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Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis der umgewandelten, nutzbaren Energie, bzw. Leistung zur eingesetzten Energie, bzw. Leistung. Damit ist der energetische Wirkungsgrad eine Quantifizierung der Energieeffizienz.
Der Wirkungsgrad wird allgemein mit dem griechischen Buchstaben η (eta) angegeben und in der Regel als Dezimalwert oder in Prozent angegeben. Da die umgewandelte Energie durch entstehende Leistungsverluste immer geringer ist als die zugeführte Energie, ist der Wirkungsgrad immer kleiner als 1, bzw. 100%.
Beispiel: Ein Elektromotor, der aus einer zugeführten elektrischen Leistung von 1 kW eine mechanische Leistung von 0,95 kW erzeugt, hat einen Wirkungsgrad von 0,95, bzw. 95 %. Folglich werden also 95 % der zugeführten elektrischen Leistung in eine mechanische Leistung (Drehmoment) umgewandelt. Die verbleibenden 5 % beziffern die Verlustleistung, die z.B. durch Wärme entsteht.
Wirkungsgrade können auch für komplexe Anlagen ermittelt werden, die aus mehreren verschiedenen Komponenten bestehen. In der Gesamtbetrachtung aller Komponenten spricht man dabei vom Systemwirkungsgrad.
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Wirkungsgrade werden durch eine Formel berechnet, deren Zähler die abgegebene, bzw. genutzte Energie (Ex) und der Nenner die zugeführte Energie (Ey) beschreibt. Ebenso kann der Wirkungsgrad mit der abgegebenen, bzw. genutzten Leistung (Px) im Verhältnis zur zugeführten Leistung (Py) berechnet werden.
Energiewandler, wie z.B. Elektromotoren, wandeln zugeführte elektrische Energie um in mechanische Bewegungsenergie. Durch immer auftretende Leistungsverluste, z.B. durch Reibung oder elektrische Widerstände, kann der Wirkungsgrad nach dem Energieerhaltungssatz nie bei 1, bzw. 100 % oder gar darüber liegen.
Finden beispielsweise in komplexen Anlagen mehrere Umwandlungen hintereinander statt, bildet das Produkt der Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten den Systemwirkungsgrad (ηsys):
ηsys = η1 x η2 x η3 ...
Besonders für komplexe technische Maschinen und Anlagen, bei denen mehrere Umwandlungen hintereinander stattfinden, gilt der Systemwirkungsgrad als entscheidende Größe zur Bewertung der Energieeffizienz. Jede einzelne Komponente des Systems, in der eine Energieumwandlung stattfindet, hat durch den auftretenden Leistungsverlust ihren eigenen Wirkungsgrad. Für einen möglichst energieeffizienten Betrieb der gesamten Anlage sollte daher der Systemwirkungsgrad möglichst hoch sein. Für die Bewertung einer Anlage hinsichtlich ihrer Energieeffizienz sollte der Wirkungsgrad bezogen auf die konkrete Anwendung und Einbausituation betrachtet werden.
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Neben der Beschaffenheit der Komponenten kann sich auch die Betriebsart auf den Wirkungsgrad einer Maschine auswirken. So kann beispielsweise ein Elektromotor unterschiedliche Wirkungsgrade in Voll- oder Teillastbetrieb realisieren. Demzufolge sollten für einen durchgängig energieeffizienten Betrieb einer Maschine sowohl der Voll- als auch der Teillastbereich berücksichtigt werden. Wird beispielsweise eine Lüftungsanlage mit einem EC-Motor betrieben, kann die Drehzahl präzise den gewünschten Anforderungen angepasst und somit der Energieverbrauch deutlich reduziert werden.
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Grundsätzlich besteht bei elektrischen Antrieben ein hohes Energiesparpotenzial. Besonders in Anwendungsbereichen, in denen Produktionsmaschinen, Lüftungsanlagen oder andere technische Anlagen im Dauerbetrieb laufen, können sich Energieeinsparungen erheblich zugunsten des Betreibers auswirken. Ein weltweit einheitlicher Energieeffizienzstandard wurde von der International Electrotechnical Commission (IEC) in der Norm IEC 60034-30 definiert. Diese unterscheidet elektrische Antriebe nach ihrer Effizienzklasse IE1 bis IE5:
| IE1 | Standard Efficiency | In Europa nicht mehr zulässig |
| IE2 | High Efficiency | IE2 in Europa nur mit Frequenzumrichter zulässig |
| IE3 | Premium Efficiency | Elektromotoren mit standardmäßigem Wirkungsgrad |
| IE4 | Super Premium Efficiency | Elektromotoren mit besonders hohem Wirkungsgrad |
| IE5 | Ultra Premium Efficiency | z.B. Synchronreluktanz-Motoren |
ECblue von ZIEHL-ABEGG erfüllt Wirkungsgradklasse IE5 - perfekt für Neubau von Lüftungsanlagen oder Modernisierung im Retrofit!
Wirkungsgrad η in %
Leistung in W
ECblue Motor
AC Motor 3~
AC Motor 1~
Die Möglichkeiten, den Wirkungsgrad von Energiewandlern zu erhöhen, sind grundsätzlich von verschiedenen Faktoren abhängig. Am Beispiel des Elektromotors beeinflussen den Wirkungsgrad mitunter folgende Aspekte:
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