Maximierung der Energieeffizienz mit Elektromotoren

Elektromotoren sind die Kraftwerke der industriellen Welt und wandeln elektrische Energie effizient in mechanische Leistung um. In vielen kritischen Sektoren werden Elektromotoren eingesetzt, darunter Industrie, Gewerbe, Wohnen, Landwirtschaft und Verkehr.

Daher ist es nicht verwunderlich, dass elektromotorisch angetriebene Systeme derzeit 50 % der gesamten elektrischen Energie weltweit und 70 % der in der Industrie verbrauchten elektrischen Energie verbrauchen (6000 Billionen Watt pro Stunde).1

Verstärkte industrielle Aktivitäten in Entwicklungsländern wie Indien, China und vielen anderen werden den Einsatz von Motoren noch weiter vorantreiben. Bis 2040 wird sich das weltweite Wachstum elektromotorischer Systeme voraussichtlich verdoppeln.

Der gestiegene Marktanteil von Elektrofahrzeugen in Industrieländern und der hohe Bedarf an Wärme und Kühlung in der wachsenden Bevölkerung von Entwicklungsländern treiben dieses Wachstum voran.

Ein elektromotorisch angetriebenes System (EMDS) besteht typischerweise aus einem Elektromotor und einem Endbenutzergerät: Lüfter, Pumpe, Kompressor usw. Zunehmend werden auch Eingangsleistungs- und Drehzahl-/Drehmomentsteuergeräte, sogenannte Frequenzumrichter (Variable Speed ​​Drives, VSDs), verwendet werden zu wesentlichen Bestandteilen von EMDS.

Die Ausgangsleistung reicht von einem Bruchteil eines Kilowatts (kW) bis zu Tausenden von kW. In der Chemie-, Papier-, Lebensmittel-, Metall- und Textilindustrie werden Elektromotoren häufig zum Pumpen, Komprimieren, Drehen von Ventilatoren sowie zum Handhaben, Fördern und Verarbeiten von Materialien eingesetzt. Darüber hinaus verwenden verschiedene Geräte im gewerblichen und privaten Bereich Elektromotoren, von elektrischen Haushaltszahnbürsten bis hin zu großen Klimaanlagen in Gewerbegebäuden.

Im Wohnbereich verbrauchen die Elektromotoren von Kühlschränken, Waschmaschinen, Klimaanlagen und verschiedene Arten von Abluftventilatoren (einschließlich des kleinen Lüfters der Computerfestplatte) den größten Teil der elektrischen Energie im Haushalt. Auch Bewässerungspumpen, elektrifizierte landwirtschaftliche Fahrzeuge und Geräte nutzen Elektromotoren. Im Transportsektor nutzen elektrische Züge, Elektrofahrzeuge, Drohnen, neu entstehende Elektroschiffe/-boote und Flugzeuge Elektromotoren.

Bei den meisten Elektromotoren handelt es sich um Rotationsmotoren; Die umgewandelte mechanische Leistung steht als Drehmoment (Drehkraft) an der Motorwelle zur Verfügung, um die wertvollen Aufgaben des Pumpens, Drehens eines Lüfters oder Antreiben der Räder eines Autos zu erfüllen. Die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und dem elektrischen Strom erzeugt in einem Elektromotor ein Drehmoment.

Eine Gleichstrom- (Gleichstrom) oder Wechselstromversorgung (Wechselstrom) treibt einen Elektromotor an. Wenn ein Elektromotor mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, wird er zu einem Generator, und daher sind ein Motor und ein Generator auf der grundlegenden Konstruktionsebene gleich.

Elektromotoren können nach Konstruktion, Stromversorgung und Art der Abtriebsbewegung klassifiziert werden. Allerdings wird der Wirkungsgrad aller Motoren berechnet, indem man die mechanische Ausgangsleistung durch die elektrische Eingangsleistung dividiert und die Eingangsleistung abzüglich der Verluste die Ausgangsleistung ergibt.

Die Motorverluste werden in Kupferverluste (Wärmeverluste der stromführenden Wicklungen), Eisenverluste (Wärmeverluste des Eisenkerns), mechanische Verluste (Reibung in den beweglichen Teilen) und Streu- oder Überschussverluste (unberücksichtigte Verluste, die auftreten) eingeteilt ein belasteter Motor). Die überlegenen Materialien, Designoptimierung und anwendungsorientierte Designansätze können zu einer Effizienz von bis zu 99 % führen.

Energieeffizienz ist eine der kostengünstigsten Möglichkeiten, energiebedingte CO2-Emissionen zu reduzieren und den Anstieg der Energienachfrage durch Einsparungen aus Effizienzsteigerungen auszugleichen. In einem Bericht der IEA (Internationale Energieagentur) über Energieeffizienz aus dem Jahr 2022 wurde festgestellt, dass die kumulierten Energiesparmaßnahmen durch Effizienz den Energiebedarf vieler Industrieländer trotz starker wirtschaftlicher Aktivitäten in den letzten Jahrzehnten stabil gehalten haben.2

Da der Stromsektor ein Drittel des weltweiten energiebezogenen CO2 ausstößt, wird Energieeffizienz eine wichtige Rolle bei der Erreichung des Netto-Nullpunkts spielen.3

Die Vorteile von Mindestenergieleistungsstandards (MEPS) bei Elektromotoren wurden 2008 erkannt, was zur Genehmigung der Norm IEC 60034-30 (International Electrotechnical Committee) führte, um die Effizienzklassen von Elektromotoren weltweit zu harmonisieren.

Die Norm IEC 60034-30 klassifiziert Motoren nach vier International Efficiency (IE)-Gruppen: IE1-Standardeffizienz, IE2-Hocheffizienz, IE3-Premium-Effizienz und IE4-Super-Premium-Effizienz. Die IEC-Norm ersetzte die bisherigen EEF-Effizienzklassen.

Der Hauptunterschied zwischen ihnen besteht darin, dass die Streuverluste des Motors indirekt in der IE-Klassifizierung gemessen werden. Im Gegensatz dazu wird dieser Verlust beim EEF auf ungefähr 0,5 % der Ausgangsleistung geschätzt, was zu einer Unterschätzung führt. Zur Einhaltung der IEC muss der Wirkungsgrad anhand der im Standard IEEE 112 beschriebenen Testmethoden gemessen werden. Viele Länder haben MEPS für Elektromotoren basierend auf IEC-Effizienzklassen eingeführt.

Die neuartigen hocheffizienten Synchronmotoren mit Seltenerdmagneten und einige neuere Ausführungen ohne Magnet erreichen problemlos die Effizienzklasse IE4. Einige der neueren Designs übertreffen sogar IE4, was zur Einführung der Ultra-Premium-Effizienzklasse IE5 geführt hat.

Die IE5-Motoren sollen 20 % weniger Verluste haben als die IE4-Klasse. Die Europäische Union (EU) hat die Klassen IE3 und IE4 für bestimmte Motorkategorien bereits verbindlich vorgeschrieben. 4 Durch die Betonung der MEPS-Anforderungen wurde sichergestellt, dass die meisten weltweit verkauften Industriemotoren mindestens einer der IEC-Effizienzklassen entsprechen.

Da Elektromotoren typischerweise Teil eines großen Systems sind, verlagert sich der Schwerpunkt langsam auf die Verbesserung der Gesamtsystemeffizienz. Beispielsweise kann die Steuerung des Drehmoments und der Drehzahl des Motors gemäß den Systemanforderungen mithilfe eines VSD die Gesamtsystemeffizienz um bis zu 35 % verbessern.5

Allerdings ist die Aufnahme von VSD immer noch langsam. Bewusstsein, klimaorientierte Richtlinien, zusätzliche Anreize und Investitionen sind erforderlich, um das volle Ausmaß der potenziellen Vorteile von VSD und neueren Typen von Permanentmagnet-Synchron- und Reluktanzmotoren auszuschöpfen. Das Forschungsteam für elektrische Maschinen und Antriebssysteme der UNSW Sydney steht an vorderster Front und trägt zur Entwicklung neuartiger, hocheffizienter Motoren und Antriebe bei, die für viele Anwendungen geeignet sind.

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