Reduzierung des Energieverbrauchs durch den Einsatz von Synchron-Reluktanz-Antriebssystemen: Vorteile aus Anwendersicht Dr. Sven Kellner, Siemens AG

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1 2. Informationsveranstaltung Volle Kraft. Halbe Kosten. sorapol, Shutterstock.com Reduzierung des Energieverbrauchs durch den Einsatz von Synchron-Reluktanz-Antriebssystemen: Vorteile aus Anwendersicht Dr. Sven Kellner, Siemens AG Arqum 2015

2 Vorteile aus Anwendersicht Reduzierung des Energieverbrauchs durch Synchron-Reluktanz-Antriebssysteme siemens.de/reluktanzantriebssystem

3 Einführung 2 Steigende Konzentration auf Energieeffizienz 3 Synchrone Reluktanz 5 Energie-Effizienz 10 Kosten-Effizienz 14 Weitere Eigenschaften 19 Zusammenfassung 21 Seite

4 Steigende Konzentration auf Energieeffizienz Globale Trends Antriebstechnologie Lösungen Erhöhung der Energieeffizienz ist vor allem politisch getrieben Stoppen der globalen Erwärmung Unabhängigkeit von Energie- Importen Daraus folgen unter anderem neue Energieeffizienz-Normen Energieeffizienzklassen für AC/AC- Frequenzumrichter (IE) Energieeffizienzklassen für Antriebssysteme (IES) Norm zur Angabe der Verluste von Umrichtermotoren in Vorbereitung 2/3 des industriellen Stromverbrauchs entfallen auf mit Elektromotoren angetriebene Maschinen 1) Nur ca. 1/5 der Neuantriebe 2012 waren drehzahlgeregelt 2) Die Energiekosten machen ca. 97 % * der Lebenszykluskosten eines Elektromotors aus 3) Permanentmagnet-erregte Synchronmotoren ressourcenintensiv (Seltene Erden) Preisentwicklung Seltene Erden kaum vorhersehbar Synchron Reluktanzmotoren energieeffizient kostenoptimiert, einfacher Aufbau hochdynamische Regelung realisierbar 1) Bundesministerium für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (BMZ), Mai 2013, In Zusammenarbeit mit ZVEI 2) Energieeffizienz mit elektrischen Antrieben, ZVEI Zentralverband Elektrotechnik- und Elektroindustrie e.v., Frankfurt, April ) Normen und gesetzliche Anforderungen an die Energieeffizienz von Niederspannungs-Drehstrommotoren, ZVEI Zentralverband Elektrotechnik- und Elektroindustrie e.v., Frankfurt, Dezember 2010 * Bei 4000 Betriebsstunden pro Jahr Seite

5 Einführung 3 Synchrone Reluktanz 4 Vergleich unterschiedlicher Techniken 5 Abgrenzung 6 Funktionsweise 7 Drehmomentbildung 8 Energie-Effizienz 10 Kosten-Effizienz 14 Weitere Eigenschaften 19 Zusammenfassung 21 Seite

6 Vergleich von Motorausführungen bei Betrieb mit Frequenzumrichter Performance/Effizienz Synchron- Reluktanz + Effizient + Hohe Dynamik + Geringe Kosten Für innovative Lösungen im allgemeinen Maschinenbau + Robust + Kostengünstig Für Netzbetrieb mit Nennleistung Asynchron Permanentmagneterregt Synchron Gleichstrom + Effizient + Höchste Dynamik - Kostenintensiv Für spezielle Anwendungen + Einfache Regelung - Kosten- und wartungsintensiv Für spezielle Anwendungen Kosten Die Synchron-Reluktanztechnik ist immer dann sowohl energie- als auch kosteneffizient, wenn Antriebe mit Frequenzumrichter erforderlich sind! Seite

7 Positionierung von Synchron-Reluktanzmotoren innerhalb des Motorenspektrums Asynchron- Motor Reluktanz- Motoren Permanentmagneterregter Synchronmotor Switched Reluctance Synchron- Reluktanz- Motoren Transversalfluss- Reluktanz Alter Blechschnitt Neuer Blechschnitt mit Flusssperrendesign Ständer des Asynchronmotors (verteilte Wicklung) Läuferblechpaket mit Flusssperren Seite

8 Theoretischer Hintergrund: Wie funktioniert das überhaupt? Bei Synchronmotor allgemein gilt i d : verantwortlich für magnetisches Feld Im Normalbetrieb wird magn. Feld durch Magnete erzeugt i d =0 (außer bei Feldschwächung) M i 3p 2 i p q Magneteinfluss L d L q i d i Reluktanzeinfluss q i q : verantwortlich für Drehmoment Reluktanzeffekte sind insbesondere bei Servomotoren meist unerwünscht kleiner magn. Widerstand hoher magn. Widerstand Speziell Reluktanzmotor: Keine Magnete! hohes Reluktanzmoment Drehmoment nur aufgrund der Reluktanzeffekte Rotor muss so unsymmetrisch wie möglich sein Ein spezielles Rotordesign ist erforderlich Der Synchron-Reluktanzmotor entspricht physikalisch einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, nur eben ohne Permanentmagnete Seite

9 Drehmomentbildung anschaulich erklärt 1. Schritt Ständerfluss bis auf den Luftspalt ausschließlich durch das Eisen geringer magnetischer Widerstand geringste Systemenergie 2. Schritt Ständerfluss hat sich verändert, muss lange Wege durch die Luftspalte gehen hoher magnetischer Widerstand erhöhte Systemenergie Daraus resultiert ein Drehmoment, das in Richtung der Minimierung der Systemenergie wirkt 2. Schritt Rotor dreht sich in die Lage von Schritt 1 Bei einem umlaufenden Ständerfeld muss sich der Rotor damit kontinuierlich drehen Die Rotorfrequenz entspricht der Ständerfrequenz, allerdings sind Rotor und Ständer phasenverschoben q d Vergleichbar mit zwei aneinander haftenden Magneten Vergleichbar mit zwei aufeinander zufliegenden Magneten Seite

10 Einführung 3 Synchrone Reluktanz 5 Energie-Effizienz 9 Wirkungsgrade allgemein 10 Verlustleistungsvergleich 11 Lastspiel Blauer Engel 12 Kosten-Effizienz 14 Weitere Eigenschaften 19 Zusammenfassung 21 Seite

11 Wirkungsgrad von Synchron-Reluktanz ist in jedem Betriebspunkt höher als bei Asynchron Wirkungsgrad System mit Synchron-Reluktanzmotor 1. Realisierung höherer Energieeffizienzklassen als IE3 ist mit Standard-Asynchronmotoren aufwändig kw 5,5 7,5 11,0 15,0 18,5 22,0 30,0 Reluktanz* 91,9 92,6 93,5 93,9 94,2 94,5 94,9 System mit Asynchronmotor 1 IE4* 90,7 91,5 92,3 93,0 93,3 93,7 94,1 IE3* 88,0 89,0 90,1 90,9 91,5 92,0 92,6 IE2* 85,9 87,0 88,4 89,2 89,9 90,3 91,1 2 *) Mindestwirkungsgrad nach IEC Umgerechnet auf Umrichterbetrieb gemäß DIN EN (Kapitel : Oberschwingungsabhängige Zusatzverluste) 2. Synchrone Reluktanzmotoren haben einen höheren Wirkungsgrad im Teillastbereich als Standard-Asynchronmotoren 0,5 P Nenn P Nenn Leistung Seite

12 Energieeffizienz im Nennpunkt und Teillastbereich am Beispiel eines 15-kW-Systems PDS 1) relatives Drehmoment in % 5,76 13,43 57% 6,79 15,94 57% 8,01 21,60 63% Zahlenwerte beschreiben die prozentualen Verluste bezogen auf die System- Nennleistung 100 6,91 8,66 12,18 2,67 61% 2,97 66% 3,77 69% ,65 5,33 69% 1,77 6,82 74% Referenzsystem nach Norm SIMOTICS 1LE1 VSD10 SIMOTICS 1LE1 IE2 SIMOTICS 1LE1 IE3 SIMOTICS 1LE1 IE4 SIMOTICS 1FP1 1) PDS (Power Drive System) = System bestehend aus Umrichter+Motor PDS 1) relative Drehzahl in % Das Synchron-Reluktanz-System hat im gesamten Betriebsbereich geringere Verluste als ein IE4-Asynchron-System Seite

13 Systemeigenschaften Systemvergleich Lastspiel Pumpe Blauer Engel Energieeinsparung und Amortisation für einen drehzahlveränderbaren Antrieb an SINAMICS G120 Reluktanzmotor 15 kw, min- 1 Vergleich Antrieb mit synchronem Reluktanzmotor gegenüber Antrieben mit Asynchronmotoren Einsparung p.a. in kwh Einsparung p.a. in EUR Amortisationszeit in Monaten Asynchronmotor in IE Invest < ASM IE4! Asynchronmotor in IE Asynchronmotor in IE Umrichtermotor VSD Lastspiel Blauer Engel 10 % der Zeit fördert die Pumpe mit 100 %, 30 % der Zeit mit 75 %, 40 % der Zeit mit 50 %, und 20 % der Zeit mit 25 % Durchfluss. Weitere Annahmen Zweischichtbetrieb, d.h Stunden im Jahr. Die Energiekosten betragen 8 ct/kwh. Seite

14 Einführung 3 Synchrone Reluktanz 5 Energie-Effizienz 10 Kosten-Effizienz 13 Systemvorteile 14 Leistungssteigerung 15 Geringe Eigenträgheit 16 Weitere Eigenschaften 19 Zusammenfassung 21 Seite

15 Optimiertes Investment durch abgestimmtes System und einfache Inbetriebnahme Motorzuordnung Synchron-Reluktanz-Motoren haben bei gleicher Wellenleistung die selben mechanischen Abmessungen wie Norm- Asynchronmotoren. Umrichter Motor-Zuordnung Die Power Modules PM240-2 sind in der Lage, Synchron- Reluktanzmotoren mit der gleichen Wellenleistung wie Norm- Asynchronmotoren zu betreiben. Gleiche Umrichterleistung wie bei Asynchronmotoren. Inbetriebnahme Einfache Inbetriebnahme durch Anwahl der Code-Nummer des Motors durch im Umrichter hinterlegte Motordaten. Seite

16 Dauerhafte Überlastung des Systems möglich Thermische Grenze Hohe zusätzliche Überlast ASM Thermische Ausnutzung bei Bemessungsleistung SRM Dauerhafte Überlastung mit 20 % möglich (SF 1,2) Das Motoren-Design der synchronen Reluktanzmotoren ist auf höchste Energieeffizienz ausgelegt, nicht auf maximale thermische Ausnutzung. Auslegung auf maximale Überlast Auslegung Asynchron Auslegung Synchron- Reluktanz In vielen Anwendungen wie z. B. der Gebäudetechnik ist die maximale Leistung nur an wenigen Tagen im Jahr notwendig Der synchrone Reluktanzantrieb wird in dieser Zeit im Überlastbereich mit leicht reduzierter Effizienz betrieben. Die restliche Zeit arbeitet er im hocheffizienten Bereich. Seite

17 Hohe Dynamik Niedriges Eigenträgheitsmoment Rel. Eigenträgheitsmoment 1) 180% 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% Niedrigeres Eigenträgheitsmoment im Vergleich zu Asynchronmotoren in IE2/IE3/IE4 + Höhere Dynamik mit Vektorregelung 20% 0% Reluktanzmotor Asynchronmotor IE4 Asynchronmotor IE3 Asynchronmotor IE2 Umrichtermotor VSD10 1) Durchschnittswerte 5,5 kw bis 30 kw Seite

18 Hohe Dynamik Niedriges Eigenträgheitsmoment: Beispiel Automobilindustrie: Heber/Senker -M M 3 ~ M 3 ~ -M1 Dauer in sec Anfang in rpm Ende in rpm M Last in Nm M total 1FP1 M total 1LE1 IE2 M total 1LE1 IE3 M total 1LE1 IE4 1, Um die gleiche Dynamik zu erreichen, müsste im Vergleich zum Synchron- Reluktanz-System der Umrichter bei IE4-Asynchrontechnik größer gewählt werden Seite

19 Einführung 3 Synchrone Reluktanz 5 Energie-Effizienz 10 Kosten-Effizienz 14 Weitere Eigenschaften 18 Systemeigenschaften 19 Zusammenfassung 21 Seite

20 Systemeigenschaften Betriebsverhalten Betriebsverhalten Pollageidentifikation innerhalb von 50 ms durch den Umrichter vermeidet Ausrichten vorwärts/rückwärts beim Zuschalten des Motors Anfahren aus dem Stillstand gegen 150 % Gegenmoment beim SINAMICS G120 Schnelles Ausregeln von Laststößen Taktfrequenz Umrichter Im Teillastbereich können die Motoren mit 8 khz Taktfrequenz betrieben werden, was zu fast nicht hörbaren Motorgeräuschen führt. Bei Belastung im Bereich der Nennleistung wird die Taktfrequenz unter gewissen Randbedingungen automatisch auf 4 khz oder 2 khz abgesenkt. Seite

21 Einführung 3 Synchrone Reluktanz 5 Energie-Effizienz 10 Kosten-Effizienz 14 Weitere Eigenschaften 19 Zusammenfassung 20 Siemens-Lösung 21 Verdrängt der Reluktanzmotor die Asynchronmaschine? 22 Seite

22 Höchst effizientes Antriebsystem in allen Betriebspunkten mit innovativer Synchron-Reluktanztechnik Sehr hoher + Motorwirkungsgrad im Volllast- und Teillastbereich = minimierte Lebenszykluskosten 36 Monate + Gewährleistung auf den Synchron-Reluktanzmotor Einfache + schnelle + Inbetriebsetzung durch Übertrag des Motorcodes an den Frequenzumrichter Synchron-Reluktanz Technik ohne Permanentmagnete für geberlose Antriebsaufgaben + Garantierte Motorleistung bei Betrieb am Umrichter + Hohe Betriebssicherheit und Verfügbarkeit durch hohe Überlastfähigkeit + Seite

23 Verdrängt der Synchron-Reluktanzmotor die Asynchronmaschine? Performance ASM GM Zeit SRM Die Standard-Asynchronmaschine wird auch in Zukunft weiterhin eine hohe Relevanz am Markt haben Viele Kunden kaufen Motor und Umrichter getrennt voneinander Synchron-Reluktanzmotoren benötigen immer einen dazu passenden Umrichter Auch in Zukunft wird es viele Applikationen geben, in denen Netzmotoren ohne Umrichter die energieoptimale Lösung sind Synchron-Reluktanzmotoren müssen immer am Umrichter betrieben werden, bei Netzbetrieb sind Asynchronmotoren die erste Wahl Auch in Zukunft gibt es die unterschiedlichen Motorentechniken mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen nebeneinander! Seite

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Sven Kellner Produktmanagement SINAMICS Digital Factory / Motion Control siemens.de/reluktanzantriebssystem Seite

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