Anforderungen an elektrische Antriebe ... - Topmotors
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<strong>Anforderungen</strong> <strong>an</strong><br />
<strong>elektrische</strong> <strong>Antriebe</strong>,<br />
Frequenzumformer und<br />
Antriebssysteme<br />
aus Sicht der Motorhersteller<br />
26. J<strong>an</strong>uar 2012, <strong>Topmotors</strong> Workshop Zürich<br />
H<strong>an</strong>s Menzi, Siemens Schweiz AG, I SCE Zürich
Kurzübersicht der nächsten 20 Minuten<br />
1. Am Anf<strong>an</strong>g war der Motor<br />
2. Der Weg zum Antriebssystem<br />
3. Beweggründe der<br />
Reduzierung des<br />
Energieverbauchs<br />
4. Effizienzsteigerung der<br />
Elektromotoren<br />
5. Energieeinsparung durch<br />
Systemoptimierung<br />
6. Umsetzung und Fazit<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
1. Am Anf<strong>an</strong>g war der Motor<br />
Der Motor ist mehr als 100 Jahre alt –<br />
als Gleichstrom- und Drehstrommotor<br />
Die Drehzahl <strong>an</strong> der Welle zur Mech<strong>an</strong>ik ist<br />
durch die Netzfrequenz fest gegeben.<br />
>>Prozessdosierung durch mech<strong>an</strong>ische Lösungen<br />
Die Leistungselektronik erlaubt<br />
eine kostengünstige Lösung die Drehzahl<br />
dem Prozessbedarf <strong>an</strong>zupassen.<br />
Das Antriebssytem entsteht –<br />
Inverter (FU) für variable Drehzahl und Moment.<br />
Jede Brachen seine Lösung –<br />
Grundstoffindustrie, Textil, Werkzzeugindustrie usw.<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
2. Der Weg zum Antriebssystem – weg vom Motor …<br />
Tr<strong>an</strong>snormmotoren<br />
Norm-<br />
Asynchronmotoren<br />
Typ: 1L<br />
Asynchron-<br />
Servomotoren<br />
Typ: 1P<br />
Hoch-<br />
sp<strong>an</strong>nungs-<br />
Motoren<br />
Synchron-<br />
Servomotoren<br />
Typ: 1F<br />
Direkt<strong>an</strong>triebe<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
….. zum Antriebssystem<br />
Tr<strong>an</strong>snormmotoren<br />
Norm-<br />
Asynchronmotoren<br />
Typ: 1L<br />
Asynchron-<br />
Servomotoren<br />
Typ: 1P<br />
Hoch-<br />
sp<strong>an</strong>nungs-<br />
Motoren<br />
Synchron-<br />
Servomotoren<br />
Typ: 1F<br />
Direkt<strong>an</strong>triebe<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
Energiesparen wo? IE1 – IE2 – IE3 – IE4 – usw.<br />
Mech<strong>an</strong>isches<br />
System<br />
...<br />
Motor und<br />
Getriebe<br />
...<br />
Umrichter /<br />
Motorstarter<br />
...<br />
Zubehör<br />
Steuerung /<br />
Regelung<br />
… und im System<br />
...<br />
Quelle: Bundesamt für Energie BEF<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
3. Beweggründe der Reduzierung<br />
des Energieverbrauchs<br />
Steigende Energiekosten<br />
• Negativer Einfluss auf Betriebskosten<br />
und Produktivität<br />
• Absicherung der Wettbewerbsfähigkeit<br />
Klimaw<strong>an</strong>del<br />
• CO 2 Reduktion zum Umweltschutz<br />
• Green Image für Hersteller<br />
Gesetzgebung: EuP-Richtlinie<br />
• Umweltschutz<br />
Keine Wende in Sicht<br />
Keine Wende in Sicht<br />
Freiwilligkeit genügt<br />
nicht !<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
‣Effizienzsteigerung<br />
der Elektromotoren<br />
Ener
Maßnahmen<br />
Aktivteile im Vergleich<br />
IE2 - Stator<br />
IE2 - Läufer<br />
IE1 - Stator<br />
IE1 - Läufer<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
Massnahmen<br />
Verlustminimierung<br />
P elektrisch<br />
P <br />
P elektrisch<br />
3 * U * * cos<br />
1<br />
I<br />
<br />
Ziel:<br />
Verluste minimieren<br />
Stator<br />
P cu1<br />
P Fe<br />
P zus 1<br />
mehr Kupferdraht<br />
Verlustreduziertes Blech, mehr Fläche<br />
Dünneres Blech<br />
Rotor<br />
P cu2<br />
P R<br />
P zus 2<br />
Kupfer statt Aluminium<br />
Optimierte Lüfter + Lager<br />
Blechschnittgeometrie<br />
Wirkungsgr ad<br />
:<br />
P mech<strong>an</strong>isch<br />
P <br />
2<br />
M * n<br />
9,55<br />
P mech<strong>an</strong>isch<br />
<br />
P2<br />
P<br />
1<br />
<br />
P<br />
P<br />
mech<strong>an</strong>isch<br />
mech<strong>an</strong>isch<br />
Verluste<br />
<br />
P<br />
P<br />
mech<strong>an</strong>isch<br />
elektrisch<br />
Die Differenz zwischen Eing<strong>an</strong>gs- und Ausg<strong>an</strong>gsleistung sind die Verluste.<br />
Die Verlustwärme wird über das Gehäuse abgeführt.<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
Mehrkosten durch höhere Wirkungsgrade –<br />
Geringere Stromkosten: IE2-Motor-Amortisation?<br />
Motor 440 €<br />
Install. 170 €<br />
Stromkosten<br />
18.585 €<br />
Total Cost of Ownership (TCO) –<br />
Energieverbrauch macht typisch bis zu 95 % der Lebenskosten aus!<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
Energieeffiziente Antriebssysteme und Motoren<br />
Signifik<strong>an</strong>t niedrigerer Stromverbrauch<br />
• Energiesparmotoren tragen zu einem<br />
Ressourcenschonenden Einsatz bei.<br />
• Frequenzumrichter können aber<br />
bis zu 50% Energie einsparen:<br />
• Motoren der höchsten Effizienzklasse<br />
(IE2) sparen durch verbesserte<br />
Wirkungsgrade bis zu 40 Prozent der<br />
Verlustleistung gegenüber einem<br />
herkömmlichen Motor.<br />
• <strong>Antriebe</strong>, die Bremsenergie zurück<br />
speisen, können bis zu 50% effizienter<br />
sein.<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
‣Energieeinsparung<br />
durch Systemoptimierung
Energiesparpotential nutzen<br />
Technische Maßnahmen<br />
• weg vom konventionellen<br />
Festdrehzahl-Antrieb<br />
mit nachgeschalteter<br />
verlustbehafteter Anpassung<br />
<strong>an</strong> den Prozessbedarf<br />
überschüssige Energie wird<br />
vernichtet<br />
• hin zum verlustarmen, stufenlos<br />
regelbaren Elektro<strong>an</strong>trieb<br />
optimale Prozessführung<br />
nur jeweils benötigte Energie<br />
wird bereitgestellt<br />
• konsequente Verwendung<br />
verlustarmer<br />
Systemkomponenten<br />
Einsatz von<br />
Energiesparmotoren<br />
keine Schneckengetriebe<br />
keine Drossel- oder<br />
Bypassregelungen<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
Energiesparpotential nutzen<br />
Technische Maßnahmen<br />
bei allen Komponenten<br />
Elektrische Energieversorgung<br />
3 ~, 400V, 50Hz<br />
Elektrischer<br />
Teil<br />
U/f-Umrichter<br />
Process-Controlling<br />
• Energieoptimierte<br />
Arbeitsprozesse<br />
• Schutz und Sicherheitsfunktionen<br />
E-Mot<br />
Drehmoment/<br />
Drehzahl-<br />
W<strong>an</strong>dler<br />
Mech. Kraftübertragung<br />
/<br />
Stellglieder<br />
Mech<strong>an</strong>ische<br />
Leistung<br />
• Drehmoment/<br />
Drehzahl<br />
• Betriebsmodus<br />
Mech<strong>an</strong>ischer<br />
Teil<br />
• Dynamik<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
Energieeinsparung<br />
Mengenregelung über Drosselventil<br />
M<br />
Throttle valve control<br />
M<br />
X<br />
H<br />
Einspeiseleistung<br />
160%<br />
100%<br />
285%<br />
281%<br />
265%<br />
Nutzleistung<br />
I<br />
Verluste in:<br />
t<br />
Motor<br />
Pumpe<br />
Tr<strong>an</strong>sformator<br />
Drosselventil<br />
I<br />
t<br />
Feste<br />
Drehzahl<br />
Betrieb<br />
am<br />
Netz<br />
Im Antriebsprozess steckt das Haupteinsparpotential<br />
zur<br />
Energieeinsparung!<br />
Beispiel:<br />
Beim konventionellen Festdrehzahl-<br />
Antrieb mit Fördermengenregelung über<br />
ein Drosselventil muss das 2,85-fache<br />
der Förderleistung in Form von<br />
Elektroenergie eingespeist werden.<br />
Die Energiebil<strong>an</strong>z einer mit konst<strong>an</strong>ter<br />
Drehzahl betriebenen Pumpe wird<br />
immer ungünstiger, je kleiner die<br />
benötigte Fördermenge ist.<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
Energieeinsparung<br />
Mengenregelung über Drehzahl<br />
~ ~<br />
M<br />
H<br />
I<br />
I<br />
t<br />
Betrieb<br />
am<br />
Umrichter<br />
Variable Speed control<br />
I<br />
t<br />
Variable<br />
Drehzahl<br />
t<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Einspeiseleistung<br />
160% Verluste in:<br />
Tr<strong>an</strong>sformator<br />
158%<br />
~<br />
~ Umrichter<br />
152%<br />
M<br />
Motor<br />
142%<br />
100%<br />
Nutzleistung<br />
Pumpe<br />
Im Antriebsprozess steckt das Haupteinsparpotential<br />
zur<br />
Energieeinsparung!<br />
Beispiel:<br />
Bei elektronischer Drehzahlregelung<br />
beträgt die Einspeiseleistung nur das 1,6-<br />
fache der Förderleistung und die<br />
Gesamtverluste werden auf 1/3 reduziert.<br />
Zusätzlich verbessert sich die<br />
Prozessqualität.<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
Technik<br />
St<strong>an</strong>dard Umrichter<br />
St<strong>an</strong>dard-Umrichter<br />
L1<br />
L2<br />
L3<br />
Drossel<br />
(optional)<br />
C1<br />
M<br />
Gleichrichter<br />
Bremschopper ZK Wechselrichter<br />
Energiefluss<br />
Bremswiderst<strong>an</strong>d (optional)<br />
Netzseitiger Eing<strong>an</strong>gsstrom<br />
- Dioden werden grundfrequent leitend<br />
- Oberwellen<strong>an</strong>teil : sehr hoch (k<strong>an</strong>n über optionale<br />
Drossel verringert werden)<br />
- Hoher Blind<strong>an</strong>teil : ~ 0,7<br />
- Pulsfrequente Ströme : keine<br />
Bremsbetrieb<br />
- Kinetische Energie wird im Bremswiderst<strong>an</strong>d in<br />
Wärme umgew<strong>an</strong>delt<br />
ZK-Sp<strong>an</strong>nung<br />
- Mittelwert ist Lastabhängig (1,35..1,42 Unetz)<br />
- Welligkeit : mittel<br />
- Aussteuergrad : ca. 92%<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
Technik<br />
Umrichter mit Efficient Infeed Technologie<br />
Efficient Infeed F3E-Umrichter<br />
L1<br />
L2<br />
L3<br />
C1<br />
M<br />
F3E-Filter F3E-Gleichrichter<br />
ZK Wechselrichter<br />
Energiefluss<br />
Netzseitiger Eing<strong>an</strong>gsstrom<br />
- F3E-Tr<strong>an</strong>sistoren werden grundfrequent getaktet<br />
- Oberwellen<strong>an</strong>teil : geringer als beim St<strong>an</strong>dard-<br />
Umrichter<br />
- Geringer Blind<strong>an</strong>teil : ~ 0,9<br />
- Pulsfrequente Ströme : geringer als beim AFE<br />
Bremsbetrieb<br />
- Kinetische Energie wird ins Netz zurückgespeist<br />
ZK-Sp<strong>an</strong>nung<br />
- Mittelwert = 1,35 Unetz<br />
- Welligkeit : höher als beim St<strong>an</strong>dard Umrichter<br />
- Aussteuergrad : ca. 87%<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
SINASAVE<br />
Grundlagen der Berechnung<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
Energiesparpotential nutzen<br />
Checkliste<br />
für die effiziente Antriebsauswahl<br />
Stets Energiekostenbil<strong>an</strong>z überprüfen<br />
Die Anschaffung eines Frequenzumrichters zur Drehzahlregelung<br />
amortisiert sich häufig in kurzer Zeit aus der Energieeinsparung<br />
In 80% aller Fälle rechnet sich der Einsatz eines Umrichters in weniger als<br />
15 Monaten<br />
Energiesparmotoren IE2 sind ab 2.000 Betriebsstunden<br />
pro Jahr grundsätzlich die wirtschaftlichere Alternative<br />
Bei kurzer Betriebsdauer (z. B. Stell<strong>an</strong>trieb) sind<br />
Energiesparmotoren IE1 ausreichend<br />
Im Reparaturfall prüfen, ob Neu<strong>an</strong>schaffung von Energiesparmotoren<br />
wirtschaftlicher ist<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
Zusammenfassung<br />
Technical Services<br />
Products<br />
Lower Energy Costs<br />
+<br />
=<br />
Technische Dienstleistungen:<br />
• Identifizierung/<br />
Bewertung von<br />
Einsparpotenzialen<br />
• Optimierungskonzept<br />
• Realisierung<br />
Produkte:<br />
• IE2-Motoren<br />
haben bis zu 7%<br />
höheren<br />
Wirkungsgrad<br />
• Der Einsatz von<br />
Frequenzumrichter<br />
+ IE2 Motor spart<br />
bis zu 70% der<br />
Stromkosten<br />
Nutzen:<br />
• Geringerer<br />
Stromverbrauch<br />
• Reduzierung der<br />
Betriebskosten<br />
• Kleinere<br />
Umweltbelastung<br />
• Einhaltung gesetz.<br />
Vorgaben<br />
• Optimierte Systeme<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
Wir tun vieles – was fehlt noch?<br />
Stärkere, niveaugerechte Information<br />
in der Ausbildung<br />
mit Unterstützung durch Bildungspl<strong>an</strong><br />
und zusätzliche Mittel.<br />
Fachkräfte mit Wissen über Energieeinsparpotentiale<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
Vielen D<strong>an</strong>k für Ihre Aufmerksamkeit<br />
J<strong>an</strong>uar 2012<br />
Antriebstechnik von Siemens<br />
Siemens Schweiz AG / I DT LD
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