FU: Potentiale heben, Fallstricke vermeiden. Motor Summit , Zürich, Michael Burghardt, Danfoss GmbH

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1 FU: Potentiale heben, Fallstricke vermeiden Motor Summit , Zürich, Michael Burghardt, Danfoss GmbH

2 IE3 Umrichter + IE3 Motor = IE3 System? Beispiel Systemeffizienz ø450 Radiallüfter* Asyn. Motor (IE2) + FU + direkt getriebener Lüfter η Motor+FU = 83% η Lüfter = 75% η System = 63% PM Motor (IE3) + FU + direkt getriebener Lüfter η Motor+FU = 89% η Lüfter = 75% η System = 66% EC Motor (IE3) + Elektronik + direkt getriebener Lüfter η Motor+FU = 89% η Lüfter = 68% η System = 60% *Systemwirkungsgrad wurde nach VDI DIN 6014 durch Multiplikation ermittelt Ergebnisse basieren auf Lüfterkatalogdaten und gemessen Motor+FU Systemen (bei vergleichbaren Lasten) Hocheffiziente Einzelkomponenten garantieren kein hocheffizientes System Die Größe der Lüfternabe von Radiallüftern beeinflusst den aerodynamischen Wirkungsgrad. Je größer die Nabe des größer die Verluste. FU: Potentiale & Fallstricke Dienstag, 27. November

3 Einsparungen bei quadratischem Lastmoment Druck [bar] Pumpenkennlinie Im Arbeitspunkt benötigte Energie Anlagenkennlinie Lüfter und viele Pumpen haben einen quadratischen Lastverlauf Leistungsaufnahme hängt kubisch von der Drehzahl ab Arbeitspunkt Drehzahlregelung Drehzahlregelung führt bei Anwendungen mit quadratischem Moment fast immer zu erheblichen Kosteneinsparungen Durchfluss [Q] Beispiel: 20% weniger Drehzahl resultiert in ca. 50% Energieeinsparung FU: Potentiale & Fallstricke Dienstag, 27. November

4 Beispiel: Anwendung Belüftungsanlage Lüftermotor: 5,5 kw / Betrieb: 365 Tage/24h / Benötige Luftmenge variiert (Jahreszeiten, Personenanzahl) Lastprofil (Indien) Energieverbrauch pro Jahr berechnet mit Danfoss EnergyBox 2.0 Einsparung durch besseren Motor Drosselregelung Drehzahlregelung IE1->IE2 3,4% 4,6% IE1->IE3 5,5% 7,3% IE2->IE3 2,1% 2,9% Einsparung durch Drehzahlregelung IE1 30,4% IE2 31,2% IE3 31,7% FU: Potentiale & Fallstricke Dienstag, 27. November

5 Wirkungsgrade bei Teillast Für Abschätzung der Umrichterverluste ist der Lastpunkt in Diagramm mit dem Nennwirkungsgrad des FU zu multiplizieren. Wirkungsgradverhalten: Beispiel 4 kw Motor + Umrichter Umrichter- und Motorwirkungsgrade sinken im Teillastbereich Motor hat bei FU-Betrieb mehr Verluste. Grund: Taktfrequenz, Oberschwingungen Motorwirkungsgrade sind oft nur bei Nennfrequenz bekannt FU: Potentiale & Fallstricke Dienstag, 27. November

6 Begrenztes Budget: Zuerst in Motor oder FU investieren? Lüftermotor: 5,5 kw / Betrieb: 365 Tage / 24h / Lastprofil Indien Kosten Motor: 260 / Kosten FU: 920 / Kosten FU Montage: 300 / Kosten kwh: 0,10. Annahme: Gleichmäßiges Lastprofil pro Monat Austausch IE 2 Motor gegen IE3 Motor: 30 Monate Austausch Drosselregelung gegen FU Regelung ohne Motortausch: 10 Monate Austausch Drosselregelung gegen FU Regelung mit Motortausch auf IE3: 9 Monate FU: Potentiale & Fallstricke Dienstag, 27. November

7 Einsparungen bei konstantem Lastmoment Drehmoment [Nm] Im Arbeitspunkt benötigte Energie Leistung [W] Arbeitspunkt Viele Maschinenantriebe haben näherungsweise einen konst. Lastmomentbedarf (P mech ~ M * n) Oft wechselnde Belastung (z.b. Fließband) Last- und Schlupfausgleich moderner Regler passen Leistungsaufnahme an aktuellen Lastbedarf an Drehzahlregelung ermöglicht: Drehzahl [min -1 ] Prozessoptimierung, auch nachträglich Energieeinsparung Günstige Übersetzungsverhältnisse Geringeren mechanischen Verschleiß FU: Potentiale & Fallstricke Dienstag, 27. November

8 Betrieb am Netz Beispiel: Anwendung Fließband Transport von Waren mit 200 kg über ein Fließband / Lastzyklus 10 s Beladenes Fließband Leeres Fließband FU rechnet sich Betrieb am Umrichter Niedrigere Geschwindigkeit unter Volllast FU rechnet sich nicht Energiebedarf bei verschiedenen Lastzyklen undfließbandgewichten Energieverbrauch für Transport der Last ist bei Netz und FU ungefähr gleich Bei Netzbetrieb wird Energie für Betrieb des leeren Fließbandes benötigt Abhängig von Lastprofil und Leerlaufverlusten, rechnet sich der Umrichtereinsatz FU: Potentiale & Fallstricke Dienstag, 27. November

9 Beispiel: Personenaufzug mit Rückspeisung Technische Daten Last (Gegengewichtfahrt): 1100 kg Motorleistung: 5,5 kw η Getriebe =90%/η Schacht =80%/η Motor =88% (IE2) Fahrbetrieb netto: 1 Stunde / Tag Energiepreis 0,20 /kwh Amortisation (pro Jahr) Gewinn durch Rückspeisung: ca. 21 Standby-Verluste (gemessen): FU Rückspeisefähig = 40W / FU Standard = 20W Mehrkosten im Standby: ca. 34 Höhere Verluste im Motorbetrieb wurden nicht berücksichtigt! Rückspeisung kann, muss sich aber nicht lohnen! FU: Potentiale & Fallstricke Dienstag, 27. November

10 Gleich- und Wechselrichter erzeugen Störungen Motorstrom EMV-Filter müssen nicht serienmäßig in Geräten enthalten sein. Separate Entstörung ist zulässig, bewirkt aber zusätzliche Verluste und Kosten! Motorspannung Wird in THD (Total Harmonic Distortion) bewertet Hohe THD Werte bedeuten: höhere Verluste in Transformator größere Leitungsquerschnitte Lebensdauerbeeinflussung anderer Geräte Belastet Motorisolation Erzeugt EMV-Störungen Leitungsgebunden (150 khz-30 MHz) Luftgebunden (30 MHz-1 GHz) FU: Potentiale & Fallstricke Dienstag, 27. November

11 Motor für FU Betrieb Nicht-sinusförmige Spannung des FU und die Kommutierungsvorgänge beanspruchen Isolation eines Motors zusätzlich IEC / IEC definieren Anforderungen an Motorisolation Abhilfe für kritische / ältere Motoren Allpolige Sinus-Filter (ca. 60% FU Preis) Sinus-Filter (ca. 30% FU Preis) du/dt (ca. 15% FU Preis) FU: Potentiale & Fallstricke Dienstag, 27. November

12 Einordnung Netzfilter (Diskussionsgrundlage) Kosten Umrichter Kosten Netzfilter 12 Puls Passive Filter 10% 24 Puls Active Front End 18 Puls Passive Filter 5% Active Filter Optimale Lösung Umrichterpreis wird bestimmt durch Leistung Lebensdauer Schutzart Netz- und EMV-filter (15-20% FU Preis) Technologie Funktionen Schnittstellen (z.b. ProfiEnergy) u.v.w. DC Drossel AC+DC Drossel Quasi 12 Puls Preisabschätzung aus EuP-Lot-30-Task-2-5- Jun-2012-Draft: ca. 2 x Motorpreis (Ohne Bezug auf Motor- und FU- Klasse ) Slim DC Link Keine Drossel Performance (gesamtes Frequenzspektrum) Versteckte Kosten: Bedarf für Schaltschrank & Installation Evtl. externe Filter Zusätzlich Klimatisierung FU: Potentiale & Fallstricke Dienstag, 27. November

13 Auf einen Frequenzumrichter kann man verzichten wenn die Betriebsbedingungen bei der Auslegung vollständig bekannt sind, sich kaum ändern und die Motornenndrehzahl zum System passt die Anwendung dauerhaft mit Nenndrehzahl betrieben wird (seltene Start/Stopps) der Anlaufstrom am Netz oder Sanftanlasser nicht kritisch ist Funktionen wie z.b. Drehmomentbegrenzung nicht benötigt oder extern gelöst werden Beispiele: Ungeregelte Pumpen bei Kaskadenregelung Pumpen für Entwässerung bei Starkregen FU: Potentiale & Fallstricke Dienstag, 27. November

14 Zusammenfassung / Ratschläge Prüfen Sie ob Ihre Anwendung für Drehzahlregelung geeignet ist Beachten Sie die Beeinflussung von Maßnahmen auf das Gesamtsystem Achten Sie bei der FU Auswahl auf versteckte Kosten / Energieverbräuche (z.b. Filter, Drosseln, Steuerungen,..) Ziehen Sie zur Abklärung technischer Vor- und Nachteile beim FU-Einsatz im Bedarfsfall Experten hinzu! FU: Potentiale & Fallstricke Dienstag, 27. November

15 FU: Potentiale & Fallstricke Dienstag, 27. November

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