Starten met IE3

Energie-efficiëntie is een te vaak gebruikt cliché in de politiek, de bedrijfswereld en de industrie. De Europese Verordening Elektromotoren, die begin 2015 de tweede fase is ingegaan, verplicht machinebouwers en systeemontwerpers anders te gaan denken. Hoewel de aandacht in de industrie vooral naar de elektromotor uitgaat, reiken de effecten verder en moet ook in de schakeltechnologie met het nodige rekening worden gehouden.

De politiek en het bedrijfsleven zetten nadrukkelijk in op beperking van het energieverbruik in de productie en voor vermindering  van de CO₂-uitstoot in de industrie. Elektrische aandrijvingen vertegenwoordigen ongeveer twee derde van het stroomverbruik in de industriële productie. Het Duitse milieuministerie schat dat alleen al in Duitsland een efficiëntere aandrijvingstechnologie het elektriciteitsverbruik met ongeveer 27 miljard kWh zou kunnen verminderen tegen 2020 - met een overeenkomstige vermindering van de CO₂-uitstoot met 16 miljoen ton.

Dit heeft de EU ertoe aangezet om initiatieven voor een milieuvriendelijk ontwerp te bevorderen, waaronder de Richtlijn Energiegerelateerde Producten (ErP). De Richtlijn schrijft de criteria voor waaraan de betrokken producten moeten voldoen om in Europa te worden gebruikt. De eisen voor de individuele productsegmenten worden in de implementatieverordeningen gedefinieerd. De  belangrijkste verordening voor elektromotoren is Verordening EC 640/2009, die de minimale energie-efficiëntieklassen (International Efficiency classes, IE) bepaalt voor driefase-laagspanningsinductiemotoren in een uitgebreide vermogensreeks. Deze motoren waren in 2005 verantwoordelijk voor bijna 90% van het elektriciteitsverbruik van elektromotoren in de lidstaten van de EU.

In werking

De eerste fase van de ErP-richtlijn is medio 2011 in werking getreden. Sindsdien moeten alle nieuwe motoren die op de markt komen ten minste voldoen aan de eisen van efficiëntieklasse IE2. Vanaf dit jaar moeten machinebouwers en systeemontwerpers die nieuwe motoren met een nominaal uitgangsvermogen van 7,5 tot 375 kW installeren of integreren, motoren gebruiken die ten minste efficiëntieklasse IE3 bereiken. Ze mogen IE2-motoren als alternatief gebruiken, maar alleen in combinatie met een elektronische variabele snelheidsregeling. Vanaf 1 januari 2017 zal dit voorschrift ook gelden voor motoren met een nominaal uitgangsvermogen van 0,75 kW of meer.

Vragen bij IE3

De wetgeving heeft het bewustzijn van de energie-efficiëntie in de industriële sector enorm vergroot. De fabrikanten van elektromotoren spannen zich al een hele tijd in om de efficiëntie van hun producten te verbeteren. Voor machinebouwers betekent dit dat zij hun standaardmachines die nog niet met IE3-motoren of een variabele snelheidsregeling uitgerust zijn, moeten upgraden. Energie-efficiëntie is een complex vraagstuk en kan niet zomaar worden bereikt door IE2-motoren te vervangen door IE3-motoren. De problematiek roept verschillende vragen op, zoals:

• Hoe beïnvloeden de structurele wijzigingen van IE3-motoren het ontwerp van de systemen voor motorbeveiliging?
• Wat is de impact van de ErP-richtlijn op pomp- en ventilatortoepassingen?
• Welke opties hebben machine- en systeemconstructeurs om de efficiëntie van hun systemen te optimaliseren?

Eaton heeft deze problemen aangepakt.

Schakelapparatuur testen

Om de energie-efficiëntie van elektromotoren te verbeteren, moeten de fabrikanten het ontwerp van hun producten aanpassen. Ze gebruiken bijvoorbeeld dikkere draden in de statorwikkelingen, dikkere rotorstaven en kortsluitringen die de weerstand verlagen. Een geoptimaliseerde geometrie van het blikpakket reduceert de strooiverliezen. Doordat het materiaal van het blikpakket van een hogere kwaliteit is, zijn er minder hystereseverliezen.

Al deze veranderingen betekenen dat hoogefficiënte motoren hogere inductieniveaus hebben, hetgeen te verklaren is door het feit dat de bijbehorende koperverliezen (Pv = I²R) geringer zijn. Hierdoor worden weer de aanloopstromen van de motoren hoger. Het eindresultaat is dat ook de bijbehorende schakelapparatuur, zoals contactoren en motorbeveiligingsschakelaars, moeten worden gewijzigd. Bij starters kunnen de bovengenoemde hogere aanloopstromen leiden tot onterechte uitschakeling, ook al is er geen storing of kortsluiting opgetreden.

Bovendien kunnen de contacten in de contactor terugveren, waardoor de thermische belasting op het apparaat toeneemt en in extreme gevallen de contacten blijven vastzitten. Als de contacten smelten, kan dit leiden tot dure uitval van machines en duur onderhoud. Bovendien wordt de levensduur van de contactoren korter.

Norm motorstarters aanpassen

Daarom zijn de waarden die in de huidige norm voor motorstarters (EN 60947-4-1) worden gegeven in de praktijk niet geldig, wanneer IE3-motoren worden gebruikt. Er wordt gewerkt aan een aanpassing van de norm. Eaton heeft als een van de toonaangevende experts op het gebied van het veilig schakelen, beveiligen en aansturen van motoren, het gedrag van motorbeveiligingen in praktijktests onderzocht. In de tests werden onder meer contacten beproefd tijdens direct starten en met ster/driehoek-schakeling starten op openbare of private stroomnetten - alleen en in combinatie met softstarters of frequentieregelaars voor de compatibiliteit met IE3-motoren van verschillende fabrikanten. Tijdens de studie is ook de werking van mechanische en elektrische motorbeveiligingsschakelaar getest. Dit heeft geleid tot verbetering van de DIL-, PKZ- en PKE-productfamilies, zodat ze nu klaar zijn voor IE3. Een met IE2- en IE3-motoren compatibele productfamilie bespaart de gebruiker bijkomende kosten in de technische configuratie en het voorraadbeheer.

Pompen en ventilatoren

De impact van de ErP-richtlijn gaat verder dan eenvoudig aanpassen van het ontwerp met betrekking tot de productselectie. Ook moeten volledige processen en systemen worden geanalyseerd om het vereiste minimale efficiëntieniveau te bereiken. De regelgeving voor pompen en ventilatoren is daar een voorbeeld van: met conventionele mechanische middelen voor debietregeling als kleppen en dempers is het meestal moeilijk om aan de efficiëntie-eisen te voldoen. Soms kunnen frequentieregelaars nodig zijn om de energie-efficiëntie te verhogen. Maar voor veel eenvoudige toepassingen, zoals pompen en ventilatoren, is dat vaak een te complexe oplossing.

Derde optie

Tot voor kort waren motorstarters het enige alternatief voor de aandrijving van elektromotoren. Ze zijn wel gebruiksvriendelijk, maar de functies zijn beperkt. Maar voor bestaande motoren die met een constante snelheid maar onder de volle nominale belasting draaien, is er nu een derde optie: de starter met variabele snelheid. De PowerXL DE1-starters met variabele snelheid zijn even gebruiksvriendelijk en betrouwbaar als conventionele motorstarters, met de bijkomende optie van een variabele snelheidsregeling. Er zijn geen knoppen of regelingen. De gebruiker pakt het apparaat gewoon uit en sluit het aan op dezelfde manier als een conventionele motorstarter. Het is gebruiksklaar zonder de noodzaak om instellingen te configureren. Het trip-free ontwerp van de ‘Variable Speed Starter' zorgt ook voor een extreem hoge beschikbaarheid. Een intern regelalgoritme voorkomt uitschakeling door overspanning. De VSS beschikt ook over een DC-remfunctie en de functie om automatisch de schakelfrequentie te verlagen om te voorkomen dat de kritieke apparaattemperatuur wordt overschreden.

Toepassing groeit

Met zijn unieke prestatieprofiel en een nominale omgevingstemperatuur tijdens het bedrijf tussen -10° en +60°C, voldoet de starter met variabele snelheid aan de eisen voor eenvoudige pomp- en ventilatortoepassingen en is hij ook geschikt voor een groot aantal courante toepassingen waar nog geen ideale oplossing voor bestond. Dit omvat situaties waarin direct starten met een ster/driehoek-starter of een softstarter onmogelijk is omdat de toepassing geen verlaagd startkoppel verdraagt, zodat een directe start tot hoge aanloopstromen zou leiden. De starter is ook geschikt voor een groeiend aantal toepassingen met constante snelheid die een andere frequentie nodig hebben dan die van het wisselstroomnet. De fabrieksinstellingen kunnen worden aangepast voor specifieke individuele toepassingen. Met een inplugbare en universele configuratiemodule kunnen de belangrijkste parameters met een schroevendraaier worden gewijzigd - zonder toetsenbord, software of een handleiding. In een praktijkvergelijking met conventionele oplossingen vermindert deze benadering de configuratietijd met wel 70%.

Guido Kerzmann, product line manager Drives & Softstarters, Eaton

www.eaton.nl/IE3

www.eaton.nl/DE1