Elektromotor oder Antriebssystem? Quo vadis...

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ERLEBE ERFAHRUNGERFAHRE VISIONENQuo vadis Energieeffizienz

HANNOVER MESSE 2014 - FORUM EFFICIENCY ARENA

Elektromotor oder Antriebssystem?Quo vadis Energieeffizienz

Dipl.-Ing. J. SanderVEM motors GmbH, Wernigerode



VEM Holding GmbH

VEM motors Austria GmbH

VEM motors UK Ltd.

VEM motors Finland Oy

VEM motors Asia Pte. Ltd.

VEM Slovakia s.r.o.

VEM Tschechien s.r.o.

VEM motors Thurm

Niederspannungs-maschinen

VEM motors

geregelte elektrischeAntriebssysteme

VEM transresch

Gusserzeugnisse

Keulahütte

Hochspannungs-maschinen

VEM Sachsenwerk



� Normen- und Gesetzeslage

� Die Einführung von IE2-und IE3- und IE4-Motoren bei VEM

� Was plant die VEM Gruppe?

� Standardisierungsaktivitäten; Zeitplanung

� Werden andere Antriebstechnologien zukünftig erfasst?

� Neue EU-Aktivitäten, wohin geht der Weg zukünftig?



Grundlage Richtlinie 2009/125/EG „zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte “

Was beinhaltet diese Richtlinie im Einzelnen?

Die Ausdehnung des Geltungsbereiches auf energie-verbrauchsrelevante Produkte (Energy-related Products) ist beschlossene Sache. Mit dem Inkrafttreten der Richtlinie 2009/125/EG zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte zum 20. November 2009 kommen nun weitere Betrachtungen zur umweltgerechten Produktgestaltung zur Anwendung. Sie löste mit diesem Datum die Richtlinie 2005/32/E G für die umweltgerechte Gestaltung energiebetriebener Produk te ab.

Durchführungsverordnungen Motoren VO (EG) 640/2009VO (EG) 4/2014



VO (EG) 640/2009+4/2014

Verordnung (EG) Nr. 640/2009 vom 22.Juli 2009 zur Durchführung der Richtlinie 2005/32/EG

IE2 seit 16. 06. 2011

� Stufe 1:Mindestwirkungsgrad (MEPS) IE2 seit 16. 06. 2011Verschärfung der Umgebungsbedingungen mit VO(EG) 4/2014 ab 27.07.2014

IE3 7,5…375 kW ab 01.01.2015

� Stufe 2:Verschärfung auf IE3 [Premiummotoren] erfolgt zum 01.01.2015 für Motoren im Leistungsbereich 7,5 kW bis 375 kW Optionale Möglichkeit: IE2 + Umrichter

IE3 0,75…375 kW ab 01.01.2017

� Stufe 3:zum 01.01.2017 Erweiterung des Leistungsbereiches für IE3-Motore nach unten bis 0,75 kWOptionale Möglichkeit: IE2 + Umrichter.

Termine zur Einführung von Mindestwirkungsgraden bis 2017



Neue Motorenverordnung (EG) Nr. 4/2014 (Verschärfung der Inhalte der Verordnung (EG) 640/2 009)

Die VO (EG) Nr. 640/2009 hat mit der neuen VO (EG) Nr. 4/2014 die erwarteten inhaltlichen Änderungen erfahren.Die Änderungen sind ab dem 27. Juli 2014 verbindli ch anzuwenden.

Nach der neuen Verordnung verschärfen sich Ausnahmen für ihre Anwendung für die Aufstellungshöhe von mehr als 1.000 m auf 4.000 m, bei Umgebungstemperatur von über +40°C auf +60°C und von unter -15°C auf -30°C für beliebige Motoren (unter 0°C bei wassergekühlten Motoren verändert sich nicht). Bei Kühlflüssigkeiten am Einlass eines Produktes von unter 5°C auf unter 0°C und von über 25°C auf über 32°C.



Neue Motorenverordnung (EG) Nr. 4/2014 (Verschärfung der Inhalte der Verordnung (EG) 640/2 009)

Formell handelt es sich um eine neue Verordnung (EG) Nr. 4/2014, die die bisherige Verordnung (EG) Nr. 640/2009 zur Durchführung der Richtlinie 2005/32/EG des Europäischen Parlaments und des Rates im Hinblick auf die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren ändert.

Die VO (EG) 4/2014 wurde am 06. Januar im Europäischen Amtsblatt veröffentlicht und tritt am zwanzigsten Tag nach ihrer Veröffentlichung in Kraft. Der Geltungsbeginn liegt gemäß §2 der Verordnung sechs Monate nach dem Tag des Inkrafttretens, also am 27.Juli 2014.



Stufe 2 der VO 640/2009Verschärfung auf IE3 [Premiummotoren] erfolgt am 0 1.01.2015

� für Motoren im Leistungsbereich 7,5 kW bis 375 kW

� Optionale Möglichkeit: IE2 + Umrichter

Stufe 3 der VO 640/2009Erweiterung des Leistungsbereiches für IE3-Motore zu m 01.01.2017

� nach unten bis 0,75 kW

� Optionale Möglichkeit: IE2 + Umrichter.



Optionale Möglichkeit: IE2 + UmrichterKennzeichnung der Maschinen(in Diskussion befindliche Vorschläge)



Zulässige optionale Ausführung IE2+Frequenzumrichter statt IE3 ab 2015

Für die nach VO (EG) 640/2009 zulässige optionale Ausführung IE2+Frequenzumrichter statt IE3 ab 01.01.2015

Neben den vom CEMEP und ZVEI diskutierten Aufklebern wird VEMimmer eine Kennzeichnung auf dem Motortypenschild mit Angabe des Drehzahlstellbereich, der Drehmomentcharakteristik und der Maximaldrehzahl vornehmen.Weitere Hinweise werden in die Betriebsanleitung aufgenommen.

Typenschildbeispiel



Zulässige optionale Ausführung IE2+Frequenzumrichter statt IE3 ab 01.01.2015

Der Vertrieb der Komponenten Motor und Umrichtermuss nicht als Einheit erfolgen.

Die Komponenten dürfen einzeln vertrieben werden!



Einführung von IE2- und IE3-Motoren bei VEM motors G mbH,wie stellt sich die Situation aktuell und zukünftig dar?

2010 2011 2012 2013 2015 2017

Ist Ist Ist Ist Plan Plan

Ohne, Spezialmotoren 39,67 39,82 48,78 48,27 45 40

EFF2 21,14 6,66 0,00 0 0 0

IE1 32,59 26,25 13,02 8,27 0 0

EFF1 1,37 0,38 0,00 0 0 0

IE2, IE2+FU 5,23 26,64 36,50 37,95 15 15

IE3 0,01 0,25 1,69 5,51 38 40

IE4 0 0 0 0 2 5

0

25

50

75

100

2010 2011 2012 2013 2015 2017

IE4

IE3

IE2, IE2+FU

EFF1

IE1

EFF2

Ohne, Spezialmotoren



IE4-MotorenMögliche Varianten

Variante 1: Reluktanzmotoren(Favorisiert von Pumpenherstellern,ist im Spezialmotorenprogramm VEM enthalten, wird von uns nicht als echte Alternative gesehen)

Variante 2: Permanenterregte SynchronmotorenVEM-Baureihe verfügbar, aber eingeschränkte einsatzfelder

Variante 3: AsynchronmotorenWird von VEM als Zukunftsvariante betrachtet. Universell im Einsatz, aber technisch anspruchsvoll.



IE4-Ausführungauf Basis permanenterregter Synchronmotoren

Um am Markt kurzfristig mit IE4 präsent zu sein, wurde zur SPS 2013 eine Produktkurzinformation für die Baureihe IE4-PE.R erarbeitet.



Wie geht es mittelfristig weiter?

1. Motoren für Netzbetrieb:Die neue Wirkungsgradnorm IEC 60034-30-1:2014 ist veröffentlicht

2. Motoren für Umrichterbetrieb:IE-Grenzwerte nachIEC-Schriftstück, Projekt-Nr.: 60034-30-2 TS Ed.1.0IEC 2/1741/CD – IEC 60034-30-2 TS Ed.1: Rotating electrical machines –Part 30-2: Efficiency classes of variable speed AC motors (IE-code)Messmethode nachIEC/CENELEC – Parallel Voting, Projekt-Nr.: 60034-2-3 Ed.1.02/1626/CDV:2011-04 - IEC 60034-2-3 Ed.1: Rotating electrical machines –Part 2-3: Specific test methods for determining losses and efficiency of converter-fed AC motors



3. Energieeffizienz von AntriebssystemenCENELEC-Schriftstück, Projekt-Nr.: 24602, prEN 50598 -1:2013-09

Zum Ökodesign für Antriebssysteme, Motorstarter, Leistungselektronik und deren angetriebenen Einrichtungen gibt es einen neuen dreiteiligen Normenentwurf.

Teil 1: Allgemeine Anforderungen für die Erstellung von Normen zur Energieeffizienz von Ausrüstungen mit Elektroantrieb nach dem erweiterten Produktansatz (EPA) und semi-analytischen Modellen (SAM)

Teil 2: Indikatoren für die Energieeffizienz von Antriebssystemen und Motorstartern

Teil 3: Quantitativer Ökodesign-Ansatz mittels Ökobilanzierung einschließlich Produktkategorieregeln und dem Inhalt von Umweltdeklarationen



1. Motoren für Netzbetrieb:Die neue Wirkungsgradnorm IEC 60034-30-1Status: veröffentlicht 2014-03



Der Anwendungsbereich wird wesentlich erweitert:

�Bemessungsleistungen bisher 0,75 kW und 375 kW,neu 0,12 kW bis 1.000 kW

� Polzahlen 2, 4 oder 6, neu 8-polig� Bemessen für Dauerbetrieb (S1) oder nahezu Dauerbetrieb (S3 mit

Einschaltdauern von 80% oder mehr (siehe auch Anmerkung 1),

� geeignet für die in IEC 60034-1 definierten Umgebungsbedingungen von -15°C bis +40°C, Aufstellungshöhe bis 1.000 mneu -20°C bis +60 °C, Aufstellungshöhe bis 4.000 m

� Kühlarten IC 411, IC 410, IC 416, IC 31W unverändert

ANMERKUNG 1Die meisten Motoren, die unter diese Norm fallen, sind für Dauerbetrieb (S1) ausgelegt. Es gibt jedoch Motoren, die zwar für andere Betriebsarten ausgelegt sind, aber dennoch bei Bemessungsausgangsleistung im Dauerbetrieb betrieben werden können. Diese fallen ebenfalls unter diese Norm.

Die neue Wirkungsgradnorm IEC 60034-30-1veröffentlicht 03/2014



Motortechnologie Netzanlauf IE1 IE2 IE3 IE4 IE5

Trend ?Drehstrom-Käfigläufer-Induktionsmotor

Ja OK OK OK Schwierig Nein

Induktionsmotor mit gewickeltem Läufer

Ja OK OK OK Schwierig Nein

Einphasen-Induktionsmotor (ein Kondensator)

Ja OK Schwierig Nein Nein Nein

Einphasen-Induktionsmotor (zwei schaltbare Kondensatoren)

Ja OK OK Schwierig Nein Nein

Permanentmagnet-erregter Synchronmotor

Nein OK OK OK OK Schwierig

Synchronmotor mit gewickeltem Läufer

Einige OK OK OK OK Schwierig

Permanentmagnetmotor für Netzanlauf ? Ja OK OK OK OK Schwierig

Sinusfeld-Reluktanzmotor Einige OK OK OK Schwierig Nein

Motortechnologie und die dazugehörigen Möglichkeiten beim Wirkungsgrad

Einschätzung nach Tabelle 3, IEC 60034-30, 2. Ed. 2012 ? (z.Zt. IEC 2/1729/FDIS)



IE5 ????

Das Ziel ist es, die Verluste bei IE5 um ungefähr 2 0% gegenüber IE4 zu verringern. Die Motorentechnologie, um IE5 umzusetzen, ist derzeit noch nicht sehr weit fortgeschritten und nicht im Handel erhältlich.

Weitere Wirkungsgradoptimierungen müssen sich auf die Verbesserung des Wirkungsgrads eines ganzen Systems im gesamten Betriebsablauf richten, einschließlich aller Einzelverluste des Systems (Umrichter, Filter, Kabel, Motor, usw.) – siehe auch EN 52800.

Es ist geplant , die Grenzwerte für die Wirkungsgradklasse IE5 in die nächste Ausgabe dieser Norm und/oder in Teil 2 dieser Normenreihe einzubringen.



Teil 1: Allgemeine Anforderungen für die Erstellung von Normen zur Energieeffizienz von Ausrüstungen mit Elektroantrieb nach dem erweiterten Produktansatz (EPA) und semi-analytischen Modellen (SAM)

Teil 2: Indikatoren für die Energieeffizienz von Antriebssystemen und Motorstartern

Teil 3: Quantitativer Ökodesign-Ansatz mittels Ökobilanzierung einschließlich Produktkategorieregeln und dem Inhalt von Umweltdeklarationen

3. Energieeffizienz von AntriebssystemenCENELEC-Schriftstück, Projekt-Nr.: 24602, prEN 50598 -1:2013-09



Energieeffizienz von AntriebssystemenCENELEC-Schriftstück, Projekt-Nr.: 24602, prEN 50598 -1:2013-09



Energieeffizienz von AntriebssystemenCENELEC-Schriftstück, Projekt-Nr.: 24602, prEN 50598 -1:2013-09

IES - Klasse → „International Efficiency of Systems”



Beispiel für IES-Klassen von ausgewählten VEMoDRIVE Compact und VEMoDRIVE Single (Motor+Frequenzumrichter)

TypMotor-leistung

Verlustleistung VEMoDRIVE

(PDS)

Verluste des Referenz-PDS

(Effizienz-klasse IES1)

relative Verluste zum

Referenz-PDS

Effizienzklasse(IES2 <80% der Verluste des RPDS)

ME1R 90 L4T 1,5 kW 395 W 585 W 67,5 % IES2ME1R 100 LX4T 3,0 kW 612 W 948 W 64,6 % IES2ME1R 132 S4T 5,5 kW 801 W 1.464 W 54,7 % IES2

IE2-WE1R 90 L4 1,5 kW 399 W 585 W 68,2 % IES2IE2-WE1R 100 LX4 3,0 kW 635 W 948 W 67,0 % IES2IE2-WE1R 132 S4 5,5 kW 924 W 1.464 W 63,1 % IES2

IE2-WE1R 180 L4 22 kW 2.675 W 3.988 W 67,0 % IES2IE2-WE2R 250 M4 55 kW 5.974 W 8.133 W 73,5 % IES2IE2-W21R 315 M4 132 kW 11.002 W 16.929 W 65,0 % IES2



2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019

Normungsmandate M/470 (Motoren) und M/476 (drehzahlv. Antriebssysteme

Neue Verordnungen für Motoren, Antriebe und Pumpen

Lose 28...30, 31

VO(EG) 640/2009 (Motorenverordnung)

IE2 IE3 oder IE2+FUR

7,5 KW .. 0,75 KW ..

VO(EG) 4/2014 (Verschärfung der Ausnahmeregularien)

IE2



Eco-design of Electric motorsPreparatory study for implementing measures of the Ecodesign Directive – Lot 30

Anwendungsbereich

Produkte in Antriebssystemen außerhalb des Anwendungsbereichs derVerordnung 640/2009 über Elektromotoren, wie Sondermotoren fürUmrichterbetrieb (asynchrone Servomotoren), Dauermagnetmotoren, durchihre Last gekühlte Motoren (Lüfter), einschließlich Motoren und Produktegemäß Artikel 1 Ziffer 2 Buchstaben b, c und d sowie einschließlich Antriebenwie Sanftstarter, Drehmoment- oder Regelantriebe (VSD) von 200W-1.000kW.

Contractor Prof. Anibal De Almeida, Universität of Coimbra Portugal,Laufzeit betrug 2 Jahre, Abschluss 2014

http://www.eco-motors-drives.eu/Eco/Home.html



Im letzten Stakeholder Meeting am 10.02.2014 wurden erste mögliche Szenarien für eine Nachfolge-Verordnung zur heutigen Motoren-Verordnung 640/2009 vorgestellt.Diese Szenarien sind zwar noch vorläufig und ohne Übergangsfristen, geben aber einen ersten Eindruck in welche Richtung es gehen könnte:

� Alle Drehstrommotoren Motoren im Leistungsbereich 0,75 -375kW sollen mindestens IE3 sein

� Die bisherigen Ausnahmen für Bremsmotoren und Ex-Motoren entfallen� Motoren im Leistungsbereich 120 - 750 W, (1- und 3-phasig) mindestens IE2 � Für Variable Speed Drives gibt es keine Regelung, weder für das Produkt (IE-

Klassen) noch für eine mögliche Anwendungen� Ob es eine Reglung für Hochspannungsmotoren geben soll ist noch offen.� Eventuell werden auch Tauchpumpenmotoren geregelt?

Europäische Vorbereitungsstudie LOT 30



Die Vorschläge wurden nun noch konkretisiert und am 21.3.2014 im Task 8 veröffentlicht.

Danach haben die Stakeholder bis zum 07.04.2014 Zeit diese zu kommentieren.

Im nächsten Schritt wird dann im April der Abschlussbericht der Studie veröffentlicht.

Dann beginnt der zeitintensive politische Prozess auf dem Weg zu einer neuen Verordnung.

Europäische Vorbereitungsstudie LOT 30



IE3 375…1000 kW ab 01.01.2018

� Stufe 4: Erweiterung des Leistungsbereiches für IE3-Motore von 375 kW auf 1.000 kW, IE2 für alle Einpasenmotoren > 120 W,IE2 für alle Drehstrommotoren von 120 W bis 0,75 kW

IE3 0,75…375 kW ab 01.01.2018

Umrichter mind. IE1

� Stufe 5: Erweiterung der eingeschlossenen Motoren in IE3-Ausführung um Bremsmotoren und Ex-Motoren, Verbot von Umrichtern mit niedrigem Wirkungsgrad, Umrichter IE1 gem. prEN 50598

IE3 0,75…375 kW ab 01.01.2022

� Stufe 6: Entfernen der optionale Möglichkeit IE2-Motor + Umrichter.

IE4 0,75…1.000 kW ab 01.01.2022

� Stufe 7: Erhöhung des Mindestwirkungsgrades von IE3 auf IE4 für mittelgroße Maschinen

EUP Lot 30, Vorschläge Prof. Anibal De Almeida für den weiteren Zeitverlauf



EUP Lot 30Kommentierung der Vorschläge Prof. Anibal De Almeid aStufe 4: � Erweiterung des Leistungsbereiches für IE3-Motore von 375 kW auf 1.000 kW, � IE2 für alle Einpasenmotoren > 120 W,� IE2 für alle Drehstrommotoren von 120 W bis 0,75 kW

Die Erweiterung des Umfangs von IE3-Motoren von 375 W bis hin zu 1000kW und IE2-Motoren von 120 W bis 0,75 W ist eine logische Folge aus der Erweiterung des Anwendungsbereichs der IEC 60034-30-1.

Die Policy Option 1 schließt jedoch auch Einphasenmotoren mit ein. Diese Motoren werden hauptsächlich in Haushaltsgeräten (sogenannte „weiße Ware“) eingesetzt. Für diese Produkte gibt es andere Richtlinien und Gesetze. Sie sollten hier nicht mit eingeschlossen werden.



EUP Lot 30Kommentierung der Vorschläge Prof. Anibal De Almeid a

Stufe 5: � Erweiterung der eingeschlossenen Motoren in IE3-Ausführung um

Bremsmotoren und Ex-Motoren, � Verbot von Umrichtern mit niedrigem Wirkungsgrad,

Umrichter müssen IE1 gem. prEN 50598 erfüllen

Eine Erweiterung der eingeschlossenen Motoren auf Bremsmotoren ist kein technisches Problem. Bremsmotoren stehen bereits heute in IE2- und IE3-Ausführung zur Verfügung. Die wenigsten Bremsmotoren werden aber im S1-Betrieb eingesetzt.

Ein Verbot von Umrichtern mit niedrigem Wirkungsgrad ist zwar sinnvoll aber bereits von der technischen Entwicklung überholt.



Stufe 6: � Entfernen der optionale Möglichkeit

IE2-Motor + Umrichter.


Der Vorschlag (Policy Option 2), ab 1.1.2022 keine IE2-Motoren mehr mit Umrichter zuzulassen, untergräbt die Idee, dass man für weitere, nachhaltige Energieeinsparungseffekte das gesamte System betrachten muss. Das Einsparpotential bei dieser Kombination aus Umrichter und Motor liegt eben nicht darin, dass man eine Komponente (den Motor) immer weiter verbessert, sondern das komplette System optimiert. Dies geschieht, indem sowohl Motor, als auch Umrichter gemeinsam aufeinander abgestimmt werden. Einen IE2-Motor einfach nur gegen einen IE3-Motor auszutauschen, verbessert den Gesamtwirkungsgrad des Systems nicht.



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Erwartende Motorverteilung in Europa,Quelle ZVEI 09.2013

Stufe 6: � Entfernen der optionale Möglichkeit IE2-Motor + Umrichter.




Erwartetes Verhältnis von Motor/CDM in Europa*geregelter Niederspannungsantrieb: Motor und Umrichter werden zusammen durch den Endnutzer im betreffenden Jahr in Betrieb genommenQuelle: CEMEP Berechnung

Stufe 6: � Entfernen der optionale Möglichkeit IE2-Motor + Umrichter.




EUP Lot 30Kommentierung der Vorschläge Prof. Anibal De Almeid aStufe 7: � Erhöhung des Mindestwirkungsgrades von IE3 auf IE4 für mittelgroße Maschinen

Policy Option 6 ist aus unserer Sicht derzeit keine echte Option, denn die Normungsgrundlage für den Wirkungsgradlevel IE4 ist gerade erst abgeschlossen. Damit stehen jetzt erst die verbindlichen Werte für die Planung einer neuen Motorengeneration zur Verfügung. Hier muss auch berücksichtigt werden, dass eine neue IE4-Motorenreihe andere Technologien benötigt, als bisherige Motorenreihe. Das heißt, es ist ein erhöhter Bedarf an Kupfer (Kupferläufer) und möglicherweise auch an Permanentmagneten notwendig (je nach Motorgröße). IE4-Motoren werden sicher in einigen Bereichen eine Anwendung finden, aber es ist unserer Meinung nach auch aus wirtschaftlich-ökologischen Gesichtspunkten keine Lösung, eine solch materialintensive Motorenreihe als generellen Standard zu etablieren, zumal selbst Prof. de Almeida in seiner Diskussion zu den Punkten zugibt: „However, the sensitivityanalysis … should be reviewed in order to understand the cost effectiveness ofthis measure …“



Elektromotor oder Antriebssystem?Quo vadis Energieeffizienz

Unsere Antwort: Der Weg muss zum Antriebssystem gehen. In der Prozessoptimierung liegen die wesentlich höheren Einsparungspotentiale.

Eine Fortsetzung des Weges IE3…IE4…IE5 ist aus unserer Sicht eine Vergeudung wichtiger Ressourcen unseres Planeten.



Haben Sienoch Fragen ?

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