IE5+ Motoren im Effizienzvergleich

Aufgrund der großen Anzahl der weltweit installierten ­Antriebseinheiten haben Förderbänder einen hohen Anteil am weltweiten Elektroenergieverbrauch. In Kooperation mit dem Förderbandhersteller Ammega ermittelte Nord Drivesystems deshalb im direkten Vergleich mit aktuellen IE3-Motoren die Einsparpotenziale der IE5+ Synchronmotoren. 

Etwa 70 % der in industriellen Anwendungen eingesetzten elektrischen Energie werden von elektrischen Antrieben verbraucht. Für die wirtschaftlich und ökologisch notwendige Reduzierung und Optimierung des Energie- und Ressourcenverbrauchs bietet sich mit der horizontalen Fördertechnik ein wichtiger Ansatzpunkt für nahezu jedes Industrieunternehmen und jede Intralogistikinstallation. Nord Drivesystems unterstützt seine Kunden dabei, diese Einsparpotenziale zu erschließen.  

Effizienzvergleich von Getriebemotoren im Praxisversuch 

Gemeinsam mit Ammega, einem der führenden Förderbandhersteller und langjähriger Partner bei der Konzeption leistungsfähiger, effizienter Intralogistikanlagen, entstand die Idee, das Zusammenspiel der Fördertechnikkomponenten in einem praktischen Versuch zu vergleichen. Unter gleichen Testbedingungen wurden ein IE3-Asynchronmotor in Baugröße 80 und ein IE5+ Permanentmagnetsynchronmotor in Baugröße 71 verglichen. Allein die Möglichkeit, die gleichen Leistungsparameter mit einer kleineren Motorbaugröße abdecken zu können, ist schon eine signifikante Einsparung. Während der IE3-Motor (80LP/4) Abmaße von 236 x 156 x 156 mm erreicht, ist der genauso leistungsstarke IE5+ Antrieb (71N2/8 TF) nur 225 x 132 x 132 mm groß. Hinzu kam ein Test mit dem Nord DuoDrive-Getriebemotor (SK EVO 80-3AZ), bei dem der IE5+ Motor mit dem Getriebe in einem Gehäuse integriert ist. Um verschiedene Reibungskoeffizienten zu berücksichtigen, wiederholten die Nord-Ingenieure die Tests der Getriebemotoren mit zwei Förderbandtypen und zwei verschiedenen Gleitunterlagen.  

Versuchsaufbau und Rahmenbedingungen 

Die entsprechende Bandlast wurde über einen Lastschlitten aufgebracht, der über einem der Förderbandsegmente montiert ist. Die Messdatenerfassung mit einer Abtastrate von 1 Hz wurde mit dem Nord Eco-Messgerät durchgeführt, das zwischen Netz- und Motoranschluss geschaltet ist. So können Spannung und Stromstärke sowie die tatsächlich verbrauchte Leistung ermittelt werden. 

Da für eine direkte Vergleichbarkeit der Getriebemotoren die gleiche Abtriebsdrehzahl erforderlich ist, wurde zur Drehzahlanpassung das gleiche Kegelstirnradgetriebe (SK 92072.1ABDH) mit dem gleichen Getriebeöl, aber unterschiedlichen Übersetzungen verwendet (Übersetzungsverhältnisse: IE3 = 3,58 / IE5+ = 5,17). Um Störeinflüsse durch Umweltfaktoren zu minimieren, führte Nord die Versuche nach einer Aufwärmzeit von zwei Stunden bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C, ohne Sonneneinstrahlung und bei einer Luftfeuchtigkeit von 30 bis 40 % durch. Die Bandgeschwindigkeit während des 24-stündigen Dauerbetriebes betrug jeweils 1,5 m/s. 

S1-Betrieb: Belastungstest im Worst-Case-Szenario 

Ausgehend von der in vielen Ausschreibungsunterlagen geforderten Bandlast von 40 kg bei Volllastbetrieb wurden die Versuche im S1-Betrieb ausgeführt. Eine Auslastung von 100 % entspricht nicht dem Realbetrieb. Der ist in Post-and-Parcel-Anwendungen, Flughafentechnik und Intralogistik viel mehr durch Teillastbetrieb und geringere Bandlasten gekennzeichnet. Die Nord-Antriebe mit Synchronmotor haben hier besondere Stärken, da ihre Effizienz im Vergleich zu Asynchronmotoren im Teillastbereich nicht signifikant abfällt. 

Die IE5+ Motortechnologie ist rund 15 % sparsamer bei Volllast. Hinsichtlich der Förderbandgurte und Unterlagen zeigte sich, dass sie ihre Vorteile vor allem bei S1-Betrieb unter Volllast ausspielen konnten und eine Ersparnis von rund 25 % erbrachten. Je höher der Anteil des Teillastbetriebes an den Betriebsstunden der Antriebe ist, desto größer wird die Energieersparnis durch die Antriebsauswahl und desto weiter gehen die Effizienzwerte zugunsten der Permanentmagnet-Synchronmotoren mit Effizienzklasse IE5+ auseinander. Neben der Verbesserung der Motorwirkungsgrade sind auch der Algorithmus der Steuerung und die Energieeffizienz der Antriebselektronik wichtige Einflussfaktoren. Durch abgestimmte Komplettsysteme von Nord Drivesystems, bestehend aus Getriebemotor, Frequenzumrichter sowie anwendungsspezifischer Parametrierung und Programmierung lässt sich ein optimaler Systemwirkungsgrad erzielen. 

Ein konstantes Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich ermöglicht eine Reduzierung der Variantenvielfalt. Dadurch können Verwaltungskosten minimiert und Produktions-, Logistik-, Lager- und Serviceprozesse gestrafft werden. Die Motorengeneration IE5+ verbindet die Vorteile des Baukastensystems mit den Möglichkeiten der Variantenreduzierung. Mit den IE5+ Motoren bis 2,2 kW in einer Gehäusegröße sowie zwei Getriebebaugrößen bis 250 Nm und wenigen Frequenzumrichtervarianten lassen sich 95 % aller typischen Antriebsaufgaben in der Intralogistik abdecken. Für höhere Leistungsanforderungen stehen zusätzlich IE5+ Lösungen bis 3,7 kW mit noch deutlich höheren Drehmomenten zur Verfügung.  

Jede Lösung wird individuell auf jeden Kunden zugeschnitten und zeichnet sich unter anderem durch folgende Vorteile aus: 

• weltweit einsetzbarer Motor, 
• Ausnutzung der hohen Überlastfähigkeit des Systems, 
• großer Verstellbereich, 
• gezielte Auslegung auf die jeweilige Lastgruppe, 
• kompakter Bauraum mit hoher Leistungsdichte, 
• kleine leichte Getriebemotoren mit höchster Effizienz, 
• steckbare Umrichter und Motoren, 
• Service per Plug-and-play ohne geschultes Personal. 

Effizienz und Kosten in perfekter Balance 

Der Vergleich eines herkömmlichen IE3-Asynchronmotors (0,75 kW, 83 % Motorwirkungsgrad, Kegelstirnradgetriebe) mit einem entsprechenden IE5+ Synchronmotor (0,75 kW, 93 % Motorwirkungsgrad, Kegelstirnradgetriebe) ergibt bei 16 Betriebsstunden pro Tag (4 000/a) und einem CO2-Emissionsfaktor von 366 g/kWh eine Energieersparnis von ca. 11 %. Das entspricht etwa 400 kWh und 0,15 t CO2/a. Das hat sich auch bei den in Bargteheide durchgeführten Messungen wieder gezeigt. 

Vergleicht man unter den skizzierten Versuchsbedingungen die durchschnittliche elektrische Leistung des IE3-Motors von 0,536 kW mit der des integrierten Getriebemotors DuoDrive (SK EVO 80 – 3AZ) von 0,442 kW, so ergibt sich eine Einsparung von 234 kWh Elektroenergie im Jahr. Das entspricht 17,5 % Ersparnis oder 117 kg CO2/a für nur eine Antriebseinheit. Legt man ein durchschnittliches Paketverteilzentrum mit rund 2 000 Antrieben zugrunde, ergibt sich daraus eine Reduzierung um 234 t CO2/a für eine Anlage, allein durch die Optimierung der Antriebstechnik. 

Ziel erreicht 

Das Erreichen des gesetzten Ziels, durch den Einsatz eines IE5+ Synchronmotors anstelle eines IE3-Asynchronmotors eine deutlich höhere Energieeinsparung zu erreichen, wird durch die Messergebnisse unterstrichen. Der IE5+-Synchronmotor zeichnet sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad aus. Es ist zu erkennen, dass der IE5+-Synchronmotor im Vergleich zum IE3-Asynchronmotor durchweg höhere Energieeinsparungen erzielt. Mit der Wahl des DuoDrive-Getriebemotors von Nord Drivesystems können durch den höheren Systemwirkungsgrad weitere Effizienzgewinne und Synergieeffekte realisiert werden.  

Autor: Jörg Niermann, Leiter Marketing – Getriebebau NORD GmbH & Co. KG in Bargteheide 

Bilder: NORD Drivesystems