Maßnahmen und Kosten zur Begrenzung der Störaussendung von elektrischen Antrieben

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1 Maßnahmen und Kosten zur Begrenzung der Störaussendung von elektrischen Antrieben Vortrag zur ETG Fachtagung Versorgungsqualität Kosten und Nutzen Mannheim, Holger König Januar 2007 Seite 1

2 Elektrische Antriebe Elektrische Antriebstechnik zur Realisierung von mechanischen Bewegungsvorgängen durchgesetzt Zunehmender Einsatz von stromrichtergespeisten Antrieben zur elektronischen Drehzahlregelung Geräteseitiger Einfluss auf die Spannungsqualität Maßnahmen und Kosten zur Begrenzung der Störaussendung von elektrischen Antrieben Energieeinsparung durch elektronische Drehzahlregelung und Netzrückspeisung Arbeitsthemen der Hersteller von Stromrichtern im ZVEI - FV Automation - FB Elektrische Antriebe Januar 2007 Seite 2

3 Elektronische Drehzahlregelung Stromrichter für Gleichstrommotoren Erzeugung einer Gleichspannung durch Phasenanschnitt Höhe des Stromes durch Drehmoment bestimmt Höhe der Spannung durch Drehzahl bestimmt Bei kleinen Drehzahlen hoher Blindleistungsbedarf Frequenzumrichter für Drehstrommotoren Erzeugung einer Gleichspannung mit Eingangsgleichrichter Umwandlung in ein Drehspannungssystem beliebiger Frequenz und Amplitude durch den Wechselrichter Durch Gleichrichter Netzstrom und Netzspannung in Phase Netzstrom entspricht der Wirkleistung Leistungswandler Januar 2007 Seite 3

4 Frequenzumrichter Arbeitsweise des Frequenzumrichters (FU): Nachladen des Zwischenkreises Oberschwingen im Netzstrom I L1 Spannungsstellung mit Wechselrichter HF- Störspannung U UV Störungserzeugung durch Arbeitsweise bestimmt I L1 UUV Januar 2007 Seite 4

5 EMV Rechtsgrundlagen EMV-Richtlinie umgesetzt als EMV-Gesetz fordert: Eine Gerät darf keine anderes Gerät stören. Die Immunität muss ausreichend sein. New Approach: Einhaltung der Normen = Erfüllung EMV RL EMV-Produktnorm für elektrische Antriebssysteme Die EMV-Produktnorm EN ist vorrangig vor den EMV- Fachgrundnormen Weitreichender als Fachgrundnormen (U >1000V, Immunität >16A, ) Umfasst das gesamte Antriebssystem von Netz bis Motor Nichteinhaltung ist strafbar. Januar 2007 Seite 5

6 EMV Anforderungen nach EN Umgebungen und Kategorien Mittelspannungsnetz PCC Öffentliches Niederspannungsnetz Privates Netz Industrienetz Kategorie C1 / C2 Kategorie C1 Kategorie C3 / C4 Kategorie C1 / C2 Kategorie C3 / C4 1. Umgebung 1. oder 2. Umgebung 2. Umgebung Januar 2007 Seite 6

7 EN Anforderungen an Störaussendung Kategorie C1 (1. Umgebung) f > 9kHz: EN55011 Klasse B f < 9kHz: EN /-12, EN /-11, EN Kategorie C3 (2. Umgebung, Warnhinweis) f > 9kHz: EN55011 Klasse A Gr.2 f < 9kHz: zentrale Entstörung Kategorie C2 (1. Umgebung, Fachpersonal, kein Steckeranschluss, Warnhinweis) f > 9kHz: EN55011 Klasse A Gr.1 f < 9kHz: EN /-12, EN /-11, EN Kategorie C4 (2. Umgebung, >1000V oder IT-Netz oder >400A oder Dynamik, EMV-Plan) f > 9kHz: Störungen überschreiten Grenzwerte EN55011 Klasse A Gr.2 f < 9kHz: zentrale Entstörung Januar 2007 Seite 7

8 EN Anforderungen an Störaussendung Antriebssysteme sind meistens in Kategorien C2 und C3 Ein Frequenzumrichter (FU) ohne Filter kann die Grenzwerte für Störspannungen der Kategorien C1...C3 nicht einhalten! Störspannungspegel: --- Umrichter ohne Filter --- Grenzwerte C3 (I<100A) --- Grenzwerte C2 --- Grenzwerte C1 Januar 2007 Seite 8

9 EMV- Maßnahmen für Frequenzumrichter EMV- Maßnahmen für Frequenzumrichter: Oberschwingungsströme Netz- oder/und Zwischenkreisdrossel HF- Störspannungen Netzfilter und EMV- gerechte Installation Störauswirkung normengerecht begrenzt I L1 U Stör Januar 2007 Seite 9

10 EMV Maßnahmen und Kosten Übliche Maßnahmen zur Einhaltung der EMV- Grenzwerte C2: Netzdrossel und Netzfilter C3: Zentrale Verdrosselung und einfacher (eingebauter) Netzfilter Kostenanteile Kategorie C3: Kostenanteile Kategorie C2: Filter; 1,00% Zentrale Drossel; 2,00% Filter; 6,40% Drossel; 6,60% Umrichter; 100,00% Umrichter; 100,00% Januar 2007 Seite 10

11 Elektrische Antriebe und Nutzen VDE Studie zum Erhalt der Versorgungsqualität fordert Energiegipfel zur Erarbeitung einer Strategie: Energiesparen Effizienzsteigerung Erneuerbare Energien Energiesparpotential bis zum Jahr 2020: 25% des derzeitigen Gesamtverbrauchs Schwerpunkt ist Energieeinsparung: elektronische Drehzahlverstellung mit elektronisch verstellbaren Antrieben Januar 2007 Seite 11

12 Elektrische Antriebe und Nutzen Energieverbrauch und Einsparpotentiale in der deutschen Industrie 2004 (insgesamt 248 TWh) Energieverbrauch Wärme in Summe 26,5% Beleuchtung 5% Mechanische Energie 68,5% Einsparpotentiale Motorwirkungsgrad 2,2% Elektron. Drehzahlregelung 9% = 27,5 TWh / a = 2,2 Mrd / a = 17 Mio t CO 2 / a Januar 2007 Seite 12

13 Verluste minimieren - Fördermengenregelung Elektronische Drehzahlregelung Verluste von 185% auf 60% reduziert Nutzleistung Nutzleistung Januar 2007 Seite 13

14 Verluste minimieren - Fördermengenregelung Amortisation (ROI) eines 7,5kW Lüfteraggregates Betriebszeit 4000 h Energiepreis 0,08 / h Mittlerer Förderstrom 70% Einsparungen Energie 8400kWh/ a Stromkosten 672 / a Amortisationszeit 2 Jahre Energieeinsparung Mehrpreis Umrichter 1 Jahr 2 Jahre 3 Jahre 4 Jahre Januar 2007 Seite 14

15 Verluste minimieren - Motoranlauf Direktes Einschalten von Drehstrommotoren am Netz Läuferverluste W rot und Stosslast des Netzes I Anlauf ca. 8 x I n Vollkommen vermieden mit Frequenzumrichterspeisung Januar 2007 Seite 15

16 Verluste minimieren - Energierückspeisung Frequenzumrichter mit Netzrückspeisung Rückspeisung der Nutzbremsenergie ins Netz (sonst in Wärme gewandelt) Prüfstände Belastung des Prüflings Zentrifugen Anhalten Krane Senken der Last Aufzüge Fahrten Leer Auf bzw. Voll Ab Amortisationszeiten 3-5 a -150% Drehzahl- und Leistungsverlauf bei einer Aufzugsfahrt Voll Ab 150% 100% 50% 0% -50% -100% Drehzahl Leistung Energie zur Netzrückspeisung Januar 2007 Seite 16

17 Frequenzumrichter mit Netzrückspeisung EMV-Maßnahmen für Frequenzumrichter mit Rückspeisung: Netzwechselrichter mit pulsfrequenten Störspannungen Rückspeisedrossel und Pulsfrequenzfilter Motorwechselrichter mit HF- Störspannungen Netzfilter U L1 U Stör Januar 2007 Seite 17

18 Netzrückspeisung und Kosten Kostenanteile für Frequenzumrichter mit Netzrückspeisung Rückspeisedrossel und Pulsfrequenzfilter: Begrenzung der pulsfrequenten Störspannung Netzfilter: Begrenzung der HF-Störspannung nach EN Wechselrichter zur Netzrückspeisung Netzrückspeisung; % Umrichter; 100,00% Pulsfilter; 5,60% Drossel; 8,00% Netzfilter; 6,40% Januar 2007 Seite 18

19 Notwendigkeit des Energiesparens Entwicklung der mittleren bodennahen Lufttemperatur der Nordhemisphäre seit Beginn der industriellen Revolution ca. +0,6 C Projektionen zeigen weiteren Anstieg um 1,5 C bis 4,5 C bis 2100 Energiesparen ist eine umweltpolitische Notwendigkeit! Informationsbroschüre Klimaänderung, Bundesumweltamt, Mai 2004 Januar 2007 Seite 19

20 Boom Energiesparender Antriebstechnik? Energiesparen ist umweltpolitisch notwendig Erfolge der Aufklärung über Energieeinsparung Marktanteil der Energiesparmotoren 90% Zuwachsraten der Antriebsstromrichter zweistellig Trotzdem hohes, ungenutztes Energiesparpotential Jeder 3. Motor mit Umrichter verkauft, sinnvoll jeder 2. 12% der Motoren im Bestand mit Umrichter, sinnvoll 50% Technologie und Bewusstsein sind vorhanden Warum setzt sich diese so zögerlich durch? Einkäufer an Anschaffungskosten und nicht Betriebskosten gemessen Wettbewerbsdruck beim Maschine-/ Anlagenbauer als Erstkäufer Januar 2007 Seite 20

21 Initiative Lebenszykluskosten (LCC) Initiative des ZVEI Life Cycle Cost LCC als Kaufentscheidung der Endkunden/ Anwender Erfolg der Einkäufer nicht nur an Beschaffungskosten sondern auch an Einsparung der Betriebskosten messen Information von Maschinebauer und Anwender über neue Energiespartechniken ZVEI im Dialog mit Anwendern Fachverbänden Dachverband CEMEP Europäische Kommission Energy 97 % One Rewind 1% Initial Purchase 2% LCC (Life Cycle Cost) eines Elektromotors sind zu 97% Energiekosten! Januar 2007 Seite 21

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