Vortrag (PPTX - 13 MB)

Report
Energieeffiziente
Antriebssysteme
Unentdeckte Potentiale
Fachforum März 2013
Warum Energieeffizienz?
Ökonomisch
• Steigende Energiekosten
• Reduzierung des Energie- bedarf
wachsender Einfluss auf
das Betriebsergebnis
Quelle ZVEI 2009
Umwelt/ Klimawandel
• CO2 Ausstoß
• Grünes Image
Gesetzgebung
• EUP Richtlinie
(EUP Energy using Products)
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
2
Energieeffizienz Elektrische Antriebe
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 von
11 Kraftwerksblöcken der 400 MW-Klasse.
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3
Effizienzstandards und Wirkungsgrade 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
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4
Energieklassifizierung
● In der IEC 60034-30 wurden die neuen Effizienzklassen festgelegt
(IE = International Efficiency)
IE4*
Wirkungsgrad
Super Premium
Efficiency
IE3
Premium
Efficiency
IE2
High
Efficiency
Eff I
NEMA
Premium
NEMA
Energy Efficient
IE1
Standard
Efficiency
* In Abstimmung
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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)
01.01.2015
IE3 für alle Motoren von 7,5 kW bis
375kW
(oder IE2 mit Frequenzumrichter)
16.06.2011
IE2 für alle Motoren
von 0,75 kW bis
375kW
2011
2012
01.01.2017
IE3 für alle Motoren von 0,75 kW bis
375kW (oder IE2 mit Frequenzumrichter)
2013
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2014
2015
2016
2017
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Betrachtung der Life Cycle Costs
Beispiel Asynchronmotor IE2
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7
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
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Energieeinsparpotentiale
Antriebstechnik
Auswahl eines energieeffizienten
Antriebssystems
Einsatz energieeffizienter Antriebskomponenten
Elektronische Drehzahlregelung
teillastbetriebener Maschinen
Zwischenkreiskopplung
Energierückspeisung Reduktion von Harmonischen
Reduktion von Oberschwingungen
Optimierung des Bewegungsprofils
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9
Vergleich Antriebslösungen
1)
2)
3)
RAVEL Bundesamt für Konjunkturfragen 3003 Bern, Mai 1995
Ch.Pohl, J. Hesselbach,Substitution von Druckluft in der Produktion, Industrie Management 27(2011) 6, GTI Verlag
Schneider Electric
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
10
Vergleich Antriebslösungen
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
11
Einsatz energieeffizienter
Antriebskomponenten
Energiequelle
Umrichter
ηU≈97%
elektr.
Machine
ηM≈72-98%
Übertragungselemente
Arbeitsmaschine
ηÜ≈50-98%
ηges= ηU x ηM x ηÜ
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12
Wirkungsgrade Übertragungselemente
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
13
Beispiel: Optimierung Motor / Getriebe
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
14
Beispiel: Optimierung Motor / Getriebe
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
15
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“
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16
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“
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Energieklassifizierung
● In der IEC 60034-30 wurden die neuen Effizienzklassen festgelegt
(IE = International Efficiency)
IE4*
Wirkungsgrad
Super Premium
Efficiency
IE3
Premium
Efficiency
IE2
High
Efficiency
Eff I
NEMA
Premium
NEMA
Energy Efficient
IE1
Standard
Efficiency
* In Abstimmung
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Wirkungsgradklassen nach IEC 60034-30
vs. Synchronmotor
Quelle: ZVEI
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IE3 oder IE2 mit Frequenzumrichter
Vergleich Netz zu Umrichterbetrieb
Messung cosφ
● Ergebnis
● cosφ verändert sich massiv im Teillast Bereich
● cosφ ist somit lastabhängig!
● Angaben auf dem Typenschild gelten für den
Nennbetriebspunkt
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Energieeffizienz ATV32 + BMP-Motor
● Asynchronmotor Netzbetrieb
● BMP + FU
●
●
●
●
●
Permanentmagnet Motor
Getriebelos
Wirkungsgrad >0,90
Leerlauf: 15 Watt
Bemessungslast: 100 Watt
●
●
●
●
Getriebe: i = 17
Wirkungsgrad 0,40
Leerlauf: 110 Watt
Bemessungslast : 180 Watt
● Last
● Drehmoment: 3,1 Nm
● Drehzahl 180 U/min
● Bemessungsleistung: 64 Watt
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21
Energieeffizienz ATV32 + BMP-Motor
● Synchronmotor
●
●
●
●
●
●
●
●
●
Hoher Wirkungsgrad
Getriebelos
Kein Öl
Kompakt
Leise
Weniger Wartung
Weniger Lärm
Kleinere Bauform
Häufig spez. Bauformen
● Asynchronmotor mit Getriebe
●
●
●
●
●
●
Niedriger Wirkungsgrad
Getriebe
Öl
groß
Laut
Lüfter
● billig
● Standard – Motor
● Netzbetrieb möglich
● Teurer
● Nur Umrichterbetrieb möglich
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elektr. Drehzahlregelung
Energiequelle
Umrichter
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
elektr.
Machine
Übertragungselemente
Arbeitsmaschine
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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
Kompressoren
30 %
Pumpen
20 %
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Sonstiges
37 %
Ventilation
13 %
24
Was sind „Durchfluss-Anwendungen“ ?
Pumpen
Kompressor
Lüfter
● Wie werden diese Applikationen betrieben und geregelt?
● Konventionell über Drosselklappe oder Drallregler
● Ressourcen schonend über Frequenzumrichter
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25
Frequenzumrichter bei Pumpen & Lüftern
Die Leistungskurve (Lüfter)
Installation Frequenzumrichter :
- Veränderung des Durchflusses durch Änderung der Motorgeschwindigkeit
Durchflussregelung : 80% des
Nenndurchfluss
 Auslassventil
Die Leistungsaufnahme beträgt 98% der
Nennleistung
 Frequenzumrichter
Die Leistungsaufnahme beträgt <50% der
Nennleistung
Leistung
100 %
90 %
80 %
70 %
60 %
50 %
40 %
30 %
 Auslassventil
 Einlassventil
 FU
20 %
10 %
0%
10
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
20
30
40
50
60 70
80
90 100 Flow
26
Konventionell aufgebaute Applikation
● Drosseln, Klappen und Ventile zur Durchflussregelung
funktionieren nach folgendem Prinzip:
Brake
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 …?
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27
Frequenzumrichter bei Pumpen & Lüftern
Energieeinsparung
Durch Frequenzumrichter werden die Energiekosten um ca. 50%
gesenkt…
…obwohl der
Frequenzumricht
er selber einen
schlechteren
Wirkungsgrad
hat, im Vergleich
zu einem direkt
über das Netz
versorgten
Motor.
Schneider Electric - Christian von Ehrenstein - Energy Efficiency
19/01/2010
28
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 LeistungsAufnahme zur Folge
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29
Zwischenkreiskopplung
Energiequelle
Umrichter
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
elektr.
Machine
Übertragungselemente
Arbeitsmaschine
30
Zwischenkreiskopplung
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
31
=S= Lösung DC Verbund
VW3M7101R01
VW3M7102R15
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
32
Applikation - Antriebsverbund
● Ski Poliermaschine
●
●
●
●
Bis zu 11x FUs in einer Maschine über EtherCat
Sicherheitstechnik und Feldbuskommunikation
Kompakte Bauform
DC Verbund
Schaltschrank
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
33
Applikation Antriebsverbund
3
3
3
31
13
13
3
3
Alt 2 Bremswiderstände je 3KW
Neu 1 Bremswiderstand 2KW
RB
3
3~
DS Mot
3
3~
DS Mot
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
3
3~
DS Mot
3
3~
DS Mot
3
3~
DS Mot
3
3~
DS Mot
+
-
3
3~
DS Mot
+
-
Ersatz der 1 phasigen Umrichter durch 3
phasige Umrichter
FU8
+
-
FU7
+
-
FU6
+
-
FU4
FU3
+
-
FU5
+
-
FU2
FU1
+
-
3
In der Bremsphase, ca. 20s mind.
3-4KW im Mittel weniger Leistungsaufnahme
RB
3~
DS Mot
34
Energierückspeisung
Energiequelle
Umrichter
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
elektr.
Machine
Übertragungselemente
Arbeitsmaschine
35
Energierückspeisung
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
36
=S= Lösung Energierückspeisung
Netzrückspeisemodul
Netzwechselrichter
„Active Front End“
Netz
AFE‘s
DC-Schiene
FUs
Motoren
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
37
Reduktion von Netzoberschwingungen
Energiequelle
Umrichter
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
elektr.
Machine
Übertragungselemente
Arbeitsmaschine
38
Harmonische
Wie entstehen Harmonische oder
Oberschwingungen?
Harmonische entstehen durch nicht sinusförmige
Ströme der Verbraucher wie z.B. Gleichrichter.
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39
=S= Lösung Harmonische
ATV212
Low Harmonic
Technologie
… der HVAC Umrichter für Gebäude
2
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
40
=S= Lösung Harmonische
Angebot besteht aus:
● LH Drive System von 55 bis 630kW
“ATV61EXC●●●N4H”
● 400V, 50/60Hz
● Schutzart IP23 und IP54
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41
ATV61 Low Harmonic
4Q Rectifier
B6- IGBT bridge
Converter
B6- IGBT bridge
L1
L2
L3
U
V
W
Motor cos j =1
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
t
t
t
t
Generator cos j = -1
42
Reduktion von Harmonischen
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43
Optimierung des Bewegungsprofils
Energiequelle
Umrichter
ηU≈97%
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elektr.
Machine
ηM≈72-98%
Übertragungselemente
Arbeitsmaschine
ηÜ≈50-98%
44
Der Ansatz von Schneider
Electric
für Mid- & High PerformanceMaschinen
● Bestimmen sie den
Footprint
● In
Energy
Ihrer Maschine!
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/EnergyDie Qualität der Simulationsergebnisse ist abhängig davon, in welchem Umfang für Verbraucher der
geplanten Maschinen Bibliotheksbausteine parametriert werden.
Dashboard
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
45
Mehrwert für
Maschinenbetreiber
● Mit Simulation kann
Energy [kW]
100
vor Bau der Maschine
ein geschwindigkeitsabhängiger EnergyFootprint bestimmt
werden
● Kunden haben die
Möglichkeit, Maschinen
vor Kauf zu vergleichen
40
600
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
● Kunden verfügen über
Daten für die
energetische optimale
1000 Speed
Auslegung der
Geschwindigkeit ihrer46
[cycle/min]
Mehrwert für
Maschinenbetreiber
EEfficiency vs. Performance
Einfluss der Geschwindigkeit auf den Energieverbrauch
4,7A
22,8A
double cycle time
120 Takte/min
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
60 Takte/min
47
Ende
Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
49

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