Energiesparende Elektromotoren

Obering. H. Greiner

Über den Anteil der Elektromotoren am Gesamt-Energieverbrauch liegen unterschiedliche Angaben vor, wobei die Bezugsgrößen zu beachten sind:

• Nach einer Studie des ZVEI verbraucht die Industrie etwa 1/3 der Gesamtenergie in Deutschland, die Hälfte davon (also etwa 17% der Gesamtenergie) wird von Elektromotoren benötigt (Abb. 1).

• Nach einer Schätzung der Siemens AG werden in der Bundesrepublik etwa 50% der erzeugten elektrischen Energie von Elektromotoren umgesetzt.

• Die von Ontario Hydro (Kanada) für private Verbraucher erzeugte elektrische Energie geht zu 35% an Elektromotoren.

• Die von Ontario Hydro für industrielle Verbraucher erzeugte elektrische Energie geht zu 80% an Elektromotoren.

Elektromotoren stellen nach diesen Erhebungen ein beachtliches Potential für die Energieeinsparung dar, sofern es gelingt, ihren Wirkungsgrad nennenswert zu verbessern. 1981 waren in den westlichen Ländern der BRD etwa 20 Mio. Drehstrom-Asynchronmotoren mit einem Leistungsbereich von 1 bis 7,5 kW und ca. 2,3 Mio. mit Leistungen über 7,5 kW in Betrieb. Die folgenden Betrachtungen konzentrieren sich deshalb auf Drehstrom-Asynchronmotoren im genormten Bereich von Leistung und Baugröße.

Die Hersteller in Nordamerika haben in den 70er Jahren zunächst Elektromotoren mit verbessertem Wirkungsgrad nach eigener Definition und Bezeichnung (z. B. E-Plus, Premium, high efficient u.a .) angeboten. Dann wurde in NEMA MG1 festgelegt, nach welchen Kriterien das Prädikat „EE-Motor“ zu vergeben ist. Nach derzeitigem Stand gilt Tabelle 12-9 in der Fassung von 1993. Tabelle 12-10 enthält einen Normvorschlag für künftige Neukonstruktionen (SSFD = Suggested Standard for Future Design) mit etwas höheren Werten, die nach dem Energy Policy and Conservation Act ab 1997 verbindlich sind. In Kanada hat das Energieversorgungsunternehmen Ontario Hydro unter der Bezeichnung ENERMARK Regeln aufgestellt. Die genannten Definitionen sind in Abbildung 2 grafisch dargestellt.

Der nach genormtem Verfahren ermittelte Wirkungsgrad ist für die Leistungsschildangabe auf den nächsten Nominalwert nach NEMA MG1, Tabelle 12-8 abzurunden. In Katalogen und Verkaufsdokumenten darf der Meßwert genannt werden.

Der Wirkungsgrad von Elektromotoren ist in deutschen oder internationalen Normen nicht festgelegt. In Abbildung 3 ist das Streuband (N) für die Wirkungsgrade nach Katalogangaben von acht deutschen Herstellern aufgetragen. Die Streuung (in Prozentpunkten) um einen Mittelwert bei kleinen Bemessungsleistungen beträgt nur etwa ±3%, bei großen Leistungen sogar weniger als ±1%. Diese geringe Bandbreite zeigt, daß ein hoher technischer Stand erreicht wurde und daß keine großen Schritte in Richtung besserer Wirkungsgrad zu erwarten sind. Der Mittelwert von T-Frame-Motoren aus US-amerikanischer Fertigung (US-Standard) liegt an der unteren Grenze dieses Streubandes.

Aus dem Vergleich ergibt sich, daß zumindest im Leistungsbereich über etwa 15 kW in Europa kein Anlaß zu einer Sonderreihe mit erhöhtem Wirkungsgrad besteht.

Vergleicht man in Abbildung 4 das Streuband der Katalogangaben deutscher Normmotoren (N) mit den Festlegungen im EPACT und mit den Grenzwerten von deutschen Sondermotoren (S), so ergibt sich folgende Bewertung:

• Im Bereich bis etwa 15 kW Bemessungsleistung liegen die Wirkungsgrade deutscher Normmotoren mehr oder weniger deutlich unter den von EPACT verlangten Werten.

• Im Bereich ab etwa 15 kW Bemessungsleistung liegen die Wirkungsgrade guter deutscher Normmotoren dicht bei oder über den Werten, die von EPACT verlangt werden.

• Im Bereich unter etwa 7,5 kW liegen deutsche Sondermotoren unter den von EPACT verlangten Werten.

In Abbildung 5 sind in Abhängigkeit von der relativen Belastung P/PN die Wirkungsgrade von 4poligen Normmotoren mit den Bemessungsleistungen 1,5 kW, 15 kW und 132 kW gezeigt. Der flache Verlauf im Bereich zwischen 25 und 125% der Bemessungsleistung erklärt sich aus dem gegenläufigen Einfluß der zwei wichtigen Verlustanteile:

• lastunabhängig sind Verluste aus Reibung, Lüftung und Eisen,

• lastabhängig sind Wicklungs- und Zusatzverluste.

Im Bereich halber und voller Ausnützung ist der Wirkungsgrad praktisch gleich gut: Im Gegensatz zu einer weitverbreiteten Meinung läßt sich also allein mit dem Ersatz eines nur teilweise ausgenützten Motors durch ein voll ausgenütztes Modell der Wirkungsgrad nicht verbessern.

Aus Abbildung 5 ist auch der Einfluß der Bemessungsleistung = Baugröße auf den Wirkungsgrad ersichtlich. Einzelheiten sind in [5] und [10] dargestellt. Die theoretisch begründete Tendenz wird durch eine ganze Typenreihe explosionsgeschützter Motoren bestätigt, bei denen die Bemessungsleistung aus thermischen Gründen reduziert ist.

Elektromotoren mit hohem Wirkungsgrad sparen für den Anwender Stromkosten und leisten für die Allgemeinheit einen Beitrag zur Lösung von Energie- und Umweltproblemen. Nach Einführung der Normmotoren wurden die Baureihen vorwiegend auf rationelle Fertigung und kleinsten Materialaufwand ausgerichtet. Rechtzeitig vor dem Übergang zu einer noch höher ausgenützten „progressiven Reihe“ wurde dieser Trend in Richtung auf Motoren mit verbessertem Wirkungsgrad geändert.

Listenmäßige Normmotoren deutscher Hersteller weisen zumindest im Leistungsbereich über etwa 7,5 kW ein Niveau des Wirkungsgrades auf, für das in Nordamerika das Prädikat „energiesparend“ vergeben wird. Im Gegensatz zu Nordamerika haben spezielle Motorenreihen mit verbessertem Wirkungsgrad in Europa bisher kaum einen Markt gefunden. In Einzelfällen werden Sonderausführungen gebaut, die dann mit erhöhtem Aufwand an Material und Fertigungstechnik bessere Wirkungsgrade aufweisen. Diese Sachlage kann sich unter dem Einfluß der EU in den nächsten Jahren entscheidend ändern.

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