Energieverluste bei Elektromotoren erkennen

Welche Faktoren sind für eine exakte Wirkungsgradbestimmung von Elektromotoren im Hinblick auf notwendige Energieeinsparungen relevant? Felix Kamp, Sales Engineer bei Vogelsang & Benning (V&B), hat hierzu auf der diesjährigen Convention des European & World Chapters der EASA referiert.

Der weltweite Markt für Elektromotoren wächst. Lag der Umsatz 2020 noch bei 115 Milliarden US-Dollar werden für 2028 etwa 185 Milliarden erwartet – eine jährliche Steigerung von ca. 5%. Die Energieeffizienz der Motoren spielt dabei eine immer wichtigere Rolle. Nach Ökodesign-Vorgaben der Europäischen Union müssen beispielsweise Dreiphasenmotoren mit einer Nennausgangsleistung zwischen 0,75 kW und höchstens 1.000 kW seit Juli 2021 das Effizienzniveau IE3 aufweisen. Ab Juli 2023 ist für Motoren mit einer Leistung zwischen 75 kW und 200 kW das Effizienzniveau IE4 verpflichtend.

Wie lässt sich der Wirkungsgrad von Elektromotoren bestimmen?

Bei der direkten Methode werden beim Input Strom und Spannung und beim Output Drehzahl und Drehmoment gemessen. Relevanter im Sinne der Energieeffizienz ist allerdings die indirekte Bestimmung des Wirkungsgrades, die auf der Berechnung der Leistung beim Output unter Berücksichtigung von spezifischen Energieverlusten basiert. Denn auf diese Weise lassen sich die Einflussfaktoren zur Steigerung der Energieeffizienz des Motors viel detaillierter ermitteln.

Energieverluste finden dabei auf folgenden Ebenen statt:

• Reibungs- und Lüftungsverluste (P_Fw)
• Eisenverluste (P_Fe)
• Statorwicklungsverlusteverluste (P_S)
• Rotorwicklungskupferverluste (P_R)
• ZusatzVerluste (P_LLN)

^{Wirkungsgradbestimmung an (explosionsgeschützten) elektrischen Maschinen – eine Übersicht ; 21.10.2010 von C. Lehmann}

Die Berechnung der Ausgangsleistung (P2) auf Basis Eingangsleistung reduziert um die Energieverluste der (P1) erfolgt nach folgender Formel:

P2 = P1-P_FW-P_FE-P_R-P_S-P_LLN
η = P2/P1

Was sind die einzelnen Schritte der indirekten Wirkungsgradbestimmung bei Elektromotoren?

1. Widerstandsprüfung
2. Leerlauftest
3. Wirkungsgradermittlung

Beim Leerlauftest gilt das allgemeine Prinzip: Die Wechselstrommaschine verbraucht nur die Leistung, um die Verluste im Leerlauf zu decken.

Das Messverfahren beim Leerlauftest:

• Einschalten des Motors
• Betrieb bei Nennspannung & Nennfrequenz
• Stabilisierungsphase
• Messung:
  • 1 Punkt > Nennspannung
  •  5 Punkte < 60 % Nennspannung

Das Ergebnis der Messung dient der Bestimmung von:

• Statorwicklungsverluste
• Reibungs- und Lüftungsverluste
• Eisenverluste

Zur abschließenden Wirkungsgradbestimmung werden die Motorverluste bei Nennbetrieb mit den auf dem Typenschild angegebenen Nenndaten berechnet. Als Ergebnis erhalten wir den Wirkungsgrad sowie die Abweichung des Wirkungsgrades vom Nennwirkungsgrad.

Was sind zusammenfassend die Gründe für die detaillierte Wirkungsgradbestimmung von Elektromotoren?

• Die gesetzlichen Anforderungen und damit auch die Anforderungen der Kunden an energieeffiziente Motoren steigen.
• Der Bedarf an Motoren mit hoher Leistung nimmt zu.
• Das Einsparpotenzial durch geringeren Energieverbrauch liegt bei mehr als 50 Prozent.
• 90 Prozent der Lebenszyklus-Kosten fallen für Energiekosten an.

Herstellern und Händlern von Elektromotoren bietet V&B verschiedene Prüfsysteme zur Wirkungsgradbestimmung nach EN 60034-2-1 sowie Klassifizierung der Ergebnisse nach EN 60034-30 an. Zum Portfolio gehört neben der Entwicklung individueller stationärer Prüfsysteme auch das transportable Motoren-Prüfgerät MotorTop.

Ihr Ansprechpartner:

M. Sc. Felix Kamp
Sales Manager
felix.kamp@vogelsangbenning.de