Effiziente elektrische Antriebe und Drehzahlsteuerung in der Technischen Gebäudeausrüstung VDI 6014 und Initiative EnergieEffizienz der dena

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1 Gemeinschaftsveranstaltung des Württembergischen VDI und VDE Herzlich willkommen zum Vortrag: Effiziente elektrische Antriebe und Drehzahlsteuerung in der Technischen Gebäudeausrüstung VDI 6014 und Initiative EnergieEffizienz der dena Referent: Günther Volz Beratender Ingenieur Ingenieurbüro für Elektrotechnik Vorsitzender FG Elektrotechnik des VBI Ehningen, Im Letten 26 Tel e mail: pl@n volz.de Günther Volz 1

2 Elektrische Antriebe von Pumpen und Ventilatoren sowie der Kälte und Fördertechnik leisten wesentliche Beiträge für die Effizienz der Anlagen. Durch die meist hohen Betriebsstundenzahlen dieser Aggregate nehmen ihre elektrischen Energiekosten den überwiegenden Anteil an den Lebenszykluskosten ein. Effizienzverbesserte Motoren sind am Markt verfügbar und führen zu deutlichen Energieverbrauchs und Kosteneinsparungen! In der TGA arbeiten Anlagen häufig nur im Teillastbetrieb. Deshalb sollen diese Antriebe drehzahlgesteuert und dem tatsächlichen Bedarf angepasst werden. Auch die Effizienzbewertung der technischen Gebäudeausrüstung nach der EnEV erfordert besondere Aufmerksamkeit beim Energiebedarf elektrischer Antriebe und deshalb Einsatz von Drehzahlsteuerung, Die VDI Richtlinie 6014 und Initiative EnergieEffizienz der dena (Deutsche Energie Agentur) gibt dazu wichtige Hinweise. 2

3 Infokampagne Energieeffizienz in der Fördertechnik Broschüren zum Download: Elektrische Motoren und Antriebe Stromrichter und Automatisierung, Installation Planung und Dimensionierung Betrieb, Optimierungen, Modernisierung Erhöhung der Verfügbarkeit Lebenszykluskosten 3

4 Lebensdauer von elektrischen Maschinen 4

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6 Lebenszykluskosten Der Anteil der Energiekosten innerhalb der gesamten Lebensdauerkosten von Elektromotoren wird meist unterschätzt. Auch in der Fördertechnik kann als Richtwert angesetzt werden, dass die Energiekosten pro Jahr etwa dem fünffachen Motorpreis entsprechen. Nach Brancheinformationen des ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.v.) gelten bei einer Nutzungsdauer von Stunden pro Jahr folgende Werte für die unterschiedlichen Kostenarten innerhalb des Lebenszyklus von Motoren: 6

7 Effizienzsteigerung bei Asynchronmaschinen: Quelle: DENA, Stromeffizienz 2006, Berlin,

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9 Kennzeichnung des Wirkungsgrads von Elektromotoren: Künftig sollen alle 2- und 4-poligen Drehstrommotoren von kw in Standardausführung in Abhängigkeit ihres Wirkungsgrades klassifiziert werden. Die Wirkungsgradklasse ist auf den Typenschildern auszuweisen, zusätzliche Angaben müssen in der Produktdokumentation aufgeführt werden. Derzeit auf dem Markt üblicherweise angebotene Motoren entsprechen eff3. Im Wirkungsgrad verbesserte Motore sind mit eff2 gekennzeichnet. Hocheffiziente Motoren (HEM) erhalten die Auszeichnung eff1. Die Produktdokumentationen müssen die Wirkungsgradangaben bei Voll- und Dreiviertellast aufführen. 9

10 Nach der freiwilligen Vereinbarungen der EU werden die Wirkungsgrade von 2- und 4-poligen Normmotoren im Bereich von 1,1 bis 90 kw klassifiziert und mit einem eigens entwickelten Logo gekennzeichnet. In der folgenden Tabelle sind 4-polige Motoren mit einer Bemessungsleistung von 11 kw gegenübergestellt: 10

11 Mit der Absicht einer weltweiten Harmonisierung wurde IEC geschaffen. Damit soll abweichend zu den CEMEP-Logos der EU eine Erweiterungsmöglichkeit für zukünftige Entwicklungen offengelassen werden. In folgender Tabelle sind die Klassifizierungen gegenübergestellt: 11

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13 Vergleich der Wirkungsgrad-Kennlinien A und B: Bei der Auswahl der Motoren für die Fördertechnik ist neben der Bemessungsleistung und des Wirkungsgrads im Bemessungspunkt auch der Verlauf der Kennlinie des Wirkungsgrads im Teillastbereich zu beachten. In folgenden Bild wird der Wirkungsgradverlauf für zwei verschiedene Motoren mit einem Wirkungsgrad von 90 Prozent im Bemessungspunkt PM 15 kw mit den Kennlinien A und B verglichen. Bei jährlich 900 Stunden Volllast, Stunden Teillast mit 7,5 kw und Stunden Teillast mit 3,75 kw ergibt sich beim Kennlinientyp B eine jährliche Einsparung von ca kwh und damit ca. 270 (bei 0,06 /kwh). 13

14 Stoffmengenregulierung Im Betrieb von fördertechnischen Anlagen müssen meist Stoffmengen von Schüttgütern oder Stückgütern variiert und geregelt werden. Werden dabei konventionelle Stellmethoden realisiert, kann das zu hohen Energieverlusten führen. Diese Verluste können durch Antriebe mit elektronischer Drehzahlregelung deutlich verringert werden. Betriebsarten von elektrischen Maschinen: 1-Quadrantenbetrieb: Treiben des Motors in eine Drehrichtung 2-Quadrantenbetrieb: Treiben und Bremsen des Motors in eine Drehrichtung 4-Quadrantenbetrieb: Treiben und Bremsen des Motors in beide Drehrichtungen Beim 2- oder 4-Quadrantenbetrieb der Maschine kann die Bremsenergie in Form von elektrischer Energie aus dem Generatorbetrieb zurückgewonnen und in das Netz eingespeist werden. Der Betrieb im 3.Quadranten bedeutet lediglich das Treiben des Motors mit umgekehrter Drehzahl- und Drehmoment. 14

15 Frequenzumrichter für Drehstrommotoren Beeinflussung der Versorgungsspannung in der Frequenz, Spannungshöhe und Phasenzahl in weiten Bereichen; fast verlustfreie Drehzahl- und Drehmomentenregelung von Motoren möglich. Mit einem zweiten antiparallel wirkenden Umrichter kann die Bremseenergie einer elektrischen Maschine wieder ins Netz zurückgespeist werden. Stand der Technik sind Frequenzumrichter mit Pulsweitenmodulation, die bis zu Leistungen von ca. 500 kw als 6-Puls-Brückenschaltung (B6) mit Kondensator-Zwischenkreis verwendet werden. Die Anschaffungskosten von Frequenzumrichter betragen etwa des Fünffache von einfachen Motorstartern. Aufgrund geringer Eigenverluste erreichen sie meist einen Wirkungsgrad über 95 Prozent. Die Investitionskosten amortisieren sich auf Grund der gesamte Energieeinsparung des Antriebs meist in kurzen Zeiträumen. 15

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17 Wirtschaftliche Drehzahlgrenzen bei Drehstrommotoren Für das entwickelte Drehmoment gilt die wichtige Beziehung M Φ I 2. Das bedeutet eine direkte Abhängigkeit des Drehmoments [M] zum magnetischen Fluss [Φ] und Strom [I 2 ] im Anker. Ein höherer magnetischer Fluss kann nur mit größerem Aufwand an aktivem Material erreicht werden. Baugröße und Preis eines Elektromotors müssen also zwangsläufig umso höher werden, je größer das verlangte Drehmoment oder je niedriger die gewünschte Drehzahl bei einer bestimmten Leistung ist. Das obere Bild zeigt am Beispiel von drei Norm-Baugrößen mit 22 kw Nennleistung bei 1500, 1000 und 750 r/min. Im unteren Bild ist ersichtlich, dass schon bei einer Drehzahl von etwa 700 r/min ein schnell laufender 4-poliger Motor mit einstufigem Untersetzungsgetriebe weniger Raum braucht als ein 8poliger Motor ohne Getriebe. 17

18 Richtlinie VDI 6014: Ehrenamtl. Mitarbeiter im Gremium Dank an die Ko-Referenten des Abends! Jürgen Albig, Künzelsau (Obmann) Dr.-Ing. Johannes Anschütz, Waldenburg Dipl.-Ing. (FH) Dirk Eggers, Offenbach (Stellvertretender Obmann) Dipl.-Ing. Gert Häussermann, Mulfingen Dipl.-Ing. (FH) André Martin Krause, Mülheim Prof. Dr.-Ing. Michael Vogeler, Gelsenkirchen Dipl.-Ing. Martin Vogt, Dortmund 18

19 Anwendungsbereich der Richtlinie VDI 6014 Hinweise für die Auswahl drehzahlsteuerbarer Antriebe für Pumpen und Ventilatoren: zur Auswahl des Konzepts zu energetischen Aspekten zu Energieeinsparpotenzialen zu Wirkungsgradverbesserungen zu Mindestanforderungen an einen störungsfreien Betrieb 19

20 Motorkonzepte: Drehstromasynchron Motoren als Antrieb für Pumpen und Ventilatoren üblich Seit einigen Jahren EC Motoren: Wirkungsgradvorteile, Motor und Elektronik bilden eine Antriebseinheit, Elektronik kann im Antriebsmotor integriert sein. EC Motoren bis 5,5,kW verbreitet Übersicht: stufig oder stufenlos gesteuerte Antriebe 1. stufig gesteuerte Antriebe ohne Drehzahl beliebige Steuerung z.b. mit Asynchronmotoren mit Käfigläufern und konstanter Drehzahl, polumschaltbar oder mit anderer Mehrstufenschaltung: eintourig polumschaltbar mit getrennten Wicklungen polumschaltbar mit Dahlanderschaltung Mehrstufenschaltung mit pol bzw. spannungsumschaltbaren Wicklungen Mehrstufenschaltung über Transformatoren (kleinere Leistungen bis 2 kw) Stern Dreieck Schaltung 20

21 2. stufenlos gesteuerte Antriebe mit Drehzahl beliebiger Steuerung z.b. mit Asynchronmotoren mit Käfigläufern, permanenterregte Synchronmotoren und EC Motoren: Spannungssteuerung mit elektronischen Stellern (z.b Phasenanschnittsteuerung mit Thyristoren oder Triacs, die (nur) die Spannung stufenlos steuern >>> Schema Frequenzsteuerung (variable Spannung und variable Frequenz, großer Drehzahlstellbereich. Ausgangsspannung meist nicht sinusförmig durch PWM Puls Weiten Modulation realisiert), siehe Schema EC Technik : Drehzahlsteuerung ebenfalls durch Veränderung der Spannung und Frequenz. Motor unterscheidet sich vom Asynchronmotor durch seinen Läufer aus dauermagnetischem Material. Die elektronische Kommutierung wird aus der Positionserkennung abgeleitet. Positionserkennung meist mit Magnetfeldsensoren (Hall Sensoren). Neue Systeme ohne Hallsensoren, siehe Schema 21

22 2.1 Spannungssteuerung mit elektronischen Stellern (z.b Phasenanschnittsteuerung mit Thyristoren oder Triacs, die (nur) die Spannung stufenlos steuern 22

23 2.2 Frequenzsteuerung (variable Spannung und variable Frequenz, großer Drehzahlstellbereich. Ausgangsspannung meist nicht sinusförmig durch PWM Puls Weiten Modulation realisiert) 23

24 EC-Getriebemotor Bild: ebmpapst EC Technik : Drehzahlsteuerung ebenfalls durch Veränderung der Spannung und Frequenz. Motor unterscheidet sich vom Asynchronmotor durch seinen Läufer aus dauermagnetischem Material. Die elektronische Kommutierung wird aus der Positionserkennung abgeleitet. Positionserkennung meist mit Magnetfeldsensoren (Hall Sensoren). Neue Systeme ohne Hallsensoren EC Steuerung mit Lageerfassung über Magnetfeldsensoren: 24

25 Wirkungsgrad eines Pumpensystems: η S = η St. η M. η K. η P 25

26 Wirkungsgrad eines Ventilatorsystems: η S = η St. η M. η RT. η V 26

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29 VDI Tabelle 3: Auswahlkriterien für stetige Drehzahlsteuerungen Kriterien Stetige Drehzahlsteuerung mittels Spannungssteuerung Stetige Drehzahlsteuerung mittels Frequenzsteuerung Stetige Drehzahlsteuerung mittels EC-Technologie Lastprofil Energieeinsparung im reduzierten Drehzahlbereich hohe Energieeinsparung im reduzierten Drehzahlbereich höchste Energieeinsparung im gesamten Drehzahlbereich Marktübliche verfügbare Motornennleistungen einphasig bis ca. 1,5 kw dreiphasig bis ca. 5 kw bei Einzelantrieben Parallelbetrieb von Motoren bis ca. 30 kw einphasig bis ca. 1,5 kw dreiphasig unbegrenzt einphasig bis ca. 1,5 kw dreiphasig bis ca. 5,5 kw usw. 29

30 Anforderungen an den Betrieb: Durch elektronische Schaltvorgänge können Geräusche entstehen als Vielfaches der Netzfrequenz, Vielfaches der PWM Taktfrequenz und Vielfaches der Motordrehfrequenz. Durch konstruktive Maßnahmen störende Resonanz vermeiden oder durch Entkopplung dämpfen! Elektromagnetische Beeinflussung: Netzrückwirkungen Funkstörungen 30

31 Anforderungen an Motoren: 1) müssen für spannungsgesteuerten Betrieb zugelassen sein: z.b. durch weiche Drehzahl Drehmomenten Kennlinie Motorschutzschalter reichen nicht, Temperaturwächter für thermischen Schutz erforderlich 2) müssen für frequenzgesteuerten Betrieb zugelassen sein: Schutz vor unzulässiger Belastung durch schnelles Schalten (hohe Induktionsspannungen), z.b. durch allpolige Sinusfilter auftretende Probleme: Lagerschäden durch hochfrequente Lagerströme Wicklungsschäden durch Glimmentladung wegen hohem Spannungen, Isolationsschäden Abhilfe durch Hybridlager oder Sinusfilter, auch gegen Erde, oder langsamerer Schaltvorgänge falls betrieblich möglich 31

32 Pilotprojekt in einer Kläranlage: 32

33 Pilotprojekt in einer Kläranlage (1): 33

34 Pilotprojekt in einer Kläranlage (2): 34

35 Tipps für die Praxis: Unter dem Gesichtspunkt der Energieeinsparung sollen Antriebsregelungen durch Stromrichter überall dort eingesetzt werden, wo die Last von der Drehzahl abhängt und eine bestimmte Mindest-Jahresbetriebsdauer erreicht wird. Damit wird der Motor thermisch entlastet und seine Lebensdauer verlängert. Automatisierung mit Steuer- und Regeltechnik ist ein wesentlicher Schlüssel zur Effizienzverbesserung in der Antriebstechnik. Die Energieeinsparung durch den Einsatz von Stromrichtern kann bei Teillastbetrieb und zusammen mit intelligenter Steuerung Prozent betragen! Die Investitionskosten amortisieren sich aufgrund der Energieeinsparung meist in kurzen Zeiträumen bis unter einem Jahr. 35

36 Die Angebote der Initiative EnergieEffizienz: Die Initiative EnergieEffizienz will mit diesen Faktenblättern einen Beitrag zur Erschließung der Potenziale leisten. Näheres zu den Angeboten in diesen Sektoren finden Sie unter und z.b.: Druckluftsysteme: Mehr Energieeffizienz, weniger Kosten Kältetechnik: Energieeffizienz spart Strom und Kosten Fördertechnik 36

37 Gemeinschaftsveranstaltung des Württembergischen VDI und VDE Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Ihr Referent: Dipl.Ing.(FH) Günther Volz Ingenieurbüro für Elektrotechnik -Lichttechnik - Fördertechnik Tel Mail: pl@n-volz.de Dank an Herrn Oberingenieur M. Greiner für Unterstützung sowie Bilder und Graphiken! 37