Energieeffiziente Gebäudeautomatisierung beginnt bei der Antriebstechnik

Synchron statt asynchron - auch in der Gebäudetechnik?

Nicht nur in der Industrie, sondern auch in der Gebäudeautomatisierung treten permanenterregte Synchronmotoren aus Energieeffizienzgründen zunehmend an die Stelle von Drehstrom-Asynchronmotoren. Anwender haben die Wahl zwischen PMSM-Motoren (Permanent Magnet Synchron Motors) und BLDC-Motoren (Brushless Direct Current).

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Michael Burghardt, Danfoss: »Permanenterregte Synchronmotoren setzen sich durch sinkende Preise und hohen Wirkungsgrad vor allem im niedrigen Leistungsbereich durch.«

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Michael Burghardt, Danfoss: »Permanenterregte Synchronmotoren setzen sich durch sinkende Preise und hohen Wirkungsgrad vor allem im niedrigen Leistungsbereich durch.«

Energieeffizienz, Reduzierung der Treibhausgas-Emissionen, Senkung des Energieverbrauchs – Schlagworte wie diese führen derzeit zu vielen und kontroversen Diskussionen. Einig sind sich alle im Ziel, den Verbrauch zu senken. Doch wie dies zu erreichen ist, bietet vielen verschiedenen Ansätzen Raum.

Die elektrische Antriebstechnik ist eine der Schlüsseltechniken in Maschinen und Anlagen. Sie eröffnet die schnellste und derzeit effektivste Möglichkeit, den Energieverbrauch zu senken. Dabei verteilt sich das gesamte Einsparpotenzial eines Antriebs auf drei Aspekte: »10 Prozent der Einsparungen lassen sich durch effizientere Motoren erreichen, weitere 30 Prozent durch elektronische Drehzahlregelung der Motoren«, erläutert Michael Burghardt, Product Manager HVAC/R bei Danfoss. »Das größte Potenzial eröffnet allerdings die Optimierung von Prozessen und Abläufen in der Anlage, die oft erst durch moderne Drehzahlregelung überhaupt möglich ist.«

So ist es nicht verwunderlich, dass Anlagenbauer und -betreiber nach immer neuen Wegen suchen, mit aktueller Motor- und Frequenzumrichtertechnik ihre Anlagen so energieeffizient wie möglich zu gestalten.

Auch in der Gebäudeautomatisierung streben Anwender nach mehr Energieeffizienz bei Betrieb und Versorgung moderner Industrie-, Gewerbe- und Wohngebäude. »Dort sind vor allem die Heiz- und Kühlsysteme, besonders aber die raumlufttechnischen Anlagen, mögliche Ziele für mehr Energieeffizienz«, verdeutlicht Burghardt. »Ein mögliches Ziel für die Optimierung: der Motor.«

Bisher kamen, abhängig von der benötigten Leistung, unterschiedliche Motortechniken zum Einsatz. »Im Leistungsbereich bis etwa 0,75 kW setzten Anlagenbauer aus Kostengründen oft auf Motoren mit schlechterem Wirkungsgrad, etwa Spaltpolmotoren«, führt Burghardt aus. »Mit steigender Leistung dominierte dann aber der Standard-Drehstrom-Asynchronmotor.«

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Abb. 1: Wenn ein permanenterregter Motor angetrieben wird, erzeugt er eine Spannung, die so genannte Gegen-EMK. Die Form dieser Spannung ist ein Merkmal zur Unterscheidung der diversen Motorausführungen.

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Abb. 1: Wenn ein permanenterregter Motor angetrieben wird, erzeugt er eine Spannung, die so genannte Gegen-EMK. Die Form dieser Spannung ist ein Merkmal zur Unterscheidung der diversen Motorausführungen.

Zu einer Alternative hat sich der permanenterregte Synchronmotor entwickelt. »Durch sinkende Preise und hohen Wirkungsgrad setzt er sich vor allem im niedrigen Leistungsbereich durch«, stellt Burghardt fest. Generell sind für die diversen Arten von Motoren mit Permanentmagneten (PM) je nach Branche verschiedene Namen und Abkürzungen üblich (siehe Abb. 1). In industriellen Anwendungen kommen meist PMSM-Motoren (Permanent Magnet Synchron Motors) zum Einsatz. Obwohl diese Motoren je nach Bauart andere Bezeichnungen haben, werden sie allgemein oft als »PM-Motoren« bezeichnet.

Kommen in der Gebäudeautomatisierung PM-Motoren zum Einsatz, sind es heutzutage in den meisten Fällen BLDC-Motoren (Brushless Direct Current). In der Praxis begegnet ihnen der Anwender unter dem Begriff »EC-Motor« (Electronically Commutated).

»Allen diesen PM-Motoren ist gemein, dass sie eine Regelelektronik benötigen, um den Motor zu betreiben«, betont Burghardt. »Mittlerweile bieten Hersteller auch PM-Motoren an, die am Netz anlaufen können, dafür aber eine Hilfswicklung benötigen, die sich in einem höheren Preis und einem schlechteren Wirkungsgrad niederschlägt.«

Durch die eingesetzten Permanentmagnete ist der Wirkungsgrad eines PM-Motors typisch um 1 bis 10 Prozent besser als der eines Drehstrom-Asynchronmotors. »Abhängig ist dies von der Güte des Asynchronmotors und vom betrachteten Leistungsbereich«, erklärt Burghardt. »Mit steigender Leistung nähern sich die Wirkungsgrade beider Motortypen einander an. Veröffentlichungen einiger Hersteller ziehen gerne zum Vergleich die ineffizienteren Spaltpolmotoren oder andere spannungssteuerbare Motoren im Leistungsbereich unter 1 kW heran.« Der Wirkungsgradvorteil der PM-Motoren ist dann entsprechend wesentlich höher.

Angesichts dessen überrascht es nicht, dass es einen Trend zu permanenterregten Synchronmotoren gibt, egal ob als EC- oder PM-Motoren bezeichnet. Allerdings haben – betrachtet der Anwender das Gesamtsystem RLT – alle eingesetzten Motoren ihre Vor- und Nachteile.

Im Folgenden bezeichnet der Begriff »EC« die BLDC-Motoren, die Bezeichnung »PM« die PMSM-Motoren und deren Varianten.

1. Teil: Synchron statt asynchron - auch in der Gebäudetechnik?
2. Teil: IE-Klassen – das Maß der Dinge für den Asynchronmotor
3. Teil: EC- und PM-Motor: Gemeinsamkeiten und Unterschiede
4. Teil: Regelverfahren und die Auswirkung auf das Lastverhalten
5. Teil: Beste Motortechnik abhängig von Einsatzbereich und Leistung

Weiterführende Links:

• Das in der Wirtschaft vorhandene Energiesparpotenzial ist immens: Mit bewährten Lösungen Milliarden Tonnen CO2-Ausstoß vermeiden
• Welcher Motortyp für welches Fahrzeug?: Die Qual der Antriebstechnik-Wahl
• Unternehmen, die mittels Software ihren Energieverbrauch analysieren, können ihre Energieeffizienz nachhaltig steigern: Energie-Management auf Software-Basis