1 |

Energieeinsparen mit Frequenzumrichtern wichtige Hinweise zur Projektierung in der Wassertechnik

Industrial Forum HMI2016

www.vlt.de

2 |

Agenda

• zukunftssicher und energieeffizient

durch die richtige Wahl der

Motortechnologie

• IE/IES Klassen nach EN50598, mit

dem ecoSmart Tool sicher und

einfach kalkulieren

• Energieeinsparpotenziale im

Gesamtsystem

3 |

Ecodesign

• Die Ecodesign Direktive ist der gesetzliche Rahmen in Europa zur Reduzierung des Energiebedarfs von Produkten

• Konkrete Maßnahme erlangen durch Verordnungen Gesetzeskraft

• Technische Details der Verordnungen beruhen oft auf technischen Standards (Normen)

• Verordnungen schreiben einzuhaltende „Mindestwirkungsgrade“ fest (Englisch: Minimum Efficiency Performance Standards)

Produkt Verordnung

(Gesetz)

Verordnung In Vorbereitung

VSD MEPS

Verordnung 640/2009/EC

Motor MEPS

Europäische Kommission

Ecodesign Direktive 2009/125/EC

Auch ErP (Energy Related Products) genannt.

Ersetzt (Energy Using Products) Direktive.

Norm bzw. Standard (Freiwillig)

Standard IEC/EN

60034-30-1

Standard EN 50598-2

In die Gesetze werden nur Teile der Standards übernommen!

4 |

Termin Leistung MEPS MEPS Alternative

16.06.2011 0,75 – 375 kW IE2 -

01.01.2015 0,75 – 7,5 kW IE2 -

7,5 – 375 kW IE3 IE2 + Umrichter

01.01.2017 0,75 – 375 kW IE3 IE2 + Umrichter

Zeitplan der MEPS Einführung Motoren

Die Verordnung (EG) Nr. 640/2009 legt fest, ab welchem Zeitpunkt in der EU nur noch Motoren mit einem Mindestwirkungsgrad in Verkehr gebracht werden dürfen:

Seit 1.1.2015 müssen Kennzeichnungen auf IE2-Motoren auf den vorgeschriebenen Betrieb mit

Frequenzumrichter hinweisen.

IE/IES-Klassen für Umrichter und Umrichter + Motor gemäß EN 50598-2 sind NICHT relevant für die Alternative “IE2 + Umrichter”

5 |

Mit dem Hintergrund der Energieeffizienz werden die neuen Motortechnologien immer interessanter

www.Danfoss.com

6 |

Motortechnologien Gängige Motortechnologien:

• Induktionsmotor

• Kupferläufermotor

• PM-Motor

• Line Start-PM-Motor

• Synchron-Reluktanzmotor

Abhängig von Motortechnologie und IE-Klasse können sich

• Motorabmessungen,

• Start-, Anlauf- und Nennmoment,

• Nenndrehzahl,

• Anlaufstrom,

• Verhalten am Umrichter

unterscheiden

Die Danfoss Broschüre beschreibt Vor- und Nachteile der gängigsten Motortechnologien

7 |

Was ist in der Praxis zu beachten?

www.Danfoss.com

8 |

Praxis Problem I Abmessungen

• Hoch effiziente Motoren können unterschiedliche Baugrößen haben

• Induktionsmotoren können

• länger oder eine Baugröße größer

werden

• PM- und Kupferrotormotoren sind oft in einer Baugröße kleiner verfügbar

Originalmotor Neuer Motor

Originalmotor Neuer Motor

Kleinerer Motor

Längerer Motor

Originalmotor Neuer Motor

Größerer Motor

9 |

Praxis Problem II Momente und Ströme Unterschiedliche Motortechnologien bedeuten verschiedene Drehmoment-, Strom- und Drehzahlcharakteristiken

Kupferläufermotoren haben oft

• höheren Anlaufstrom

• höheres Anlaufmoment

Line Start-PM-Motoren haben oft starke

Momentstöße während des Anlaufs

Beim Wechsel der Motortechnologie die

elektrische und mechanische Auslegung

(Momente, Sicherung, Kabel,…) prüfen!

Abhilfe: Frequenzumrichter

Beispiel zur Illustration: Anlaufverhalten Line Start PM Motor (LSPM) im Vergleich mit einem Induktionsmotor (IM)

Zeit [ms] 0 100 50 150 200 250 300

0

25

50

75

100

125

150

175

Moment [Nm]

IM

-25

LSPM

10 |

Praxis Problem III Energieeffizienz

Angegebene Wirkungsgrade können selten im Feld nachvollzogen werden:

• Messungenauigkeiten

• Fertigungstoleranzen

• Höhere Wirkungsgrade führen oft zu höheren Nenndrehzahlen

• Höhere Drehzahl resultiert in höherer Leistung

• Höhere Leistung resultiert aus unterschiedlichen Wirkungsgrad

Abhilfe: Frequenzumrichter

• Motoren laufen nur sehr selten mit Nennlast

Änderung der Drehzahl beeinflusst Leistungsaufnahme.

Drehzahl [UPM] 0 750 1500 2250 3000

0

25

50

75

100

125

Original- motor

Neuer Motor

Leistung [%]

Beispiel: Anwendung mit variablen Lastmoment

11 |

Wie stellen sie die passenden Abmessungen, Drehzahlen und hohe Energieeffizienz in neuen Anlagen, bzw. im Retrofit- oder Servicefall sicher?

www.Danfoss.com

12 |

Frequenzumrichter von Danfoss unterstützen alle gängigen Motortechnologien

Drehstromasychnron- motor

Kupferrotor

PM-Motor (Oberflächen montierte Magnete)

PM-Motor (Vergrabene Magnete)

Line Start PM-Motor

Synchronreluktanzmotor

verfügbar in den Serien FC 102, FC 202 und FC302

13 |

Einfacher Motorwechsel mit Danfoss

• SPS Programmierung kann unverändert bleiben

• Nur Anpassung der Motorparameter am Umrichter nötig

• Automatische Motoranpassung passt den Umrichter optimal an den neuen Motor, unter Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen und der Motorkabellänge an.

14 |

• Sie bleiben flexibel bei Kundenvorgaben und neuen technologischen Trends

• Einfacher Wechsel des Motorlieferanten bei Lieferengpässen und begrenzter regionaler Verfügbarkeit

• Keine Herstellerbindung durch besondere Motorbauformen

• Einfacher Retrofit auch bei engen Einbauverhältnissen

Ihr Nutzen durch die Motor-Unabhängigkeit

15 |

Ihr Nutzen durch die Motor-Unabhängigkeit

• Wirtschaftliche Ersatzteilhaltung durch wenige VLT® Varianten

• Hohe regionale und globale Verfügbarkeit

• Geringer Schulungsaufwand durch einheitliches VLT® Bedienkonzept

• Effizienter Betrieb durch AMA - berücksichtigt Motorleitungslänge - kompensiert Fertigungstoleranzen

• Einfacher Wechsel des Motors

16 |

IE/IES-Klassen nach EN50598 für Motoren, Frequenzumrichter und Systeme

www.Danfoss.com

17 |

Erweitertes Produkt

Motorsystem

Antriebssystme (PDS)

Definitionen und Geltungsbereiche gemäß EN 50598

Motorstarter (Schalter, Sanftanlaufgerät,…)

Über-setzung

Anwendung

Last-maschine

Netz & Zuleitung

Vollständiges Antriebsgerät (CDM)

(Frequenzumrichter (FU))

Einspeise- abschnitt

Hilfs- einrich-tungen

Antriebs-grund-modul (BDM)

18 |

Ecodesign für Motoren

• Die Verordnung (EG) 640/2009 und deren Ergänzung (EU) 4/2014 definiert MEPS für Elektromotoren

Betroffen sind die meisten Motoren die folgende Kriterien erfüllen:

• Leistungsbereich 0.75 – 375 kW

• Nennspannung bis 1000 V (3~)

• Betriebsart S1 oder S3 (ED > 80%)

• 2 bis 6 Pole

• Aufstellhöhe bis 4000 m

• Umgebungstemperatur bis 60°C

• Umgebungstemperatur bis -30°C bzw. 0°C für Wasser gekühlte Motoren

Scope der EU MEPS

IEC/EN 60034-30-1 IE-Klassen für Motoren

19 |

Definition IE-Klassen FU

IE-Klasse gemäß EN 50598-2

• IE0 – Unter technischen Standard

• IE1 – Technischer Standard

• IE2 – Über technischen Standard

Verluste der Klasse IE1 wurden als Referenz definiert

• +25% Verluste IE0

• -25% Verluste IE2

Verluste von Zubehör (externe EMV-Filter, Drosseln,…) fließen NICHT in die IE-Klasse ein, müssen aber dokumentiert sein, wenn sie

• 0,1% der Umrichternennleistung und

• 5W überschreiten

IE1 = Referenz

+25% Verluste

-25% Verluste

EN 50598-2 IE-Klassen für Umrichter

Danfoss VLT®

Danfoss erfüllt IE2 mit eingebauten EMV-Filtern!

20 |

Definition IES-Klasse FU+Motor

IES-Klasse gemäß EN 50598-2

• IES0 – Unter technischen Standard

• IES1 – Technischer Standard

• IES2 – Über technischen Standard

Verluste der Klasse IES1 wurden als Referenz definiert

• +20% Verluste IES0

• -20% Verluste IES2

EN 50598-2 IES-Klassen für FU+Motor

IES1 = Referenz

+20% Verluste

-20% Verluste

21 |

Bestimmung IES-Klassen FU+Motor

• IES kann nicht aus dem IE-Klassen von Umrichter und Motor abgeleitet werden: IE2Motor + IE2FU ≠ IES2

• IES-Klasse kann anhand der Verluste der Einzelkomponenten (Umrichter und Motor) bestimmt werden

• Umrichter- und Motorhersteller müssen die Verluste im Nennpunkt angeben

VerlusteMotor

VerlusteFU

VerlusteFU+Motor IES

22 |

Beispiele IES-Klasse (7,5 kW “System”)

Motor leistung IES0 IES1 IES2

3 kW > 1138 W 758 W - 1138 W < 758 W

4 kW > 1397 W 931 W - 1397 W < 931 W

5.5 kW > 1754 W 1170 W - 1754 W < 1170 W

7.5 kW > 2161 W 1441 W - 2161 W < 1441 W

11 kW > 2851 W 1901 W - 2851 W < 1901 W

15 kW > 3596 W 2398 W - 3596 W < 2398 W

• IES Verluste können gemessen oder berechnet werden

• Berechnung ermöglicht den Vergleich von Antriebssystemen, die aus Komponenten eines oder mehrerer Hersteller zusammengestellt sind.

Motor A 1045 W

+ FU B 675 W

System B 1710 W

23 |

Teillastverluste

• Aus den Teillastverlusten des Motors und des Umrichters können die Teillastverluste des System bestimmt werden

• Interpolation Methoden sind im Standard beschrieben

• Die Bereitstellung der Teillastverluste der einzelnen Komponenten ist freiwillig

Relatives Drehmoment[%]

0% 0% 100%

100%

50%

25%

50%

Relative Drehzahl [%]

24 |

Einfach smart – Danfoss ecoSmart

• neues Tool zur Berechnung von IE- bzw. IES- Klassen gemäß EN50598-2

• Daten zu Teillastverlusten unserer Frequenzumrichter

• Erstellung von Zertifikaten zu IES – Klassen mit unabhängigen Motorfabrikat

• Möglichkeit zur Berechnung benutzerdefinierter Lastpunkte

www.VLT.de http://ecosmart.danfoss.com/

25 |

Danfoss ecoSmart- Tool im Internet, Playstore und Appstore

26 |

Zeitplan & Marktrelevanz

• Der Standard EN 50598 wurde auf Anforderung von “Ecodesign” erstellt. Die Veröffentlichung erfolgte Ende 2014.

EN 50598 definiert Effizienzklassen für

• Frequenzumrichter (FU)

• „Frequenzumrichter + Motor“ Systeme

Ecodesign MEPS

• FU: IE1 erwartet in 2018 (Danfoss wird IE2 erfüllen)

• FU+Motor: noch kein fester Zeitplan

EN 50598 wird in den globalen Standard IEC 61800-9 überführt (Ziel: 2016)

27 |

Ecodesign Broschüre

• Grundlegende Erklärung von Ecodesign

• Ecodesign Anforderungen für

• Motoren

• Frequenzumrichter

• Frequenzumrichter + Motor

• Zusammenfassung von Definitionen der relevanten Standards

• Einfluss auf Kundenanwendungen

28 |

In der Antriebstechnik

• Nur eine Betrachtung des Gesamtsystems ermöglicht die Abschätzung aller Vor- und

Nachteile

29 |

Energiesparpotentiale im Gesamtsystem Unsere Spezialisten beraten Sie gern in Ihrer Gesamtapplikation. Halle 14, Stand H30

www.Danfoss.com

30 |

31 |

Bleiben Sie mit uns in Verbindung

Sign up for our newsletter Read our blog

Visit us at www.danfoss.com

Follow us on LinkedIn

Follow us on YouTube

32 |

In der Mobil- Hydraulik

Kraftstoff- Einsparung CO2 Reduktion Einhaltung der Abgasgrenzwerte

33 | CER

Wärme und Fernwärme

34 |

Effiziente Lösungen für die Kältetechnik

Chiller plate heat Microchannel heat exchanger

Inverter Drives to optimize condensation for maximum part-load efficiency

Electronic controls

High efficiency fixed speed Scrolls

High efficiency Inverter Scrolls

EXVs & TXVs

Line components

to ensure safe operation

Pressure control and regulation

Solenoid valve

Pressure Independent Balancing Valves

35 |

effiziente Danfoss Drives Produkte

36 |

Drehstromasynchron-motor am FU

Technologie

• Höhere Wirkungsgrade durch mehr aktives Material

• IE3 und IE4 erreichbar

Vorteile

• Robust und bewährt

• Direkter Anlauf am Netz möglich

Nachteile

• Höhere IE Klassen bauen teilweise größer/länger als IE 1 Motoren

Umrichterbetrieb

• problemlos

37 |

Motor mit Kupferrotor am Frequenzumrichter

Technologie

• Aufbau wie IM aber sehr geringe Rotorverluste durch Kupferwicklung

• IE3 und IE4 erreichbar

Vorteile

• „Kompatibel“ zu IE1 Bauform

• Erhöhtes Anlaufmoment

Nachteile

• Höherer Preis (Kupfer & Fertigung)

• Auslegung Schutzorgane

Umrichterbetrieb

• problemlos

38 |

PM-Motor am Frequenzumrichter

Technologie

• Magnete im Rotor: IPM

• Magnete auf dem Rotor: SPM

• IE4 erreichbar

Vorteile

• Keine Verluste im Rotor

Nachteile

• Höherer Preis durch Seltene Erden

Umrichterbetrieb

• Benötigt geeignetes Regelverfahren

• Benötigt ggfs. Rückführungen

39 |

Line Start PM-Motor am Frequenzumrichter

Technologie

• Wie DASM mit Magneten im Rotor

• IE3 und IE4 am Netz erreichbar

Vorteile

• Direkter Anlauf am Netz möglich

Nachteile

• Läuft beim Start auch mal kurz rückwärts

• Momentspitzen beim Start (7–17 fach)

Umrichterbetrieb

• Problemlos

• ca. 6-10% schlechter Wirkungsgrad

40 |

Synchronreluktanz- motor (SynRM) am FU

Technologie

• Rotordesign führt den mag. Fluss und erzeugt Reluktanzmoment

• IE3 und IE4 erreichbar

Vorteile

• Hoher Wirkungsgrad, auch im Teillastbereich

Nachteile

• Schlechter cos φ ( eventuell größerer FU)

Umrichterbetrieb

• Benötigt geeignetes Regelverfahren

41 |

Details IE-Klassen FU • IE-Klasse wird bei 90% Statorfrequenz

und 100% Drehmoment bildenden Strom definiert

• Umrichter wird gemessen wie geliefert

• Kein Testmodus erlaubt

• Alle eingebauten Optionen werden mit gemessen (EMV-Filter, SPS,…)

• Verluste von Zubehör (externe EMV-Filter, Drosseln,…) fließen NICHT in die IE-Klasse ein, müssen aber dokumentiert sein, wenn sie

• 0,1% der Umrichternennleistung und

• 5W

überschreiten

Relativer Drehmoment

bildender Strom [%]

Relative Stator-

frequenz [%]

0% 0%

100%

90%

42 |

Details IES-Klassen FU+Motor • IES-Klasse wird bei 100% Drehzahl

und 100% Drehmoment definiert

• Teillastpunkte sollen angegeben werden, sind aber nicht vorgeschrieben

• Rahmenbedingungen für Tests sind vorgeschrieben

• Abweichungen von den Testbedingen sind zulässig, müssen aber dokumentiert werden. Beispiels:

• Längere/kürzere Kabel

• Geschirmte/ungeschirmte Kabel

• Optimierte Programmierung

• Angepasste Taktfrequenz

Relatives Drehmoment [%]

Relative Drehzahl [%] 0%

0%

100%

100%

43 |

Zusammenfassung & Ausblick • IE- und IES-Klassen ermöglichen eine

erste Abschätzung der Energieeffizienz von FU und FU+Motor Kombinationen

• IE- und IES-Klassen ermöglichen keinen detaillierten Vergleich

• Reale Lastverhältnisse und

• Herstellertoleranzen

müssen berücksichtigt werden

• Kunden sind bis 2018 NICHT verpflichtet IE/IES Klassen oder Teillastdaten anzugeben

• Überführung der EN 50598 in die IEC 61800-9 wird die Akzeptanz der IE/IES Klassen weltweiterhöhen

44 |

Vergleich Gesetz und Standard Merkmale Gesetz Standard / Norm

Ausrichtung Regulierung und Überwachung des Marktgeschehens

Repräsentiert den aktuellen Stand der Technik

Urheber/Autor Erstellt durch Anwälte, Rechtsexperten Erstellt von Ingenieuren und Technikern

Verwendung Die Anwendung ist gesetzlich verpflichtend Die Anwendung ist nicht verpflichtend

Verfügbarkeit Kostenfrei verfügbar und erhältlich Der Verkauf erfolgt durch IEC, CENELEC etc. um die Kosten für die Erstellung und Verwaltung zu decken

Basis Technische Aussagen und Vorgaben basieren im Allgemeinen auf aktuellen technischen Standards

Die technischen Standards basieren auf bestätigten

Ergebnissen der Wissenschaft, Technik sowie Erfahrungswerten

Beispiele

EU Verordnung 640/2009 definiert die MEPS für Motoren bei 50 Hz. Verbindliche Klassen: IE1-IE3

IEC/EN 60034-30-1 definiert Effizienzklassen für Motoren bei 50 und 60 Hz: IE1-IE4