Herzlich Willkommen zum Technologieforum OSMO … · 7 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives...

Herzlich Willkommen

zum

Technologieforum OSMO

am 16. & 17.09.2015

Danfoss Power Electronics – VLT Drives 2 |

Elektronische Drehzahlregelung Energieeinsparung durch Frequenzumrichter

OSMO Technologie- Forum 2015

www.vlt.de


Agenda

• Vorteile Drehzahlregelung

• Aktuelle Motortechnologien am Frequenzumrichter

• Integration in die Anlage

• Einsatzmöglichkeiten in der Anwendung


Vorteile Drehzahlregelung

www.vlt.de


64%

36%

Wer braucht die Energie?

• Hauptantriebe

• Förderbänder

• Heber

• …

• Hilfsantriebe

• Pumpen

• Lüfter

• Kompressoren

• …

Durchschnittswert verschiedener Quellen

(Fraunhofer Institut, Energieagentur Österreich, EUP Lot 11 Motors Final Report)

Haupt-

antriebe

Hilfsantriebe

(Pumpen, Lüfter, Kompressoren)


Anlaufstrom Drehstromasynchronmotor

(Quadratische Last)

1) Direkter Start am Netz

2) Stern-Dreieck Anlauf

3) Softstarter

4) Frequenzumrichter

Anlauf von Elektromotoren

• Prinzipbedingt benötigten Drehstromasynchronmotoren einen hohen Anlaufstrom

• EVU erlaubt direkten Netzanlauf bis ca. 4 / 7,5 kW

• Stern-Dreieck Anlauf benötigt geeignete Motoren

• Softstarter ist bis in MW-Bereich verfügbar

• Frequenzumrichter reduziert Anlaufstrom und ermöglicht Drehzahlregelung

1

3

2

4

fRotor

0 12,5 25 37,5 50 Hz

I/IN

[%] 800

700

600

500

400

300

200

100

0


Einsparungen bei konstanten Lastmoment

• Viele Hauptantriebe haben einen konstanten Lastmomentbedarf (Pmech ~ M * n)

• Last- und Schlupfausgleich moderner Regler passen Leistungsaufnahme optimal an Last-bedarf an

• Drehzahlregelung ermöglicht:

• Prozessoptimierung

• Energieeinsparung

• Günstige Übersetzungsverhältnisse

• Geringeren mechanischen Verschleiß

Im Arbeitspunkt benötigte Energie

Dre

hm

om

ent

[Nm

]

Drehzahl [min-1]

Leistung [W]

Arbeitspunkt


Im Arbeitspunkt benötigte Energie

Einsparungen bei quadratischem Lastmoment

• Lüfter und viele Pumpen haben einen quadratischen Lastverlauf

• Leistungsaufnahme hängt kubisch von der Drehzahl ab

• Drehzahlregelung führt bei Anwendungen mit quadratischem Moment fast immer zu erheblichen Kosteneinsparungen

• Beispiel: 20% weniger Drehzahl resultiert in ca. 50% Energieeinsparung

Pumpenkennlinie

Durchfluss [Q]

Dru

ck [

bar]

Drehzahlregelung Arbeitspunkt

Anlagenkennlinie


Beispiel: Anwendung Belüftungsanlage

Lüftung: 5,5 kW / 365 Tage/24h / Luftmenge variiert (Jahreszeiten, Personenanzahl)

Lastprofil (Indien) Energieverbrauch pro Jahr

berechnet mit Danfoss EnergyBox 2.0

• Einsparung durch Drehzahlregelung > 30%

• Einsparung durch besseren Motor: 3% und 7% (abhängig vom installierten Motor)


Aktuelle Motortechnologien am Frequenzumrichter

www.vlt.de


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


Motor mit Kupferrotor am Frequenzumrichter

• Technologie

• Aufbau wie IM aber sehr geringe Rotorverluste durch Kupferwicklung


• Vorteile

• „Kompatibel“ zu IE1 Bauform

• Erhöhtes Anlaufmoment

• Nachteile

• Höherer Preis (Kupfer & Fertigung)

• Auslegung Schutzorgane


• Problemlos


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


• Benötigt geeignetes Regelverfahren

• Benötigt ggfs. Rückführungen


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)


• Problemlos

• ca. 6-10% schlechter Wirkungsgrad


Synchronreluktanz- motor (SynRM) am FU

• Technologie

• Rotordesign führt den mag. Fluss und erzeugt Reluktanzmoment


• Vorteile

• Hoher Wirkungsgrad, auch im Teillastbereich (größere Leistungen)

• Nachteile

• Schlechter cos φ ( eventuell größerer FU)


• Benötigt geeignetes Regelverfahren


Unterstützte Motoren von Danfoss

• Danfoss Umrichter unterstützten alle gängige Motortechnologien

• DASM und PM werden bereits von allen Geräten unterstützt

• SynRM ist in VLT® AutomationDrive FC 302 verfügbar. Implementierung in VLT® AQUA Drive und VLT® HVAC Drive bis Ende 2014

Drehstromasychnron- motor

Kupferrotor

PM-Motor (Oberflächen montierte Magnete)

PM-Motor (Vergrabene Magnete)

Line Start PM-Motor

Synchronreluktanzmotor


Wirkungsgrad FU bei Teillast

Für Abschätzung der Umrichterverluste ist der Lastpunkt in Diagramm mit dem Nennwirkungsgrad

des FU zu multiplizieren.

Wirkungsgradverhalten: Beispiel 7,5 kW Motor + Umrichter

bei konstanter Last

• Umrichter- und Motorwirkungsgrade sinken im Teillastbereich

• Motor hat bei FU-Betrieb mehr Verluste. Grund: Taktfrequenz, Oberschwingungen

0%

25%

50%

75%

100%

0% 25% 50% 75% 100%

System

Motor

Umrichter

Drehzahl[%]

Wir

kungsgra

d[%

]


Wirkungsgradvergleich

ASM: Drehstromasynchronmotor PM: PM-Motor SynR DOL: SynRM mit zusätzlicher Kurzschlußwicklung SynR old: Altes, nicht Energie optimiertes Design SynR: Neues Design

Graphen zeigen das PRINZIPIELLE Verhalten bei kleineren Leistungen


Motor Inbetriebnahme am Umrichter

• Umrichter benötigt grundlegende Typenschilddaten zum Betrieb und SCHUTZ des Motors

• Eingabe erweiterter Motordaten (Widerstände etc.) ermöglicht den bestmöglichen Betrieb

• Danfoss: Automatische Motoranpassung (AMA) ermittelt nach Eingabe der Typenschilddaten die erweiterten Motordaten für

• Drehstromasynchron

• PM

• Synchronreluktanz


Broschüre Motortechnologien

• Beschreibt die gängigsten Motortechnologien

Drehstromasynchron

Kupferläufermotor

PM-Motor

EC_Motor

Line Start PM

Synchronreluktanzmotor

• Vor und Nachteile der unterschiedlichen Technologien

• Verfügbar als Download (www.vlt.de) und als gedruckte Ausgabe


Integration in die Anlage

www.


Störungen durch Gleich- und Wechselrichter

Motorspannung

• Belastet Motorisolation

• Erzeugt EMV-Störungen

• Leitungsgebunden (150kHz-30MHz)

• Luftgebunden (30 MHz-1 GHz)

• Bewertung in THD (Total Harmonic Distortion)

• Hohe THD Werte bedeuten:

• höhere Verluste in Transformator

• größere Leitungsquerschnitte

• Lebensdauerbeeinflussung anderer Geräte

Motorstrom

• EMV-Filter müssen nicht serienmäßig in Geräten enthalten sein.

• Separate Entstörung ist zulässig, bewirkt aber zusätzliche Verluste und Kosten !


Netzbelastung

Netzstrom und Netzspannung

Konventioneller Zwischenkreis Geringe Beeinflussung der Netzspannung

Schlanker Zwischenkreis Stromaufnahme „verzerrt“ Netzspannung

• Gleichrichter belasten das Netz mit Oberwellen

• Einfache Abhilfe:

• AC-Drosseln vor dem Gerät

• DC-Drosseln im Zwischenkreis

• Teure Abhilfe: Aktive Filter

• Problem: Schlanker Zwischenkreis

• Verschiebt Oberwellen in nicht genormten Bereich

• Reduzierte Ausgangsspannung


EMV-Filter

Grenzwerte der EN 55011 und der EN 61800-3

• Zur Reduzierung von EMV-Störungen sind Filter verfügbar

• Unzureichende Filtermaßnahmen sind oft erst spät erkennbar.

• Nachträgliche Maßnahmen verursachen höhere Kosten als in der Planungsphase.

• Empfehlung

• Wohn-/Gewerbeumgebung EN 55011 - Klasse B (Grenzwerte EN 61800-3 C1)

• Industrieumgebung EN 55011 - Klasse A1 (Grenzwerte EN 61800-3 C2)

EN 61800-3

(Produktnorm)

Umgebung 1 (Wohnbereich)

Kategorie C1

Umgebung 2 (Industriebereich)

Kategorie C3

Kategorie C4

EN 55011 (Umgebung)

Klasse B (Wohnbereich)

Gruppe 1+2

Klasse A (Industriebereich)

Gruppe 1

(HF Intern)

Gruppe 2 (HF Extern)

Kategorie C2


Ausgangsfilter

• dU/dt-Filter

• Reduziert die elektrische Belastung der Motorisolation

• Häufig genutzt bei Motoren mit älterer Isolation

• Sinus-Filter

• Reduziert die elektrische Belastung der Motorisolation z.B. bei Nassläuferpumpen

• Verbesserung der EMV-Eigenschaften

• Nutzung abgeschirmter Kabel


Aggressive Umgebung

• Hohe Schutzarten ermöglichen den Einbau in kritischen Bereichen

• Auf Schaltschränke kann ggfs. verzichtet werden.

• Eingebaute Hauptschalter ermöglichen Abschaltung vor Ort

• Beschichtung der Platinen gibt zusätzlichen Schutz gegen Gase

• Übliche Beschichtungen nach IEC 60721-3-3

• 3C1 = Standard Anforderung

• 3C2 = Erhöhte Anforderungen

• 3C3 = Hohe Anforderungen


EEx Motoren am Frequenzumrichter

• Betrieb von EEx d Motoren ist möglich

• EEx e unter bestimmten Bedingungen möglich

• Motorhersteller muss thermische Stützpunkte zur Verfügung stellen

• Umrichter muss Motorstrom auf Basis der Stützpunkte begrenzen (z.B. VLT® AutomationDrive FC 302)

• EEx zertifiziertes Auslösegerät muss Motortemperatur überwachen


Umrichterpreis wird bestimmt durch…

• Leistung

• Lebensdauer

• Schutzart

• Netz- und EMV-filter (15-20% FU Preis)

• Technologie Funktionen

• Schnittstellen (z.B. Modbus)

• u.v.w.

• “Versteckte” Kosten:

• Bedarf für Schaltschrank & Installation

• Eventuell externe Filter

• Zusätzlich Klimatisierung

Ko

ste

n N

etz

filt

er

Performance

(gesamtes Frequenzspektrum)

Quasi 12 Puls

Optimale Lösung

DC Drossel

Keine Drossel

AC+DC Drossel

12 Puls

18 Puls

24 Puls

Active Front End

Active Filter

Passive Filter 5%

Passive Filter 10%

Slim DC Link

Einordnung Netzfilter (Diskussionsgrundlage)


Wichtig ist ein effizientes System!

• Effiziente Komponenten sind kein Garant für eine effizientes System

• Jede Anwendung benötigt die eine individuelle Abstimmung der Komponenten

Untersuchung unterschiedlicher Ventilatorsysteme nach DIN EN ISO 5801 an der ILK Dresden

Motor

• EC (IE4)

• PM (IE4)

• IM (IE2)

• IM (IE3)

„PM, IE2,IE3“-

Lüfter

EC-Lüfter


Planerfibeln

• Zwei Teile

• Grundlagen für den Praktiker

• Hinweise zur Planung und Projektierung in 4 Schritten

• Ideal für Fachkräfte und - planer und (MSR/Elektro) in allen Bereichen

• Ingenieurbüros

• Behörden

• Ämter

• Anlagenbauer

• Schaltschrankbauern

• Verfügbar als Download (www.vlt.de) und als gedruckte Ausgabe


Einsatzmöglichkeiten in der Anwendung Beispiel: Abwasseranlage

www.vlt.de


Kosten in der Abwasserbehandlung

Kostenaufteilung

Energieaufteilung

• Etwa 25-40% der Gesamtkosten entfallen auf den Energiebedarf

• Moderne Antriebstechnik ermöglich die Reduzierung der Kosten in allen Bereichen

• Hebestation

• Vorbearbeitung

• Primärbehandlung

• Sekundärbehandlung

• Schlammbehandlung

• Schlammentsorgung

• Tertiärbehandlung

Energie

28%

Personal

46%

Feststoff-entfernung

12% Sonstiges

7% Wartung 3%

Chemikalien

4%

Belebt-

schlamm

55%

Primäres

Klärbecken

10% Erwärmung

8 % Entwässer-

ung 8%

Rohr-

wasser-behandlung

4%

Sonstiges 15%


FU in der Vorbehandlung Entfernen von Feststoffen, die Pumpen gefährden könnten

Hebestation • Leistungsbereich: 15-750 kW

• Minimiert Ablagerungen

• Vermindert unregelmäßigen Durchfluss

• Eliminiert Wasserschläge

• Reduziert Start/Stoppvorgänge

Exemplarisch wird nur eine Anwendung des Prozesses beschrieben


Primärbehandlung Entfernung von organischen/anorganischen Sedimenten und Feststoffen

Schlammentzugspumpe

• Ermöglicht den Entzug von Schlamm mit minimalem Restwasserinhalt

• Sanftes starten + stoppen

• Reduziert Energie und Wartungskosten



Sekundärbehandlung Biologischer Abbau von Schwebstoffen + aufgelösten organischen Feststoffen

Belüftungstank • Prozessverbesserung durch

genauere Kontrolle des Sauerstoffgehaltes

• Reduzierte Belastung + Verschleiß

• Reduzierter Energiebedarf



Entwässerung und Schlammbearbeitung


Entwässerung

• Leistungsbereich:15-400 kW

• Optimale Schlammeinspeisung

• Optimale Drehzahl der Zentrifuge

• Höhere Effizienz der Entwässerung

• Trockeneres Filtrat


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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