IEC 60034-30:2008-10

Einleitung

Von der IEC werden im Zusammenhang mit Energiesparmotoren drei neue Dokumente vorbereitet. Der Fokus liegt dabei auf Industrieantrieben mittlerer Leistung, das heißt Drehstrom-Asynchronmotoren für Niederspannung (bis 1 000 V) im Leistungsbereich von 0,75 kW bis 375 kW, weil diese den größten Anteil am Stromverbrauch aller Motorenklassen haben.

Motoren kleinerer Leistung (deutlich unter 1 kW) werden in großer Stückzahl hergestellt, überwiegend aber im Aussetzbetrieb eingesetzt. Motoren größerer Leistung (ab etwa 500 kW) werden in vergleichsweise geringen Stückzahlen produziert.

Die Norm IEC 60034-2-1 wurde bereits Ende 2007 veröffentlicht und verbessert die Genauigkeit bei der Ermittlung von Wirkungsgraden. Dies ermöglicht einen fairen und weltweiten Vergleich von Wettbewerbsprodukten.

Die neuen Wirkungsgrade werden mehr oder weniger von den Wirkungsgraden nach der alten Norm (IEC 60034-2) abweichen. In der Regel sind die neuen Werte niedriger, typisch bis zu einem Prozentpunkt bei großen Motoren (100 kW und mehr) und bis zu zwei bis drei Prozentpunkte bei kleinen Motoren (unter 10 kW). Für eine Übergangszeit werden viele Hersteller daher beide Wirkungsgrade in ihren Katalogen angeben.

Im Oktober 2008 ist die Norm IEC 60034-30 erschienen. Sie definiert weltweit einheitliche Wirkungsgradklassen; sie legt fest, für welche Motoren die Klassen angewendet werden dürfen, und sie bestimmt, wie diese Motoren auf dem Leistungsschild und im Katalog gekennzeichnet werden müssen. Die drei neuen Wirkungsgradklassen sind:

• IE1 = Standard Efficiency (bisher in Europa eff2)
• IE2 = High Efficiency (bisher in Europa eff1 in den USA EISA (früher EPACT))
• IE3 = Premium Efficiency (neu in Europa; in den USA "NEMA Premium").

Die IEC-Norm macht keine Vorgaben für Mindestwirkungsgrade von bestimmten Produktgruppen. Dies ist Sache der nationalen Gesetzgebung und wird weltweit unterschiedlich gehandhabt.

Des Weiteren befindet sich der Leitfaden IEC/TS 60034-31 in Vorbereitung. Er wird voraussichtlich 2010/2011 erscheinen und gibt Hinweise für den energieeffizienten Einsatz von industrieller Antriebstechnik (Motorenauswahl, elektronische Drehzahlregelung, mechanische Optimierungen der Anlage).

In Europa existiert seit 2005 die allgemeine Richtlinie 2005/32/EG (EuP - Eco-Design Requirements for Energy Using Products). Mangels detaillierter Ausführungsbestimmungen war diese Richtlinie bisher für die Praxis kaum relevant.

Für Mitte 2009 wird mit der Veröffentlichung von Ausführungsbestimmungen für Industriemotoren gerechnet. Nach einer Übergangsfrist werden damit Mindestwirkungsgrade für bestimmte Motortypen vorgeschrieben. Es ist zu erwarten, dass Standardmotoren mit Leistungen von 0,75 kW bis 375 kW (ab der Achshöhe 80 und größer) etwa ab 2010/2011 mindestens der Klasse IE2 entsprechen müssen. Einige Jahre später soll dann die Klasse IE3 für am Netz betriebene Motoren in einem eingegrenzten Leistungsbereich verbindlich vorgeschrieben werden.

Details zu den Messverfahren (IEC 60034-2-1:2007)

Das Verfahren zur Messung des Wirkungsgrades von Drehstrom-Asynchron-Elektromotoren wurde mit der Norm IEC 60034-2-1 ("Drehende Elektrische Maschinen - Standardverfahren zur Bestimmung der Verluste und des Wirkungsgrades aus Prüfungen (ausgenommen Maschinen für Schienen- und Straßenfahrzeuge)", Ausgabe 2007) überarbeitet. Damit wird die etwa 100 Jahre alte Prozedur aus der bisherigen Norm IEC 60034-2 ersetzt.

Das neue Verfahren ("Additional losses (PLL) determined from residual loss" nach Abschnitt 8.2.2.5.1) führt zu einer deutlich erhöhten Genauigkeit unter definierten Laborbedingungen und ermöglicht damit einen fairen Vergleich von Produkten unterschiedlicher Hersteller. Es wird in der Norm insbesondere für Maschinen im Leistungsbereich von 1 kW bis 150 kW empfohlen, sollte aber in Zusammenhang mit den hier diskutierten Wirkungsgradnormungen für alle betreffenden Motoren (0,75 kW bis 375 kW) eingesetzt werden.

Das jetzt auch international eingeführte Verfahren ist schon seit Jahrzehnten in den USA und Kanada im Einsatz (IEEE 112B und CSA C390). Dementsprechend liegen auch bei europäischen und asiatischen Herstellern, die in diese Länder exportieren, bereits einschlägige Erfahrungen vor.

Die Norm IEC 60034-2-1 wurde europäisch harmonisiert (EN 60034-2-1:2007) und kann bereits angewendet werden. Die alte Ausgabe (EN 60034-2) wird ab November 2010 ungültig. Spätestens bis zu diesem Stichtag müssen alle Motoren, bei denen der Wirkungsgrad vom Hersteller angegeben wird, nach dem neuen Verfahren geprüft werden.

Beim direkten Vergleich am selben Motor können sich die mit dem neuen Verfahren gemessenen Wirkungsgrade um einige Prozentpunkte gegenüber den mit dem alten Verfahren ermittelten Wirkungsgraden unterscheiden.

Der tatsächliche Wirkungsgrad eines Motors in seiner individuellen Anwendung hängt von vielen zusätzlichen Parametern ab, zum Beispiel von Spannungshöhe und -symmetrie, Umgebungstemperatur, Belastung und vielem mehr. Die Angabe des Wirkungsgrades im Katalog und auf dem Leistungsschild dient also vor allem dem Vergleich unterschiedlicher Produkte.

Details zur Klassifizierung (IEC 60034-30:2008)

Mit der seit 1998 bestehenden freiwilligen Vereinbarung zwischen dem europäischen Verband der Herstellern von industriellen Elektromotoren (CEMEP) und der Europäischen Kommission wurden drei Wirkungsgradklassen für Standard-Asynchronmotoren im Leistungsbereich von 1,1 kW bis 90 kW definiert:

• eff3 = Motoren mit Standardwirkungsgrad
• eff2 = Motoren mit erhöhtem Wirkungsgrad
• eff1 = Energiesparmotoren

Die vereinbarten Mindestwerte der jeweiligen Klassen beziehen sich auf Messungen des Wirkungsgrades nach der alten Norm IEC 60034-2:1996.

Die neue Norm IEC 60034-30 berücksichtigt ein breit gefasstes Spektrum von Motorenausführungen, um Herstellern und Kunden die Möglichkeit zu geben, möglichst viele Industriemotoren in Wirkungsgradklassen einzuteilen.

Folgende Klassen werden definiert:

• IE1 = Standard Wirkungsgrad (vergleichbar eff2)
• IE2 = Hoher Wirkungsgrad (vergleichbar eff1)
• IE3 = Premium-Wirkungsgrad

Eine vierte Klasse (IE4 = Super Premium) wird mit Blick auf mögliche zukünftige Entwicklungen namentlich erwähnt, aber nicht im Detail definiert.

Ab sofort können Motoren mit den neuen Klassifizierungen versehen werden. Die alten Bezeichnungen (eff1, eff2 und eff3) werden damit nicht ungültig, aber vom Markt verschwinden.

Die Messung der Wirkungsgrade erfolgt nach den neuen Verfahren aus IEC 60034-2-1:2007. Um die gewünschte Kompatibilität mit den alten Klassen eff1 und eff2 zu erhalten, wurden die Grenzwerte von IE1 und IE2 leicht gesenkt. Zum Beispiel muss ein heutiger 4-poliger 2,2 kW-eff1-Motor mindestens 86,4 % Wirkungsgrad einhalten. Zukünftig liegt die Grenze für den vergleichbaren IE2-Motor bei 84,3 % . Dies bedeutet keine Verminderung der Qualität der auf dem Markt befindlichen Motoren, sondern ist lediglich die Anpassung der Grenzkurven an ein realistischeres Messverfahren.

Die neue IEC-Norm hat weltweite Gültigkeit. Die Wirkungsgradklassen werden für 50 Hz und 60 Hz definiert, wobei letztere weitgehend den US-amerikanischen NEMA-Spezifikationen für geschlossene Motoren (Closed Motors) entsprechen.

Aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten ist der Wirkungsgrad von Drehstrom-Asynchronmotoren vergleichbarer Bauart bei 60 Hz Netzfrequenz etwas höher als bei 50 Hz Netzfrequenz. Dies spiegeln die Grenzkurven in etwa wider.

Zahlreiche Länder haben bereits die Übernahme von IEC 60034-30 in nationale Normen angekündigt.

Die Wirkungsgradklassifizierung nach IEC 60034-30 kann angewendet werden auf Drehstrom-Niederspannungsmotoren mit Käfigläufer und folgenden Spezifikationen:

• Bemessungsspannungen bis 1 000 V
• Bemessungsleistungen zwischen 0,75 kW bis 375 kW (500 HP)
• Polpaarzahlen 2, 4 oder 6
• Bemessen für Dauerbetrieb (S1) oder nahezu Dauerbetrieb (S3 mit Einschaltdauern von 80 % oder mehr)
• Geeignet für Betrieb am festen Drehstromnetz
• Geeignet für die in IEC 60034-1 definierten Umgebungsbedingungen (Temperatur, Aufstellhöhe).

Motoren mit Fuß- oder Flanschmaßen, die von EN 50347 abweichen, Getriebemotoren, Bremsmotoren, explosionsgeschützte Motoren und alle anderen Sondermotoren können ebenfalls klassifiziert werden, sofern sie die vorgenannten Spezifikationen erfüllen.

Ausgenommen von der Klassifizierung sind lediglich:

• Motoren für Kurzzeitbetrieb (S2) oder Schaltbetrieb (S3 bis S10)
• Motoren, die exklusiv für Umrichter-Betrieb konstruiert wurden und nicht am Netz betrieben werden können
• Motoren, die so speziell für eine Anwendung konstruiert wurden, dass sie nicht eigenständig gemessen werden können (zum Beispiel Pumpenmotoren mit Nassläufern).

Eine besondere Regelung besteht für Motoren mit Hilfseinrichtungen oder seriennahen Umbauten, zum Beispiel mit von der Serie abweichenden Wellendichtringen für spezielle Temperaturbereiche, externer Belüftung, elektromagnetischen Bremsen, Rücklaufsperren, Tachogeneratoren, Inkrementalgebern.

Bei solchen "Serienmotoren mit Sonderausrüstung" wird weiterhin der Wirkungsgrad des Basismotors ohne An- oder Umbauteile angegeben, und nur dieser ist auch für die Klassifizierung entscheidend. Der tatsächliche Wirkungsgrad des speziellen Motors wird davon zwar mehr oder weniger abweichen, ist aber im praktischen Betrieb ja sowieso noch vielen weiteren Einflüssen unterworfen.

Entsprechend IEC 60034-30 besteht zunächst keine normative Verpflichtung, alle Motoren im Geltungsbereich auch tatsächlich zu kennzeichnen. Wenn ein Motor in den Geltungsbereich der Norm fällt, aber keine Kennzeichnung trägt, gilt seine Wirkungsgradklasse als "below standard efficiency", also niedriger als IE1.

Die Grundnorm IEC 60034-1 wird derzeit überarbeitet, um die Kennzeichnung des Wirkungsgrades und der Wirkungsgradklasse für alle Motoren im Geltungsbereich von IEC 60034-30 auf dem Leistungsschild verbindlich vorzuschreiben.

Bei allen Motoren, die nicht in den Geltungsbereich der IEC 60034-30 fallen (wie bereits erwähnt), kann zwar auf Wunsch ein Wirkungsgrad angegeben werden, es darf jedoch keine Klassifizierung und Stempelung der Wirkungsgradklasse (IE1, IE2 oder IE3) auf dem Leistungsschild erfolgen.

Darüber hinaus ist die Angabe eines Wirkungsgrades beispielsweise für Maschinen, die im Schaltbetrieb betrieben werden, technisch und ökonomisch nicht sinnvoll.

Ausgeschlossen sind damit insbesondere auch alle Motoren, die keine Drehstrom-Asynchronmotoren sind, beispielsweise Motoren mit Permanentmagneten. Es ist allerdings absehbar, dass manche Hersteller solcher Antriebe eine werbliche Aussage im Sinne von "ähnlich IE3" machen werden.

Im für die Norm IEC 60034-30 zuständigen Normungsgremium IEC/TC 2/WG 31 wird daher erwogen, den Anwendungsbereich der Norm bei der nächsten Überarbeitung in einigen Jahren auf Permanentmagnet-Motoren zu erweitern.

Ebenfalls ist bereits absehbar, dass manche Hersteller mit werbungsmäßigen Aussagen im Sinne von "entspricht IE4" arbeiten werden, obwohl die Klasse IE4 noch nicht im Detail definiert ist. Mit dieser Werbeaussage soll dann darauf hingewiesen werden, dass der Motor die Anforderungen von Premium Efficiency (IE3) deutlich übertrifft.

Nach der Norm IEC 60034-30 ist für Standardmotoren (IE1) die Anwendung eines Messverfahrens mit "geringer oder mittlerer Unsicherheit" gemäß Tabelle 2 der Messnorm IEC 60034-2-1 vorgeschrieben. Bei High- und Premium-Motoren (IE2 und IE3) muss ein Verfahren mit "geringer Unsicherheit" aus dieser Tabelle gewählt werden.

In der Praxis empfiehlt es sich aber generell, die Messung nach Abschnitt 8.2.2.5.1 ("PLL determined from residual loss") durchzuführen. Ein entsprechendes Verfahren ist auch bei Abnahmen für den nordamerikanischen Markt (USA, Kanada, Mexiko) durch die dortige Gesetzgebung vorgeschrieben (entsprechend IEEE 112B).

Zur Absicherung der angegebenen Wirkungsgrades ist genauso zu verfahren, wie auch bisher schon bei allen Bemessungsdaten nach IEC 60034-1 üblich. Das heißt, der Hersteller macht mindestens eine Abnahmemessung an mindestens einem Exemplar eines jeden Motortyps, also je Polpaarzahl, Leistung, Frequenz und Wirkungsgradklasse.

Sonderausführungen von Serienmotoren (zum Beispiel mit Bremse, mit Rücklaufsperre, mit Viton-Dichtringen, mit Tachogenerator, mit Inkrementalgeber, mit Fremdlüfter, mit direkt angebautem Getriebe unterschiedlichen Typs und unterschiedlicher Untersetzung) müssen nicht gesondert gemessen werden, sondern erhalten die Stempelung des Basis-Motors.

Die Norm IEC 60034-30 fordert, dass die Motoren der späteren Serienproduktion im Mittel den gestempelten Wirkungsgrad erreichen. Nur für einzelne Exemplare gilt die Toleranz nach IEC 60034-1, das heißt -15 % auf die Verluste für Maschinen bis einschließlich 150 kW und -10 % darüber.

Anders als die gesetzlichen Bestimmungen beispielsweise in den USA, Kanada und anderen Ländern enthält die Norm IEC 60034-30 keine Anforderung an statistische Messungen von mehreren Exemplaren der gleichen Ausführung. Auch die künftigen Ausführungsbestimmungen zur EuP-Richtlinie werden hierzu keine weiteren Festlegungen erhalten. Es ist dem Hersteller daher freigestellt, wie er die Erreichung des mittleren Wirkungsgrades in der Serienproduktion sicherstellt. Empfehlenswert ist sicherlich die Kontrollmessung einzelner Exemplare im Laufe eines längeren Produktionszeitraums. Allerdings plant die Europäische Kommission eine verstärkte Marktüberwachung durch die Aufsichtsbehörden in den einzelnen Mitgliedsländern In Deutschland sind hierfür die Gewerbeaufsichtsämter zuständig.

Bestimmungen zu Mindestwirkungsgraden

In IEC 60034-30 werden die Anforderungen der Wirkungsgradklassen international einheitlich harmonisiert. Die Norm bestimmt nicht, welche Motoren mit welchen Mindestwirkungsgraden geliefert werden müssen. Dies ist Sache der jeweiligen nationalen Gesetzgebung und wird von Land zu Land unterschiedlich gehandhabt.

Bestimmungen für Mindestwirkungsgrade von Drehstrom-Asynchronmotoren existieren heute bereits in vielen Ländern (unter anderem in den USA, Kanada, China, Mexiko, Brasilien, Australien, Süd-Korea). Viele weitere Länder haben entsprechende Vorschriften für die nahe Zukunft angekündigt (unter anderem Südafrika).

In Europa wird im Rahmen der Einführung der EuP-Richtlinie 2005/32/EG (Eco-Design Requirements for Energy Using Products) ebenfalls über die verbindliche Einführung von Mindestwirkungsgraden diskutiert. Nach aktuellem Stand (Oktober 2008) ist damit zu rechnen, dass zunächst zwischen 2010 und 2011 die Wirkungsgradklasse IE2 (High Efficiency) verbindlich eingeführt wird und die Anforderungen einige Jahre später zumindest für am Netz betriebene Motoren auf IE3 (Premium-Efficiency) angehoben werden.

Es ist wichtig zu beachten, dass nicht alle Motorausführungen im Geltungsbereich der Norm IEC 60034-30 auch von den nationalen Mindestwirkungsgradvorschriften betroffen sind.

Beispielsweise sind explosionsgeschützte Motoren in Nordamerika, Australien, Südafrika, China und anderen Ländern in die Vorschriften zur Einhaltung eines Mindestwirkungsgrades eingeschlossen. In Europa werden diese Antriebe jedoch wegen anderer technischer Anforderungen mit hoher Wahrscheinlichkeit keinen Mindestwirkungsgradvorschriften unterworfen sein. Die Option zur Klassifizierung nach IEC 60034-30 besteht jedoch weiterhin.

Eine endgültige Aussage zu den kommenden europäischen Bestimmungen kann erst nach Erscheinen der Durchführungsverordnung zur EuP-Richtlinie gemacht werden, mit deren Veröffentlichung im zweiten Quartal 2009 gerechnet wird.

Voraussichtlich müssen nur diejenigen Motoren Mindestwirkungsgrade erfüllen, auf die alle folgenden Eigenschaften zutreffen:

• Dreiphasige Drehstrom-Asynchronmotoren mit 50 Hz oder 60 Hz Bemessungsfrequenz in Übereinstimmung mit IEC 60034-1
• Bemessungsspannung bis einschließlich 1 000 V
• Bemessungsleistung ab 0,75 kW bis einschließlich 375 kW
• Polpaarzahlen 2, 4 und 6
• Betriebsart S1 (Dauerbetrieb)
• Schutzart IP4x oder besser (IP5x, IP6x) nach IEC 60034-5.

Ausdrücklich von den Vorschriften für Mindestwirkungsgrade ausgenommen werden voraussichtlich:

• Motoren, die vollständig in eine Maschine integriert sind (zum Beispiel Pumpen, Lüfter, Kompressoren) und von dieser Maschine nicht getrennt werden können
• Motoren, die für den Betrieb in explosionsgefährdeten Atmosphären gebaut wurden (IEC 60079-0 und IEC 61241-1)
• Alle anderen "non-general-purpose"-Motoren, das heißt Antriebe für einen spezifischen Verwendungszwecke (zum Beispiel Rauchgasmotoren für den Betrieb in erhöhten Umgebungstemperaturen nach EN 12101-3).

Die EuP-Richtlinie wird ein Teil der CE-Kennzeichnung sein, das heißt, durch Anbringen der CE-Kennzeichnung garantiert der Hersteller die Einhaltung des gestempelten Wirkungsgrades (im Rahmen der Toleranzen nach IEC 60034-1) und die Erfüllung der Mindestwirkungsgradklasse.

Die genannten Motoren müssen ab dem noch festzulegenden Stichtag nach IEC 60034-30 gekennzeichnet werden.

Der Wirkungsgrad und die dementsprechende Klassifizierung wird von den Herstellern voraussichtlich in Eigenverantwortung durchgeführt und durch das Anbringen des CE-Kennzeichens dokumentiert.

Unter dem Vorbehalt, dass die endgültigen Festlegungen der europäischen Bestimmungen noch nicht getroffen wurden, können folgende Hinweise zur Anwendung gegeben werden:

Wie auch bei vielen anderen europäischen Richtlinien üblich, wird es eine Marktüberwachung durch unabhängige Stellen geben. In Deutschland sind dies die Gewerbeaufsichtsämter, die stichprobenartig Untersuchungen durchführen werden.

Falls ein Motor ohne CE-Kennzeichen in außereuropäische Länder exportiert werden soll, gelten lediglich die Wirkungsgradbestimmungen des Betreiberlandes, sofern vorhanden. Dies gilt auch bei indirektem Export, das heißt bei Verkauf des Motors an einen europäischen OEM, der dann seinerseits die fertige Maschine (ohne CE-Kennzeichen) ins außereuropäische Ausland exportiert.

Wenn der Motor mit CE-Kennzeichen in außereuropäische Länder exportiert werden soll, gelten die Bestimmungen der EuP-Richtlinie zusätzlich zu den möglichen Anforderungen des Betreiberlandes.

Die genauen Einführungstermine und weitere Details zur EuP-Richtlinie sind derzeit noch offen.

Wie allgemein bei der CE-Kennzeichnung üblich, gelten die neuen Bestimmungen ausschließlich für das erstmalige "Inverkehrbringen" von Produkten in Europa. Existierende Motoren in Anlagen sowie Läger bei Händlern, unabhängigen Servicewerkstätten und OEMs sind also nicht betroffen. Sie dürfen ohne Einschränkung weiter betrieben beziehungsweise verkauft werden. Ausnahme: Ein Importeur, der Motoren direkt aus dem außereuropäischen Ausland bezieht und in Europa verkauft, gilt als "Inverkehrbringer". Für ihn gelten ab dem Stichtag der Einführung der Mindestwirkungsrade die gleichen Bestimmungen wie für europäische Hersteller.

Ersatzteile werden nicht mit dem CE-Kennzeichen versehen und dürfen deshalb auch für alte Motoren beliebig weiter geliefert werden (von Händlern und OEM genauso wie vom Herstellwerk).

Wird ein Motor ohne Änderung der technischen Eigenschaften unter Beibehaltung des vorhandenen Leistungsschildes repariert, bleibt das alte CE-Zeichen weiterhin gültig, und die neuen Vorschriften für Mindestwirkungsgrade kommen nicht zur Anwendung. Dies gilt auch für den Fall einer Neuwicklung mit Originaldaten.

Wird ein Motor durch eine Reparatur so verändert, dass sich seine technischen Daten ändern und ein neues Leistungsschild ausgestellt werden muss, erfolgt die neue CE-Kennzeichnung in Verantwortung der Reparaturwerkstatt. Diese muss allen aktuellen Bestimmungen einschließlich der Mindestwirkungsgradvorschriften genügen.

Ersatzmotoren, die bereits "in Verkehr gebracht" wurden, zum Beispiel bei einem Händler, oder die in einer vom Hersteller unabhängigen Servicewerkstatt auf Lager liegen, dürfen ohne Einschränkung weiterverwendet werden.

Ersatzmotoren, die erstmalig "in Verkehr gebracht" werden, zum Beispiel vom Herstellwerk, oder von einer Service-Niederlassung des Herstellers geliefert werden, müssen ab dem Stichtag der Einführung der Mindestwirkungsgrade (IE2 etwa 2010/2011) ebenfalls die neuen Anforderungen erfüllen. Dies ist unabhängig davon, ob der Hersteller den Motor neu baut oder einen Motor von einem internen Lager verwendet.