De ingevoerde IE3-richtlijn en de naderende komst van IE4 kunnen een reden zijn dat bedrijven voor de nieuwste elektromotortechnologie kiezen, waardoor ze kosten besparen. Fabrikanten hebben nieuwe motoren ontwikkeld die de vereiste efficiency-niveaus overtreffen en waarmee de bedrijfskosten voor de gebruiker aanzienlijk lager uitvallen.
Hoewel de wetgeving vooral dient om het totale energieverbruik en de CO2-uitstoot te verminderen, is de daarvoor ontwikkelde technologie tegelijkertijd winstgevend voor individuele klanten. Als een nieuwe elektromotor zorgvuldig voor een specifieke toepassing wordt gekozen, kunnen de levenslange bedrijfskosten fors worden verlaagd en zal het bedrijf de aanvankelijke aanschafkosten eerder terugverdienen.
Technologische ontwikkelingen
Fabrikanten van elektromotoren, zoals Bauer Gear Motor, onderdeel van de Altra Industrial Motion Group, hadden tijd genoeg om de vereiste technologieën te ontwikkelen en in de praktijk te testen. Ofschoon de IE3-richtlijn voor motoren boven 7,5 kW pas in januari 2015 van kracht werd, leveren sommige fabrikanten nu al IE4 Super Premium Efficiency producten, zelfs voor toepassingen in hygiënische of explosiegevaarlijk omgevingen.
Maar praktijkgevallen lijken aan te tonen dat sommige klanten vanwege het prijsverschil tussen traditionele motoren en synchroonmotoren met permanente magneten (PMSM) terughoudend in hogere efficiency-niveaus investeren, hoewel ze van de nieuwste technologie zouden profiteren. Deze twijfels kunnen worden weggenomen door de kostenbesparing en het investeringsrendement (ROI) te bekijken en te waarborgen dat elke nieuwe motor exact op de toepassing aansluit.
Motoren die aan de voorgestelde IE4-rendementeisen voldoen, zoals Bauer’s PMSM-serie, hebben doorgaans permanente magneten, die constant een eigen magneetveld handhaven. Ze zijn duurder om te maken, maar veel sterker dan standaard magneten. Als ze in een elektromotor worden gebruikt, is voor de voeding meestal een inverterbesturing nodig, maar het rendement kan erg hoog zijn, zo rond de 96 procent.
Het is algemeen bekend dat elektromotoren voor 65 procent van het industriële stroomverbruik verantwoordelijk zijn, maar weinigen weten dat de bedrijfskosten van de motor voor 96 procent aan stroom opgaan. Daaruit blijkt dat de efficiency voor de totale bedrijfskosten (TCO) belangrijker is dan de aanvankelijke aanschafprijs.
Op de huidige markt moet de energie-efficiëntie een bepalende factor zijn bij het kiezen van nieuwe elektromotoren. De energiekosten zullen naar verwachting blijven stijgen en daarom moet naar de totale bedrijfskosten worden gekeken en niet simpelweg naar de aanschafprijs.
Bewijs uit de praktijk
Verbeterde technologie en efficiëntie brengen een hogere aanschafprijs met zich mee, die tijdens de levensduur van de PMSM wordt terugverdiend. Om dit te bewijzen, heeft Bauer Gear Motor deelgenomen aan een directe vergelijking tussen een asynchrone motor (ASM) met inverterbesturing en een PMSM, die dezelfde taak moesten verrichten. De test werd uitgevoerd in een normaal werkende waterzuivering in Duitsland en beide motoren dreven zeven uur per dag een schijfindikker aan.
Veel processen in de waterzuiveringsindustrie moeten continu in bedrijf zijn, eventueel met een wisselende belasting, afhankelijk van de omstandigheden. Heel wat toepassingen in deze industrie zouden van een nieuwe motortechnologie kunnen profiteren en aanzienlijke kostenbesparingen voor elke installatie kunnen behalen. In dit geval moest de proef aantonen of de aanschafprijs van een IE4-motor door de fors lagere bedrijfskosten kan worden terugverdiend.
Voor de proef werden identieke frequentie-inverters en tandwielkasten gebruikt, zodat enige rendementsverschillen puur aan de motoren waren toe te schrijven. De uitkomst was dat de PMSM 40 procent minder stroom verbruikte dan de ASM, waardoor de PMSM over een periode van 4 jaar 1.022 kWh zou besparen. En omdat de stroom waarschijnlijk duurder wordt, kan deze besparing nog hoger uitvallen.
Minder verliezen
Bauer’s PMSM-serie bestaat uit een reeks milieuvriendelijk motoren, die een hoogefficiënte rotor met verzonken permanente magneten uit zeldzame aardmetalen hebben en geen kooianker zoals de gebruikelijke inductiemotoren.
Dit ontwerp heeft een aantal belangrijke voordelen. De warmteverliezen van de rotor worden met 100 procent verminderd en de totale verliezen met ca. 25%, terwijl het totale rendement met minstens 10% toeneemt. Voor de PMSM-gebruiker betekenen deze betere prestaties lagere totale bedrijfskosten (TCO), een verminderde CO2-uitstoot en langdurige besparingen, die een buffer tegen de stijgende energieprijzen kunnen vormen.
Het opvallendste voordeel is de aanzienlijke rendementsverbetering ten opzichte van inductiemotoren, zelfs onder deellast, en hun extreem hoge efficiëntie onder nominale bedrijfsomstandigheden.
PMSM’s hebben ook een veel hogere vermogensdichtheid, waardoor met name een systeem met reductormotoren efficiënter wordt, terwijl de motoren minder ruimte vragen en lichter zijn. Dit komt doordat de veldstroom van een inductiemotor voor een deel de rotorstroom moet “opwekken” om rotorflux te krijgen. Deze extra stromen zorgen voor warmte binnen in de motor. Maar bij een PMSM wordt de rotorflux al opgewekt door de permanente magneten in de rotor.
Dankzij hun hogere vermogensdichtheid konden PMSM-motoren met minder trage rotoren worden ontwikkeld, die sneller reageren. PMSM-aandrijvingen leveren daarnaast meer koppel dan even grote conventionele inductiemotoren, wat een verdere besparing mogelijk maakt doordat een kleinere motor kan worden gekozen.
Blik op de toekomst
Dit is nog niet het hele verhaal, want er is een nieuwe norm ontwikkeld die ook rekening houdt met de aandrijfsystemen, motorstarters en de machines die daarop zijn aangesloten, zoals elektromotoren. Deze normen dienen om gelijkwaardige producten te kunnen vergelijken, waardoor gemakkelijker beslist kan worden wat de juiste onderdelen voor een aandrijving zijn.
Op dit moment kunnen de leverancier of eindgebruiker geen aandrijfproducten van verschillende merken vergelijken om uiteindelijk de meeste efficiënte motoren en inverters te kiezen. Hetzelfde doet zich voor als de motor bijvoorbeeld in een ventilator of pomp zit en de motorprestaties niet onafhankelijk van de aangedreven machine kunnen worden gemeten. Maar er wordt een nieuwe EN50598-norm ontwikkeld om deze problemen te verhelpen en mogelijke energiebesparingen op deze terreinen te verbeteren. Deze norm gebruikt rendementsklassen voor elektrische aandrijfsystemen (PDS).
Dankzij deze nieuwe norm kunnen eindgebruikers ook de terugverdientijd beter inschatten. Vroeger werd het totale rendement van toerengeregelde motoren op basis van ruwe verbruikscijfers geschat. Maar nu heeft de gebruiker goedgekeurde rendementscurven om de terugverdientijd van een motor/aandrijving realistischer te berekenen.
Specialistische toepassingen
De ontwikkelde IE4-technologie beperkt zich niet tot conventionele toepassingen, maar voldoet ook aan de speciale hygiënische eisen van bijvoorbeeld de farmaceutische industrie of de levensmiddelensector, waarin de specialistische onderdelen doorgaans tegen regelmatige poetsbeurten bestand moeten zijn en schoon moeten werken zonder kans op besmetting.
De ingenieurs van Bauer zijn gefocust op ontwikkelingen voor specialistische industrieën, waarbij de energie-efficiëntie een belangrijk punt is. Een voorbeeld daarvan is de toonaangevende, roestvrijstalen modulaire AsepticdriveTM IE4-reductormotor. Deze motor is zo gebouwd dat de hygiëne veel minder snel in gevaar komt als hij een klap krijgt of langere tijd regelmatig grondig wordt schoongespoten.
Door een zorgvuldige productkeuze kan een energiebesparing worden bereikt, waarvan niet alleen de eindgebruiker, maar ook de OEM’s profiteren. Voor veel toepassingen kan immers een kleinere PMSM in plaats van een grote ASM worden gebruikt, waardoor voor de hele energieketen kleinere componenten kunnen worden gekozen. Omdat de nieuwste motortechnologie de bedrijfskosten bewezen verlaagt, zal zij in de toekomst beslist een belangrijke rol spelen.
