wird das PDS in die Klasse IES2 eingruppiert, sind sie höher als 20% kann es nur in die Klasse IES0 eingruppiert werden. IES-Klasse des PDS PDS-Verluste IES0 > RPDS-Verluste +20 % IES1 RPDS-Verluste ± 20 % IES2 IES3 bis IES 9 < 80 % RPDS-Verluste (reserviert) Die IES-Klasse ist aber nur eine Vororientierung und dient der Marktaufsichtsbehörde. Für die Kunden sind die jeweiligen Verluste im Teillastbetrieb wichtiger. Die Wirkungsgrade der tatsächlichen Teillastarbeitspunkte müssen aus den 8 bekannten normgerechten Arbeitspunkten gemäß EN entweder vom Kunden selbst oder vom Lieferanten des PDS berechnet oder gemessen werden. Wie eine Berechnung zu erfolgen hat wird in der Norm EN beschrieben. Da in Zukunft die Verlustleistungen der Motoren, der CDM und der PDS nicht nur für den Bemessungsarbeitspunkt (100; 100), sondern auch für die 7 Teillastarbeitspunkte angegeben werden müssen, kann der Kunde gut herausfinden, welches PDS bzw. welcher Motor und welches CDM für den von ihm am meisten genutzten Teillastbetrieb am effektivsten ist. Steht kein realer Motor oder kein reales CDM bzw. PDS zur Verfügung können die Verlustleistungen der Referenz-Komponenten auch für den Teillastbereich herangezogen werden. In der Norm EN werden auch für die 7 Teillastarbeitspunkte die Verlustleistungen der Referenzmotoren, der Referenz-CDM und der Referenz-PDS angegeben. Abschließend ein Beispiel zur Bestimmung der IES-Klasse von PDS, die aus einem 4poligen VEM-Drehstrom-Asynchronmotor der Wirkungsgradklasse IE2 und einem Danfoss-Umrichter der Reihe FC302 betrieben am 400-V-Netz bestehen. 5

6 Gemäß der unteren Tabelle erreichen die bisher gemessenen VEMoDRIVE Compact und VEMoDRIVE Single durchweg die Effizienzklasse IES2. Auszug der IES-Klassen für VEMoDRIVE Compact und VEMoDRIVE Single Typ Leistung des PDS Verlustleistung des PDS Verluste des Referenz-PDS (IES1) relative Verluste des PDS zum Referenz-PDS Kompaktantriebe VEMoDRIVE Compact mit Umrichter FCP106 von Danfoss ME1R 80 G4 0,75 kw 206 W 387 W 53,2 % IES2 ME1R 90 S4 1,1 kw 273 W 484 W 56,4 % IES2 ME1R 90 L4 1,5 kw 362 W 585 W 61,9 % IES2 ME1R 100 L 2,2 kw 444 W 760 W 58,5 % IES2 ME1R 100 LX4 3 kw 580 W 948 W 61,2 % IES2 ME1R 112 MZ4 4 kw 773 W W 66,4 % IES2 ME1R 132 S4 5,5 kw 776 W W 53,1 % IES2 ME1R 132 M4 7,5 kw W W 60,7 % IES2 Effizienzklasse (IES2 <80% der Verluste des Referenz-PDS) Antriebssystem VEMoDRIVE Single mit Umrichter FC302 von Danfoss IE2-WE1R 80 G4 0,75 kw 206 W 387 W 53,2 % IES2 IE2-WE1R 90 S4 1,1 kw 273 W 484 W 56,4 % IES2 IE2-WE1R 90 L4 1,5 kw 363 W 585 W 62,0 % IES2 IE2-WE1R 100 L4 2,2 kw 455 W 760 W 59,9% IES2 IE2-WE1R 100 LX4 3 kw 608 W 948 W 64,1 % IES2 IE2-WE1R 112 MZ4 4 kw 800 W W 68,7 % IES2 IE2-WE1R 132 S4 5,5 kw 842 W W 57,6 % IES2 IE2-WE1R 132 M4 7,5 kw W W 65,6 % IES2 IE2-WE1R 180 M 4 18,5 kw W W 78,5 % IES2 IE2-WE1R 180 L4 22 kw W W 74,7 % IES2 IE2-WE1R 200 L4 30 kw W W 62,6 % IES2 IE2-WE2R 225 M4 37 kw W W 73,3 % IES2 IE2-WE2R 225 S4 45 kw W W 75,8 % IES2 IE2-WE2R 250 M4 55 kw W W 73,1 % IES2 IE2-WE1R 280 S4 75 kw W W 69,7% IES2 IE2-WE1R 315S kw W W 64,5 % IES2 IE2-W21R 315 M4 132 kw W W 67,9 % IES2 6

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