Energieeffiziente Antriebssysteme Unentdeckte Potentiale Fachforum März 2013.

Energieeffiziente Antriebssysteme Unentdeckte Potentiale

Fachforum März 2013

Schneider Electric 2- elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz

Warum Energieeffizienz?

Ökonomisch• Steigende Energiekosten• Reduzierung des Energie-

- bedarf

wachsender Einfluss auf das Betriebsergebnis

Umwelt/ Klimawandel• CO2 Ausstoß• Grünes Image

Gesetzgebung• EUP Richtlinie

(EUP Energy using Products)

Quelle ZVEI 2009

Schneider Electric 3- elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz

Energie- Einsparpotentiale (Deutschland):

● 5,5 Milliarden KWh oder 3,4 Millionen Tonnen CO2 durch den vermehrten Einsatz von Energiesparmotoren.

● 22 Milliarden KWh oder 13,5 Millionen Tonnen CO2 durch den vermehrten Einsatz von Frequenzumrichtern zur elektronischen Drehzahlregelung.

Das entspräche einer Einsparung von11 Kraftwerksblöcken der 400 MW-Klasse.

Energieeffizienz Elektrische Antriebe

4Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz

Effizienzstandards und Wirkungs-grade für Drehstrommotoren

●IEC 60034-2-1● Definiert die Vorgehensweise bei der Bestimmung der Wirkungsgrade

●IEC 60034-30● Definiert die Wirkungsgradklassen neu und vereinheitlicht die bisher unterschiedlichen Ländervorschriften

●ErP-Richtlinie 2009/125/EG (Energie related Products)● Legt fest, welche Wirkungsgradklassen gem. IEC 60034-30 in Europa

(inkl. Schweiz) eingesetzt werden dürfen

Energieklassifizierung

●In der IEC 60034-30 wurden die neuen Effizienzklassen festgelegt (IE = International Efficiency)

Wirkungsgrad

Eff IIE1

Standard Efficiency

IE2High

Efficiency

IE3Premium Efficiency

NEMAEnergy Efficient

NEMAPremium

IE4*Super Premium

Efficiency

* In Abstimmung

Normen und gesetzliche Grundlagen

Standardisierung der Energieeffizienz Motoren in Europa• Verordnung EG 640/2009 zur Durchführung der EuP Richtlinie

2005/32/EG (EuP = Energy using Product)

2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

16.06.2011IE2 für alle Motoren von 0,75 kW bis 375kW

01.01.2015IE3 für alle Motoren von 7,5 kW bis 375kW (oder IE2 mit Frequenzumrichter)

01.01.2017IE3 für alle Motoren von 0,75 kW bis 375kW (oder IE2 mit Frequenzumrichter)

Betrachtung der Life Cycle CostsBeispiel Asynchronmotor IE2

Investitionszuschüsse zum Einsatz hocheffizienter Querschnittstechnologien im Mittelstand

- Elektrische Motoren und Antriebe förderfähig- 5.000€ - 30.000€ je Antragsteller

http://www.bafa.de/bafa/de/energie/querschnittstechnologien/index.html

Broschüre

EnergieeinsparpotentialeAntriebstechnik

Auswahl eines energieeffizienten Antriebssystems

Einsatz energieeffizienter Antriebskomponenten

Elektronische Drehzahlregelung teillastbetriebener Maschinen

Zwischenkreiskopplung

Energierückspeisung Reduktion von Harmonischen

Reduktion von Oberschwingungen

Optimierung des Bewegungsprofils

Vergleich Antriebslösungen

1) RAVEL Bundesamt für Konjunkturfragen 3003 Bern, Mai 19952) Ch.Pohl, J. Hesselbach,Substitution von Druckluft in der Produktion, Industrie Management 27(2011) 6, GTI Verlag3) Schneider Electric

Vergleich Antriebslösungen

Einsatz energieeffizienter Antriebskomponenten

Energiequelle Umrichter elektr. Machine ArbeitsmaschineÜbertragungs-

elemente

ηÜ≈50-98%

ηM≈72-98%

ηU≈97%

ηges= ηU x ηM x ηÜ

Wirkungsgrade Übertragungselemente

Beispiel: Optimierung Motor / Getriebe

Energieeffizienz Motoren• Motoren verbrauchen die Hälfte der insgesamt erzeugten elektrischen Energie 1)

• Motoren im Leistungsbereich bis 10KW haben in Summe den größten Anteil am Stromverbrauch 1)

1) Quelle VDE „Effiziens- und Energiesparpotentiale elektrischer Energie in Deutschland“

Energieeffizienz Motoren

- IE4 „Super Premium“ von 0,1-10kW ökonomisch und technisch sinnvoll (VDE) 1)

- Wirkungsgradverbesserung nicht mit Käfigläufern möglich

permanenterregte Synchronmaschine (PMSM) mit Frequenzumrichter

1) Quelle VDE „Effiziens- und Energiesparpotentiale elektrischer Energie in Deutschland“

Energieklassifizierung

●In der IEC 60034-30 wurden die neuen Effizienzklassen festgelegt (IE = International Efficiency)

Wirkungsgrad

Eff IIE1

Standard Efficiency

IE2High

Efficiency

IE3Premium Efficiency

NEMAEnergy Efficient

NEMAPremium

IE4*Super Premium

Efficiency

* In Abstimmung

Wirkungsgradklassen nach IEC 60034-30 vs. Synchronmotor

Quelle: ZVEI

IE3 oder IE2 mit Frequenzumrichter

Messung cosφ

●Ergebnis● cosφ verändert sich massiv im Teillast Bereich ● cosφ ist somit lastabhängig! ● Angaben auf dem Typenschild gelten für den

Nennbetriebspunkt

Vergleich Netz zu Umrichterbetrieb

Energieeffizienz ATV32 + BMP-Motor

●BMP + FU●Permanentmagnet Motor●Getriebelos●Wirkungsgrad >0,90●Leerlauf: 15 Watt●Bemessungslast: 100 Watt

●Asynchronmotor Netzbetrieb● Getriebe: i = 17● Wirkungsgrad 0,40● Leerlauf: 110 Watt● Bemessungslast : 180 Watt

●Last● Drehmoment: 3,1 Nm● Drehzahl 180 U/min● Bemessungsleistung: 64 Watt

Energieeffizienz ATV32 + BMP-Motor

●Synchronmotor

● Hoher Wirkungsgrad● Getriebelos ● Kein Öl● Kompakt● Leise● Weniger Wartung● Weniger Lärm● Kleinere Bauform● Häufig spez. Bauformen

● Teurer ● Nur Umrichterbetrieb möglich

●Asynchronmotor mit Getriebe

● Niedriger Wirkungsgrad● Getriebe● Öl● groß● Laut● Lüfter

● billig● Standard – Motor● Netzbetrieb möglich

elektr. Drehzahlregelung

elemente

Entdecken Sie Ihre Möglichkeiten

●Reduktion der benötigten Energie● Ein Großteil der benötigten Energie (275 Mrd. kWh)

wird für den Betrieb von Motoren verwendet

● 63% dieser benötigten Energie (183 Mrd. kWh) wird für «Durchfluss - Anwendungen» von Medien wie Wasser oder Luft aufgewendet

Ventilation13 %

Kompressoren30 %

Pumpen20 %

Sonstiges37 %

●Wie werden diese Applikationen betrieben und geregelt?● Konventionell über Drosselklappe oder Drallregler ● Ressourcen schonend über Frequenzumrichter

LüfterKompressorPumpen

Was sind „Durchfluss-Anwendungen“ ?

Frequenzumrichter bei Pumpen & Lüftern Die Leistungskurve (Lüfter)

Installation Frequenzumrichter :- Veränderung des Durchflusses durch Änderung der Motorgeschwindigkeit

Leistung

0 % 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Flow

Durchflussregelung : 80% des Nenndurchfluss AuslassventilDie Leistungsaufnahme beträgt 98% der Nennleistung Frequenzumrichter

Die Leistungsaufnahme beträgt <50% der Nennleistung

Auslassventil Einlassventil FU

●Drosseln, Klappen und Ventile zur Durchflussregelung funktionieren nach folgendem Prinzip:

Angenommen Sie regeln die Geschwindigkeit ihres Autos, indem Sie mit Ihren rechten Fuß immer auf das Gaspedal voll durchtreten, während Sie mit dem linken Fuß das Bremspedal betätigen, um die Schnelligkeit zu regulieren.

Fahren Sie so Auto …?

●Genau dies passiert aber in konventionell aufgebaute Applikation!

Die durch Pumpen und Lüfter mit konstanter Drehzahl teuer erzeugte Strömungsenergie wird durch Drosseln, Klappen und Ventile teilweise wieder vernichtet.

Macht das Sinn …?

Konventionell aufgebaute Applikation

28Schneider Electric - Christian von Ehrenstein - Energy Efficiency 19/01/2010

Frequenzumrichter bei Pumpen & LüfternEnergieeinsparung

Durch Frequenzumrichter werden die Energiekosten um ca. 50% gesenkt…

…obwohl der Frequenzumrichter selber einen schlechteren Wirkungsgrad hat, im Vergleich zu einem direkt über das Netz versorgten Motor.

Energie Effizienz

●Es ist Physik: zentrifugal Pumpen und Lüftern;● Der Durchfluss ist proportional zur Drehzahl● Die Leistungsaufnahme ist proportional zur 3. Potenz der Drehzahl

Eine kleine Drehzahlreduzierung hat eine signifikante Reduzierung der Leistungs- Aufnahme zur Folge

elemente

=S= Lösung DC Verbund

VW3M7101R01VW3M7102R15

Applikation - Antriebsverbund

●Ski Poliermaschine● Bis zu 11x FUs in einer Maschine über EtherCat● Sicherheitstechnik und Feldbuskommunikation● Kompakte Bauform● DC Verbund

Schaltschrank

3 ~DS Mot

Alt 2 Bremswiderstände je 3KW

Neu 1 Bremswiderstand 2KWErsatz der 1 phasigen Umrichter durch 3 phasige Umrichter

In der Bremsphase, ca. 20s mind. 3-4KW im Mittel weniger Leistungs- aufnahme

Applikation Antriebsverbund

Energierückspeisung

elemente

Energierückspeisung

=S= Lösung Energierückspeisung

DC-Schiene

AFE‘s

Motoren

Netzwechselrichter„Active Front End“

Netzrückspeise-modul

Reduktion von Netzoberschwingungen

elemente

Wie entstehen Harmonische oder Oberschwingungen?

Harmonische entstehen durch nicht sinusförmige Ströme der Verbraucher wie z.B. Gleichrichter.

Harmonische

=S= Lösung Harmonische

ATV212Low Harmonic Technologie

… der HVAC Umrichter für Gebäude

Angebot besteht aus:● LH Drive System von 55 bis 630kW

“ATV61EXC●●●N4H”● 400V, 50/60Hz● Schutzart IP23 und IP54

=S= Lösung Harmonische

ATV61 Low Harmonic

L1 UL2 VL3 W

4Q RectifierB6- IGBT bridge

Converter B6- IGBT bridge

Generator cos j = -1

Motor cos j =1

Reduktion von Harmonischen

Optimierung des Bewegungsprofils

elemente

ηÜ≈50-98%

ηM≈72-98%

ηU≈97%

●Bestimmen sie den Energy Footprint Ihrer Maschine!

● In der Design-Phase: Simulation* des Energieverbrauchs mit

Bibliotheksbausteinen, ohne angeschlossene Geräte oder Antriebe!

● Im realen Produktionsbetrieb: Messung des Energieverbrauchs mit

integrierter Messtechnik, online Monitoring mit Bibliotheksbausteinen/Energy-Dashboard

Der Ansatz von Schneider Electric für Mid- & High Performance-Maschinen

(*) Die Qualität der Simulationsergebnisse ist abhängig davon, in welchem Umfang für Verbraucher der geplanten Maschinen Bibliotheksbausteine parametriert werden.

Mehrwert für Maschinenbetreiber

Speed [cycle/min]

Energy [kW]● Mit Simulation kann vor

Bau der Maschine ein geschwindig- keitsabhängiger Energy-Footprint bestimmt werden

● Kunden haben die Möglichkeit, Maschinen vor Kauf zu vergleichen

● Kunden verfügen über Daten für die energetische optimale Auslegung der Geschwindigkeit ihrer geplanten Produktionslinie

EEfficiency vs. Performance

Einfluss der Geschwindigkeit auf den Energieverbrauch

double cycle time

120 Takte/min 60 Takte/min

Mehrwert für Maschinenbetreiber

22,8A 4,7A

Energieeffiziente Antriebssysteme Unentdeckte Potentiale Fachforum März 2013.

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