Bei Spannungseinpragung stellt sich ein Ne- Ne-benschlussverhalten ein, ausgehend von einer
3.2 Energieoptimale Auslegung von Elektromotoren
Heutzutage ist der Elektromotor gut berechen-bar. Einerseits kann man eine sehr gute Uber-einstimmung zwischen vorausberechneten und im Prueld am gebauten Motor gemessenen Eigen-schaften erzielen, andererseits kann man unter tau-senden von denkbaren Entwurfen mit Auslegun-gen eines bestimmten Leistungstyps, z.B. eines 7.5kW-Asynchronmotors den besten automatisch auswahlen. Ein solcher optimaler Entwurf - die Methode ist in der Technik allgemein bekannt als Computer Aided Design - hat die geforderten Lei-stungsdaten zu erfullen und genugt einem Optimie-rungskriterium oder minimiert eine Zielfunktion.
Vom Standpunkt eines international abgeschlosse-nen Wirtschaftssystems aus gesehen, kann diese Zielfunktion nur die Summe aller Aufwendungen sein, die bei der Produktion und beim Betrieb die-ses Elektromotors in dem erwahnten Wirtschafts-gebiet entstehen. Der Aufwand im Einzelnen ent-steht durch die Erzeugung der verwendeten Ma-terialien, durch die Arbeitsaufwendungen bei der Herstellung des Motors und durch den Energie-verbrauch beim Betrieb des Motors. Der Rahmen des Wirtschaftssystems wurde deshalb ausdrucklich erwahnt, weil die den Aufwendungen zugrundelie-genden Preise fur Material, Arbeitskraft und Ener-gie den Gegebenheiten und Erschliessungsmoglich-keiten dieses Systems angemessen sind.
Es ware also unwirtschaftlich und einseitig, wenn bedingungslos Elektromotoren mit hoherem Wir-kungsgrad gefordert wurden, ohne Rucksicht auf die hoheren Materialaufwendungen, welche durch
3.2 Energieoptimale Auslegung von Elektromotoren eine, fur den elektrischen Strom und fur den
ma-gnetischen Fluss bequemere, grossere Ausfuhrung des Motors entstehen. Schliesslich ist ja auch der Wert der Werkstoe zu wesentlichen Teilen durch die Energieaufwendungen fur ihre Herstellung be-dingt.
Bei der Optimierung des Motors wird die Zielfunk-tion minimiert:
Z =KF +KM +KBTE =) min!
Dabei bedeuten:
KF = Fertigungskosten KM = Materialkosten
KB = Jahrliche Betriebskosten, d.h.
Kosten fur Wirk- und Blindleistung TE = Eektive Nutzungsdauer
Die eektive Nutzungsdauer TE berucksichtigt die Tatsache, dass die wahrend einer kalendarisch vorgesehenen, sogenannten normativen Nutzungs-dauer TN entstehenden Kosten, nicht den zum gegenwartigen Zeitpunkt festzustellenden Kosten gegenubergestellt werden konnen. Denn die ge-genwartig festgestellten Kosten oder Werte konnte man in diesem kalendarischen Zeitraum mit dem Tempo des allgemeinen Kapitalwachstums oder der Akkumulationsrate q wachsen lassen:
TE = qTN ,1 qTN(q,1)
Bei einer normativen Nutzungszeit des MotorsTN von 20 Jahren und einer Akkumulationsrate von q=1:13 betragt die eektive NutzungsdauerTE 7 Jahre, d.h. es konnen nur die Betriebskosten der zukunftigen 7 Jahre den gegenwartig aufzubringen-den Investitionskosten fur aufzubringen-den Motor gegenuberge-stellt werden.
Das Wechselspiel zwischen Materialaufwand und Wirkungsgrad soll durch die Ergebnisse von Op-timierungsrechnungen illustriert werden. Unter der Voraussetzung, dass die Preise in diesem Zusam-menhang nicht von Interesse sind, die eektiven Nutzungsdauer TE = 5 Jahre und die Betriebs-zeit 1500 Stunden/Jahr betragt, ergaben sich die in der Tabelle 3.1 dargestellten Zusatzkosten fur eine Wirkungsgraderhohung.
Die Unterschiede in den notwendigen Material-einsatzerhohungen spiegeln naturlich den Entwick-lungsstand der jeweiligen Erzeugnisreihen und auch
Bild 3.1: Wirkungsgrade und Masse-Leistungs-verhaltnisse einer Leistungsreihe von Asynchronmotoren verschiedener Her-steller
die Sorgfalt einer energieokonomisch gunstigen Auslegung bei grossen Leistungen wieder.
Selbstverstandlich wird nicht fur jeden Einzelfall bei Leistungen unter 1000kW ein individueller, opti-maler Motor entworfen und gebaut. Der Motor wird aus einer Leistungsreihe entnommen, die in-ternational vergleichbare Wirkungsgrade und Ma-terialeinsatzwerte verkorpert. Bild 3.1 zeigt sol-che Werte fur die Leistungsreihe eines Motorher-stellers, die im internationalen Vergleichsband dem erforderlichen Kompromiss zwischen Energie- und Materialokonomie gut gerecht wird.
Fur Leistungen unter 100kW bieten die Elektromo-torhersteller in Anbetracht der energieokonomisch unterschiedlichen Einsatzfalle neben der
Norm-Standardreihe eine Energiesparmotoren-Reihe an, fur die ein Kompromiss zwischen Material- und Energie-aufwand gefunden wurde.
Motor- Wirkungsgrad- Zusatz-Leistung erhohung Kosten
kW von
132 0.93 auf 0.94 13 % 7.5 0.84 auf 0.85 7 % 0.75 0.73 auf 0.74 2.5 % Tabelle 3.1: Zusatzkosten bei
Wirkungs-graderhohung
Die Modikation des Normmotors zum Energie-sparmotor soll am Beispiel eines Motorenherstellers erlautert werden, der bisher sowohl den westlichen Markt nach IEC-Norm als auch den ostlichen Markt nach der bezuglich Leistungs-Achshohen-Zuordnung progressiveren RGW-Norm belieferte.
In Bild 3.2 wird sichtbar, dass im Rahmen der IEC-Norm ein 1:5kW Niederspannungs-Asynchronmotor sowohl in Normalausfuhrung als auch als Energie-sparmotor, lediglich durch Anderung der Wicklungs-auslegung, lieferbar ist. Dabei folgt die angedeutete Preisrelation den naturlichen Wachstumsgesetzen.
Dementsprechend haben sich in den verschiedenen Landern unterschiedliche Normen ergeben, so dass zum Beispiel fur die gleiche Leistung Motoren unter-schiedlicher Achshohe geliefert werden.
Das bedeutet aber, dass die IEC-Norm mit einer ma-terialintensiven und kompakten, aber naturlich ener-gieokonomischeren Ausfuhrung erfullt werden kann ohne dass die Konstruktion verandert werden muss.
Bild 3.3 zeigt Wirkungsgrade der Normmotoren-Reihe nach IEC und der Energiesparmotoren-Normmotoren-Reihen verschiedener Hersteller.
Die okonomische Wertung der Wirkungsgradstei-gerung ist von den jeweiligen Tarifbedingungen abhangig. In der Industrie darf man nur uberschlags-weise einen Wert fur ein Prozent Wirkungsgrad oder ein Watt Verluste ansetzen. Fur den 7:5kW-Motor wurde fur die einprozentige Wirkungsgraderhohung eine mogliche aquivalente Erhohung des Einkaufsprei-ses um 26:2% angenommen [35]. In vielen Fallen lohnt sich die Verwendung von Energiesparmotoren, d.h. bisher waren die Normmotoren-Reihen noch nicht unter Berucksichtigung der vollen Zielfunktion optimiert.
Bild 3.2: Modikation zum Energiesparmotor
3.2 Energieoptimale Auslegung von Elektromotoren
Bild 3.3: Wirkungsgrade von 2- und 4-poligen ASM - Energiesparmotoren im Ver-gleich zu Normmotoren
: Normmotoren ,2 : Energiesparmotoren verschiedener Hersteller