Motorschutz im Zeitalter von IE3
Auswirkungen der ErP-Richtlinie auf die Schalt- und Schutzsysteme für Elektromotoren
Die aktuelle ErP-Richtlinie führt zu immer energieeffizienteren Elektromotoren – mit Folgen für deren Konstruktion und deren Schutzsysteme. Deshalb ist bei der Wahl entsprechender Schaltgeräte darauf zu achten, dass die Motorschutz-Lösungen den aktuellen Entwicklungen Rechnung tragen. Dann lässt sich auch in Zeiten von IE3-Motoren sicher schalten und schützen.
Die Verschärfungen der Motorenverordnung tragen dazu bei, dass der Druck auf Unternehmen in der Industrie wächst, auf energieeffizientere Antriebe umzustellen. Das ist durchaus nicht nur ein europäisches Phänomen. Weltweit unternehmen Regierungen und Verbände Anstrengungen, den Einsatz von effizienten Elektromotoren in der Industrie zu fördern. In den USA gelten bereits seit Jahren Mindesteffizienzstandards (IE2 seit 2004 und IE3 seit 2010). Motoren der Klasse IE2 haben dort bereits einen Marktanteil von weit über 50%, die noch effizienteren IE3-Motoren liegen schon bei über 20%. Der Anteil in Deutschland und Europa liegt mit rund 10% bei den IE3-Motoren noch weit zurück und birgt deshalb ein entsprechend großes Potenzial. In China wurde der IE2-Standard im Jahr 2011 verpflichtend und die dortige Regierung arbeitet an der Einführung von IE3. Gerade für den exportstarken deutschen Maschinen- und Anlagenbau bedeutet das, dass er sich dem Thema Energieeffizienz in der Antriebstechnik stellen muss, will er heute und in Zukunft weltweit erfolgreich sein.
Auswirkungen von IE3 auf die Motor-Konstruktion
Durch die ErP-Richtlinie bzw. die Motorenverordnung sind die Hersteller von Elektromotoren gezwungen, einige konstruktive Veränderungen an ihren Produkten vorzunehmen. Diese beeinflussen auch die elektrischen Eigenschaften des Motors. So reduzieren dickere Wicklungsdrähte im Stator sowie dickere Rotorstäbe und Kurzschlussringe den ohmschen Widerstand. Eine verbesserte Blechschnittgeometrie senkt die magnetischen Streuverluste. Hochwertigeres Blechmaterial verringert Hysterese-Verluste. All das führt dazu, dass hocheffiziente Motoren induktiver sind. Das liegt daran, dass die ohmschen Verluste Pv = I²R geringer ausfallen. Infolgedessen steigen die Einschaltströme. Das heißt, dass sich die Anforderungen an die Schaltgerätetechnik wie Schütze und Motorschutzschalter ändern. Die erhöhten Anlaufströme können dazu führen, dass das Schutzelement unter Umständen auslöst, obwohl kein Fehler oder Kurzschluss vorliegt. Weiterhin kann es beim Schütz zu Kontaktabhebungen kommen, die das Gerät zusätzlich thermisch belasten und im Extremfall zum Verschweißen der Kontakte führen. Das Verschmelzen der Kontakte kann kostspielige Maschinen-Stillstände und aufwändige Service-Arbeiten verursachen. Außerdem wird die Lebensdauer der Schütze negativ beeinflusst. Aufgrund der geschilderten Veränderungen in der Konstruktion hocheffizienter Motoren und den möglichen Risiken für den Anwender sind Hersteller von Schutzorganen gefordert, ihre Geräte auf die geänderten Bedingungen hin zu überprüfen und gegebenenfalls entsprechend anzupassen. Denn seit Januar erwarten Anwender sichere, zuverlässige Lösungen, die den Anforderungen von Motorschutzorganen im Zeitalter der Energieeffizienzklasse IE3 entsprechen.
Studie zum Verhalten von Schaltgeräten beim Direktanlauf
Als Anbieter im Bereich Schalten, Schützen und Antreiben von Motoren hat das Unternehmen Eaton eine Studie durchgeführt, um das Verhalten von Motorschutzorganen detailliert in Praxistests zu untersuchen. Um zu prüfen, wie sich die konstruktiven Veränderungen an IE3-Motoren auf Schutzorgane auswirken, wurden Tests mit IE3-Motoren verschiedener namhafter Hersteller durchgeführt. Beispielhaft werden die Ergebnisse drei unterschiedlicher hocheffizienter Fabrikate vorgestellt. Diverse Anlauffaktoren (siehe Tabelle 1) wurden für die getesteten IE3-Elektromotoren im Rahmen der Studie ermittelt. Ein Vergleich der Studienergebnisse mit den Katalogdaten der getesteten Fabrikate ergab, dass die Werte für den Anlaufstrom im Praxistest höher sind als von den Herstellern angegeben. Außerdem zeigten die Tests, dass die Anlaufströme der IE3-Motoren deutlich höher ausfallen als die von IE2-Motoren – im Vergleich zu IE1-Motoren sogar um das 1,25fache. Die steigenden Anlaufströme bei IE3-Motoren führen auch dazu, dass in den entsprechenden Gremien bereits eine Änderung der entscheidenden Norm IEC/EN60947 diskutiert wird. Diese sieht eine Anhebung der geforderten Mindestanlauffaktoren für Schutzorgane vor. Die IEC/EN60947 beschreibt die konstruktiven Merkmale, Funktionseigenschaften und Prüfungen von Niederspannungsschaltgeräte und findet sich in der deutschen Vorschrift VDE0660 wieder.
