Anforderungen an elektrische Antriebe, Frequenzumformer und Antriebssysteme aus Sicht der Motorhersteller

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1 Anforderungen an elektrische Antriebe, Frequenzumformer und Antriebssysteme aus Sicht der Motorhersteller 26., Topmotors Workshop Zürich Hans Menzi, Siemens Schweiz AG, I SCE Zürich

2 Kurzübersicht der nächsten 20 Minuten 1. Am Anfang war der Motor 2. Der Weg zum Antriebssystem 3. Beweggründe der Reduzierung des Energieverbauchs 4. Effizienzsteigerung der Elektromotoren 5. Energieeinsparung durch Systemoptimierung 6. Umsetzung und Fazit

3 1. Am Anfang war der Motor Der Motor ist mehr als 100 Jahre alt als Gleichstrom- und Drehstrommotor Die Drehzahl an der Welle zur Mechanik ist durch die Netzfrequenz fest gegeben. >>Prozessdosierung durch mechanische Lösungen Die Leistungselektronik erlaubt eine kostengünstige Lösung die Drehzahl dem Prozessbedarf anzupassen. Das Antriebssytem entsteht Inverter (FU) für variable Drehzahl und Moment. Jede Brachen seine Lösung Grundstoffindustrie, Textil, Werkzzeugindustrie usw.

4 2. Der Weg zum Antriebssystem weg vom Motor Transnormmotoren Norm- Asynchronmotoren Typ: 1L Asynchron- Servomotoren Typ: 1P Hoch- spannungs- Motoren Synchron- Servomotoren Typ: 1F Direktantriebe

5 .. zum Antriebssystem Transnormmotoren Norm- Asynchronmotoren Typ: 1L Asynchron- Servomotoren Typ: 1P Hoch- spannungs- Motoren Synchron- Servomotoren Typ: 1F Direktantriebe

6 Energiesparen wo? IE1 IE2 IE3 IE4 usw. Mechanisches System... Motor und Getriebe... Umrichter / Motorstarter... Zubehör Steuerung / Regelung und im System... Quelle: Bundesamt für Energie BEF

7 3. Beweggründe der Reduzierung des Energieverbrauchs Steigende Energiekosten Negativer Einfluss auf Betriebskosten und Produktivität Absicherung der Wettbewerbsfähigkeit Klimawandel CO 2 Reduktion zum Umweltschutz Green Image für Hersteller Gesetzgebung: EuP-Richtlinie Umweltschutz Keine Wende in Sicht Keine Wende in Sicht Freiwilligkeit genügt nicht!

8 Effizienzsteigerung der Elektromotoren Ener

9 Maßnahmen Aktivteile im Vergleich IE2 - Stator IE2 - Läufer IE1 - Stator IE1 - Läufer

10 Massnahmen Verlustminimierung P elektrisch P P elektrisch 3 * U * * cos 1 I Ziel: Verluste minimieren Stator P cu1 P Fe P zus 1 mehr Kupferdraht Verlustreduziertes Blech, mehr Fläche Dünneres Blech Rotor P cu2 P R P zus 2 Kupfer statt Aluminium Optimierte Lüfter + Lager Blechschnittgeometrie Wirkungsgr ad : P mechanisch P 2 M * n 9,55 P mechanisch P2 P 1 P P mechanisch mechanisch Verluste P P mechanisch elektrisch Die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsleistung sind die Verluste. Die Verlustwärme wird über das Gehäuse abgeführt.

11 Mehrkosten durch höhere Wirkungsgrade Geringere Stromkosten: IE2-Motor-Amortisation? Motor 440 Install. 170 Stromkosten Total Cost of Ownership (TCO) Energieverbrauch macht typisch bis zu 95 % der Lebenskosten aus!

12 Energieeffiziente Antriebssysteme und Motoren Signifikant niedrigerer Stromverbrauch Energiesparmotoren tragen zu einem Ressourcenschonenden Einsatz bei. Frequenzumrichter können aber bis zu 50% Energie einsparen: Motoren der höchsten Effizienzklasse (IE2) sparen durch verbesserte Wirkungsgrade bis zu 40 Prozent der Verlustleistung gegenüber einem herkömmlichen Motor. Antriebe, die Bremsenergie zurück speisen, können bis zu 50% effizienter sein.

13 Energieeinsparung durch Systemoptimierung

14 Energiesparpotential nutzen Technische Maßnahmen weg vom konventionellen Festdrehzahl-Antrieb mit nachgeschalteter verlustbehafteter Anpassung an den Prozessbedarf überschüssige Energie wird vernichtet hin zum verlustarmen, stufenlos regelbaren Elektroantrieb optimale Prozessführung nur jeweils benötigte Energie wird bereitgestellt konsequente Verwendung verlustarmer Systemkomponenten Einsatz von Energiesparmotoren keine Schneckengetriebe keine Drossel- oder Bypassregelungen

15 Energiesparpotential nutzen Technische Maßnahmen bei allen Komponenten Elektrische Energieversorgung 3 ~, 400V, 50Hz Elektrischer Teil U/f-Umrichter Process-Controlling Energieoptimierte Arbeitsprozesse Schutz und Sicherheitsfunktionen E-Mot Drehmoment/ Drehzahl- Wandler Mech. Kraftübertragung / Stellglieder Mechanische Leistung Drehmoment/ Drehzahl Betriebsmodus Mechanischer Teil Dynamik

16 Energieeinsparung Mengenregelung über Drosselventil M Throttle valve control M X H Einspeiseleistung 160% 100% 285% 281% 265% Nutzleistung I Verluste in: t Motor Pumpe Transformator Drosselventil I t Feste Drehzahl Betrieb am Netz Im Antriebsprozess steckt das Haupteinsparpotential zur Energieeinsparung! Beispiel: Beim konventionellen Festdrehzahl- Antrieb mit Fördermengenregelung über ein Drosselventil muss das 2,85-fache der Förderleistung in Form von Elektroenergie eingespeist werden. Die Energiebilanz einer mit konstanter Drehzahl betriebenen Pumpe wird immer ungünstiger, je kleiner die benötigte Fördermenge ist.

17 Energieeinsparung Mengenregelung über Drehzahl ~ ~ M H I I t Betrieb am Umrichter Variable Speed control I t Variable Drehzahl t ~ ~ M Einspeiseleistung 160% Verluste in: 158% 152% 142% 100% Nutzleistung Transformator Umrichter Motor Pumpe Im Antriebsprozess steckt das Haupteinsparpotential zur Energieeinsparung! Beispiel: Bei elektronischer Drehzahlregelung beträgt die Einspeiseleistung nur das 1,6- fache der Förderleistung und die Gesamtverluste werden auf 1/3 reduziert. Zusätzlich verbessert sich die Prozessqualität.

18 Technik Standard Umrichter Standard-Umrichter L1 L2 L3 Drossel (optional) C1 M Gleichrichter Bremschopper ZK Wechselrichter Energiefluss Bremswiderstand (optional) Netzseitiger Eingangsstrom - Dioden werden grundfrequent leitend - Oberwellenanteil : sehr hoch (kann über optionale Drossel verringert werden) - Hoher Blindanteil : ~ 0,7 - Pulsfrequente Ströme : keine Bremsbetrieb - Kinetische Energie wird im Bremswiderstand in Wärme umgewandelt ZK-Spannung - Mittelwert ist Lastabhängig (1,35..1,42 Unetz) - Welligkeit : mittel - Aussteuergrad : ca. 92%

19 Technik Umrichter mit Efficient Infeed Technologie Efficient Infeed F3E-Umrichter L1 L2 L3 C1 M F3E-Filter F3E-Gleichrichter ZK Wechselrichter Energiefluss Netzseitiger Eingangsstrom - F3E-Transistoren werden grundfrequent getaktet - Oberwellenanteil : geringer als beim Standard- Umrichter - Geringer Blindanteil : ~ 0,9 - Pulsfrequente Ströme : geringer als beim AFE Bremsbetrieb - Kinetische Energie wird ins Netz zurückgespeist ZK-Spannung - Mittelwert = 1,35 Unetz - Welligkeit : höher als beim Standard Umrichter - Aussteuergrad : ca. 87%

20 SINASAVE Grundlagen der Berechnung

21 Energiesparpotential nutzen Checkliste für die effiziente Antriebsauswahl Stets Energiekostenbilanz überprüfen Die Anschaffung eines Frequenzumrichters zur Drehzahlregelung amortisiert sich häufig in kurzer Zeit aus der Energieeinsparung In 80% aller Fälle rechnet sich der Einsatz eines Umrichters in weniger als 15 Monaten Energiesparmotoren IE2 sind ab Betriebsstunden pro Jahr grundsätzlich die wirtschaftlichere Alternative Bei kurzer Betriebsdauer (z. B. Stellantrieb) sind Energiesparmotoren IE1 ausreichend Im Reparaturfall prüfen, ob Neuanschaffung von Energiesparmotoren wirtschaftlicher ist

22 Zusammenfassung Technical Services Products Lower Energy Costs + = Technische Dienstleistungen: Identifizierung/ Bewertung von Einsparpotenzialen Optimierungskonzept Realisierung Produkte: IE2-Motoren haben bis zu 7% höheren Wirkungsgrad Der Einsatz von Frequenzumrichter + IE2 Motor spart bis zu 70% der Stromkosten Nutzen: Geringerer Stromverbrauch Reduzierung der Betriebskosten Kleinere Umweltbelastung Einhaltung gesetz. Vorgaben Optimierte Systeme

23 Wir tun vieles was fehlt noch? Stärkere, niveaugerechte Information in der Ausbildung mit Unterstützung durch Bildungsplan und zusätzliche Mittel. Fachkräfte mit Wissen über Energieeinsparpotentiale

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit