Mit dem Projekt ‚20-20-20‘ verfolgt die EU ehrgeizige Ziele: Bis 2020 soll der CO2-Ausstoß um 20 % reduziert werden, der Anteil an erneuerbaren Energien 20 % betragen und die Energie-Ef­fizienz um 20 % gesteigert werden. Die im Jahr 2005 verabschiedete europäische ErP-Richtlinie (2005/32/EC und 2009/ 125/EG) – auch Ökodesign-Richtlinie genannt – benennt in diesem Zusammenhang die generellen Anforderungen an die Effizienz energieverbrauchsrelevanter Produkte (Energy-related Products, ErP), sofern davon jährlich mindestens 200.000 Stück im Gebiet der Europäischen Union in Umlauf gebracht werden. Damit betrifft die ErP-Richtlinie in besonderem Maße auch die Konzeption elektrischer Antriebssysteme.

Die Ökodesign-Richtlinie beschreibt im Einzelnen Frequenzumrichter als Einzel­komponente, Antriebssysteme aus Frequenz­umrichter und Motor beziehungsweise Motorsystem und Antriebssysteme in Verbindung mit einer Last.

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Zwei entscheidende Arbeitsphasen sind bei der Einführung der ErP-Richtlinie bereits abgeschlossen. Dort wurden vorrangig Anforderungen an die Effizienz einzelner Produkte definiert. Mit der 2015 begonnenen dritten Phase gewinnt nun der ‚erweiterte Produktansatz‘ an Bedeutung. Dieser besagt, dass künftig nicht mehr allein der Effizienzgrad der einzelnen Komponenten zählt, sondern zunehmend die Systemeffizienz der gesamten Anlage.

Die konkrete Umsetzung der übergreifenden ErP-Direktive regelt nach­geordnete und ergänzende Richtlinien sowie harmonisierte Normen. In Bezug auf elektrische Antriebe sind dies vor allem zwei: die Europäische Norm EN 50598 und die internationale Norm IEC/EN 60034-30. Während die IEC/EN 60034-30 die Effizienzklassen von Motoren definiert, wurden in der EN 50598 die Effizienzklassen für Frequenzumrichter und das ‚Power Drive System‘, bestehend aus Frequenzumrichter und Motor, festgeschrieben. Daneben beschreibt die EN 50598 rechnerische und messtechnische Verfahren zur Ermittlung der Systemeffizienz.

Die Normensituation

Die im Herbst 2014 genehmigte und veröffentlichte EN 50598 umfasst drei Teile, die schrittweise bis Januar 2016 umgesetzt werden sollen. In Hinblick auf die ErP-Richtlinie bildet die EN 50598 bis zu ihrer vollständigen Harmonisierung rein rechtlich nur eine Orientierung und Hilfe bei der Umsetzung – eine recht verlässliche immerhin. Ausweislich ihres Titels beschreibt die Norm das ‚Ökodesign für Antriebssysteme, Motorstarter, Leistungselek­tronik und deren angetriebene Einrichtungen‘. Darunter fallen im Einzelnen:

Zur Berechnung der Gesamteffizienz einer Umrichter-Motor-Kombination müssen unterschiedliche Effizienzklassen kombiniert werden, und zwar die des Umrichters gemäß EN 50598 mit der des Motors gemäß IEC 60034-30.

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1. Frequenzumrichter als Einzelkom­ponente (Complete Drives Module, CDM);
2. Antriebssysteme aus Frequenzumrichter (Regeleinheit) und Motor beziehungsweise Motorsystem (Power Drive System, PDS);
3. Antriebssysteme in Verbindung mit einer Last (zum Beispiel einer ­Maschine) als sogenannte erweiterte Produkte (Extended Product).

Wie diese Aufzählung zeigt, deckt die EN 50598 die eigentlichen Motoren nicht ab. Hier kommt die internationale Norm IEC/EN 60034-30 zum Tragen. Diese war ursprünglich für Asynchronmotoren definiert. Durch die zunehmende Verbreitung anderer Drehstrommotoren ist allerdings eine Überarbeitung der Norm notwendig geworden. Deshalb wird sie aktuell durch die beiden Normen IEC 60034-30-1 für direkt am Netz betriebene Motoren und die IEC 60034-30-2 für am Frequenzumrichter betriebene Motoren ersetzt. Die Veröffentlichung der IEC 60034-30-2 ist für 2016 vorgesehen.

Bis zur endgültigen Neufassung der Norm können die in der IEC/EN 60034-30 genannten Effizienzklassen für Motoren weiterhin als verfügbare norma­tive Referenz angesehen werden. Sie reichen von IE1 bis zur höchsten Effi­zienzklasse IE4. Inzwischen sind hocheffiziente Motoren verfügbar, die die Anforderungen dieser höchsten Effizienzklasse erreichen oder gar deutlich übertreffen. Einzelne Anbieter der Antriebstechnik-Branche sprechen in diesem Zusammenhang irreführenderweise von IE5-Motoren, obwohl diese Klasse in den entsprechenden Normen und Richtlinien noch gar nicht definiert ist.

Die Effizienzklassen

Um die objektive Betrachtung eines Systems unter dem Aspekt der Energie-Einsparung zu ermöglichen, müssen sich die Zulieferer beziehungsweise Hersteller der einzelnen Komponenten auf die Bereitstellung bestimmter Daten verständigen. Im Rahmen der EN 50598 werden entsprechende Standards und Effizienzklassen definiert. Bezugspunkt der Effizienzklasse ist dabei immer ein theoretisch definiertes Referenzgerät, das dem derzeitigen durchschnittlichen am Markt verfügbaren Stand der Technik entspricht. Aus dem Quotienten von ‚tatsächlichen Verlusten eines Gerätes‘ und den ‚Verlusten des Referenzgerätes‘ ergibt sich dann die Effizienzklasse. EN 50598 und IEC 60034-30 (neu 60034-30-1 und ab voraussichtlich 2016 auch 60034-30-2) beschreiben die mathematischen und messtechnischen Methoden zur Festlegung der Effizienzklasse für ihre jeweiligen Gültigkeits­bereiche.

Eine beispielhafte Einbausituation: Drei Frequenzumrichter steuern die IE4-Motoren in Ventilatoren. Die EN 50598 legt dabei die Berechnung der Systemeffizienz als Formel fest.

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Für Frequenzumrichter (CDM) kennt die EN 50598 drei Effizienzklassen von IE0 (geringe Effizienz) bis IE2 (hohe Effizienz). Anders als die meisten vergleichbaren Normen orientiert sie sich dabei nicht am Wirkungsgrad, sondern an den relativen Verlustleistungen.

„In dieser Norm werden die auf die Nennleistung des Antriebssystems (P in %) bezogenen Verlustleistungen anstelle des Wirkungsgrades betrachtet. Diese Vorgehensweise ist notwendig, um die Allgemeinheit des erweiterten Produkt­ansatzes zu sichern“, heißt es in der EN 50598-2 im Kapitel 4.2. Das bedeutet konkret: Liegen die gemessenen Verluste bei bis zu 25 % über oder unter dem in Teil 2 der Norm genannten Referenzwert, ist die Effizienzklasse IE1. Sind sie höher als 25 %, ist die Effi­zienzklasse IE0. Für die höchste Effi­zienzklasse IE2 müssen die Verluste dagegen um mehr als 25 % unter dem definierten Referenzwert liegen.

Die EN 50598 verfolgt zudem den ­erweiterten Produktansatz. Das bedeutet jedoch, dass zur Errechnung der Gesamteffizienz einer Umrichter-Motor-Kombination unterschiedliche Effizienzklassen kombiniert werden müssten, und zwar die des Umrichters gemäß EN 50598 mit der des Motors gemäß IEC 60034-30. Die EN 50598 legt die Berechnung der Systemeffizienz deshalb als Formel fest. Die Summe der realen Verluste von Umrichter und Motor werden dabei durch die Verluste des definierten Referenzsystems geteilt. Das Ergebnis führt zur Effizienzklasse des Gesamtsystems, die mit IES bezeichnet wird: Liegt das Ergebnis zwischen 0,8 und 1,2 ist die mittlere Effizienzklasse IES1 erreicht. Dies entspricht ±20 % Verlust gegenüber dem definierten Referenzsystem (entsprechend 100 % respektive 1). Sind die Verluste größer als 120 % (Ergebnis über 1,2), gilt die schlechteste Effizienzklasse IES0. Bei Verlusten kleiner als 80 % (Ergebnis unter 0,8) greift die aktuell höchste Klasse IES2.

Die Angabe der Effizienzklasse bezieht sich immer auf den Nennbetriebspunkt. Da aber die Motoren und Frequenzumrichter meist im Teillastbereich betrieben werden, wo die Effizienz geringer ist, beschreibt die EN 50598 ­unter anderem einen mathematischen Ansatz, mit dem sich die Verluste in jedem beliebigen Arbeitspunkt berechnen lassen. Dazu definiert die EN 50598 ­sowohl für Motoren als auch für Frequenzumrichter (CDM) jeweils acht Arbeitspunkte, für die die Hersteller ­zukünftig die Verluste anzugeben haben. Für den Verbraucher wird damit die Effizienz des Motors und des Frequenzumrichters auch außerhalb des Nennbetriebspunktes transparent und vergleichbar.

Die aus der ErP-Richtlinie resultierende Verordnung (VO 640/2009) hat dazu geführt, dass seit 2011 nur noch Motoren der ‚Effizienzklasse IE2 oder besser‘ in Verkehr gebracht werden dürfen. Seit Juli 2014 ist für Motoren die neue Verordnung VO4/2014 gültig. ­Gemäß dieser Verordnung müssen seit Anfang 2015 Motoren mit einer Nennleistung von 7,5 kW bis 375 kW sogar der strengeren Effizienzklasse IE3 ge­nügen, oder mindestens die Klasse IE2 erfüllen und mit einem Frequenzumrichter angesteuert werden.

Vieles spricht für PM-Motoren

Wie effizient die Motoren im Teillastbereich sind, hängt maßgeblich von der Konstruktion und der Topologie des Motors ab. Hier gibt es – auch in der Effizienzklasse IE4 – unterschiedlichste Motortypen wie beispielsweise Permanentmagnet- oder Reluktanzmotoren. Alle Topologien haben unterschiedliche Eigenschaften und lassen sich entsprechend in unterschiedlichen Anwendungen sinnvoll einsetzen.

Beispiel für einen IE4-Motor und einen darauf abgestimmten Um­richter; beide sind heute auch als bauliche Einheit verfügbar.

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Starke Argumente sprechen in diesem Zusammenhang jedoch für Permanentmagnet-Motoren (PM-Motoren). Der zum Beispiel gegenüber dem Synchronreluktanzmotor geringere Motorstrom führt in Folge zu einem geringeren Strom im Frequenzumrichter und somit zu geringeren Verlusten im Gesamtsystem von Motor, Kabel, Filter und Umrichter. Des Weiteren zeichnet sich der PM-Motor gerade im Teillastbereich durch vergleichsweise geringe Verluste aus. Da Antriebe vielfach im Teillastbereich betrieben werden, ergibt sich hier ein weiterer Effizienzvorteil, der die ­gegenüber einer herkömmlichen Asynchronmaschine etwas höheren Anschaffungskosten in den meisten Fällen bereits innerhalb von ein bis zwei Jahren amortisiert. Darüber hinaus ermöglicht die PM-Topologie aufgrund der hohen Energiedichte eine vergleichsweise kompakte und leichte Bauweise. Dies ermöglicht wiederum einen kompakteren Maschinen- beziehungsweise Anlagenbau mit entsprechenden Vorteilen wie zum Beispiel leichtere Montage und geringere Transportkosten.

Eine beispielhafte Berechnung zeigt den konkreten Nutzen von IE4-Motoren: Ein angenommener Motor läuft im Rund-um-die-Uhr-Betrieb (24/7). Ersetzt man hier einen Frequenzumrichter-geregelten 30-kW-IE2-Motor mit einem Wirkungsgrad von circa 90,7 % durch einen vergleichbaren, ebenfalls Frequenzumrichter-geregelten Motor der höheren Effizienzklasse IE4 mit einem Wirkungsgrad von circa 93,6 %, ergibt sich allein dadurch eine Energie-Einsparung von 7621 kWh pro Jahr. Mit der Umrüstung auf einen IE4-Motor und der damit verbundenen Verbesserung des Wirkungsgrades um 2,9 % spart der Verbraucher bei einem angenommen Preis von 12 Euro-Cent pro kWh also rund 900 Euro pro Jahr.

Autor: Gunther Krei ist Senior Manager in der Drives Motion Division bei Yaskawa Europe.