Energieeffiziente Antriebssysteme
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Energieeffiziente Antriebssysteme Unentdeckte Potentiale
Fachforum März 2013
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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
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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
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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
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5Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
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
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6Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
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)
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7Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Betrachtung der Life Cycle CostsBeispiel Asynchronmotor IE2
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8Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
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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9Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
EnergieeinsparpotentialeAntriebstechnik
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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10Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
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
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11Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Vergleich Antriebslösungen
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12Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Einsatz energieeffizienter Antriebskomponenten
Energiequelle Umrichter elektr. Machine ArbeitsmaschineÜbertragungs-
elemente
ηÜ≈50-98%
ηM≈72-98%
ηU≈97%
ηges= ηU x ηM x ηÜ
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13Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Wirkungsgrade Übertragungselemente
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14Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Beispiel: Optimierung Motor / Getriebe
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15Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Beispiel: Optimierung Motor / Getriebe
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16Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
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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17Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
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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18Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
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
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19Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Wirkungsgradklassen nach IEC 60034-30 vs. Synchronmotor
Quelle: ZVEI
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20Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
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
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21Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
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
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22Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
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
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23Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
elektr. Drehzahlregelung
Energiequelle Umrichter elektr. Machine ArbeitsmaschineÜbertragungs-
elemente
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24Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
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 %
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25Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
●Wie werden diese Applikationen betrieben und geregelt?● Konventionell über Drosselklappe oder Drallregler ● Ressourcen schonend über Frequenzumrichter
LüfterKompressorPumpen
Was sind „Durchfluss-Anwendungen“ ?
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26Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Frequenzumrichter bei Pumpen & Lüftern Die Leistungskurve (Lüfter)
Installation Frequenzumrichter :- Veränderung des Durchflusses durch Änderung der Motorgeschwindigkeit
Leistung
100 %
90 %
80 %
70 %
60 %
50 %
40 %
30 %
20 %
10 %
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
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27Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
●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 …?
Brake
Konventionell aufgebaute Applikation
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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.
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29Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
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
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30Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Zwischenkreiskopplung
Energiequelle Umrichter elektr. Machine ArbeitsmaschineÜbertragungs-
elemente
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31Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Zwischenkreiskopplung
![Page 32: Energieeffiziente Antriebssysteme](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022062310/568160a6550346895dcfc807/html5/thumbnails/32.jpg)
32Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
=S= Lösung DC Verbund
VW3M7101R01VW3M7102R15
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33Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Applikation - Antriebsverbund
●Ski Poliermaschine● Bis zu 11x FUs in einer Maschine über EtherCat● Sicherheitstechnik und Feldbuskommunikation● Kompakte Bauform● DC Verbund
Schaltschrank
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34Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
FU1
3
+-
3
3 ~DS Mot
3
FU2
+-
3 ~DS Mot
3
FU3
1
+-
1
3 ~DS Mot
3
FU4
+-
3 ~DS Mot
3
FU5
1
+-
3
3 ~DS Mot
3FU
6
+-
3 ~DS Mot
3
FU7
+-
3
3 ~DS Mot
3
FU8
+-
3 ~DS Mot
3
3
RBRB
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
3 3 3
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35Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Energierückspeisung
Energiequelle Umrichter elektr. Machine ArbeitsmaschineÜbertragungs-
elemente
![Page 36: Energieeffiziente Antriebssysteme](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022062310/568160a6550346895dcfc807/html5/thumbnails/36.jpg)
36Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Energierückspeisung
![Page 37: Energieeffiziente Antriebssysteme](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022062310/568160a6550346895dcfc807/html5/thumbnails/37.jpg)
37Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
=S= Lösung Energierückspeisung
DC-Schiene
Netz
AFE‘s
FUs
Motoren
Netzwechselrichter„Active Front End“
Netzrückspeise-modul
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38Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Reduktion von Netzoberschwingungen
Energiequelle Umrichter elektr. Machine ArbeitsmaschineÜbertragungs-
elemente
![Page 39: Energieeffiziente Antriebssysteme](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022062310/568160a6550346895dcfc807/html5/thumbnails/39.jpg)
39Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Wie entstehen Harmonische oder Oberschwingungen?
Harmonische entstehen durch nicht sinusförmige Ströme der Verbraucher wie z.B. Gleichrichter.
Harmonische
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40Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
=S= Lösung Harmonische
2
ATV212Low Harmonic Technologie
… der HVAC Umrichter für Gebäude
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41Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Angebot besteht aus:● LH Drive System von 55 bis 630kW
“ATV61EXC●●●N4H”● 400V, 50/60Hz● Schutzart IP23 und IP54
=S= Lösung Harmonische
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42Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
ATV61 Low Harmonic
L1 UL2 VL3 W
4Q RectifierB6- IGBT bridge
Converter B6- IGBT bridge
t
t
Generator cos j = -1
t
t
Motor cos j =1
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43Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Reduktion von Harmonischen
![Page 44: Energieeffiziente Antriebssysteme](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022062310/568160a6550346895dcfc807/html5/thumbnails/44.jpg)
44Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Optimierung des Bewegungsprofils
Energiequelle Umrichter elektr. Machine ArbeitsmaschineÜbertragungs-
elemente
ηÜ≈50-98%
ηM≈72-98%
ηU≈97%
![Page 45: Energieeffiziente Antriebssysteme](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022062310/568160a6550346895dcfc807/html5/thumbnails/45.jpg)
45Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
●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.
![Page 46: Energieeffiziente Antriebssysteme](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022062310/568160a6550346895dcfc807/html5/thumbnails/46.jpg)
46Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Mehrwert für Maschinenbetreiber
1000
100
600
40
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
![Page 47: Energieeffiziente Antriebssysteme](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022062310/568160a6550346895dcfc807/html5/thumbnails/47.jpg)
47Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
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
![Page 48: Energieeffiziente Antriebssysteme](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022062310/568160a6550346895dcfc807/html5/thumbnails/48.jpg)
49Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz
Ende