Elektrische Motoren und Antriebe Grundlagen, Einsatz und Einsparpotentiale

Transkript

1 IHK Aachen 02. Energiedialog 2015 Elektrische Motoren und Antriebe Grundlagen, Einsatz und Einsparpotentiale siemens.de/buildingtechnologies Inhaltsverzeichnis Einleitung Maßnahmen zur Effizienzsteigerung Anwendungsoptimierung Reduzierung der Kraftübertragungsverluste Einsatz hocheffizienter Motoren Regelung und Steuerung Praxisbeispiel Checkliste und Faustformeln Seite 2 Handzettel 1

2 Inhalt Einleitung Maßnahmen zur Effizienzsteigerung Anwendungsoptimierung Reduzierung der Kraftübertragungsverluste Einsatz hocheffizienter Motoren Regelung und Steuerung Praxisbeispiel Checkliste und Faustformeln Seite 3 Elektrische Antriebe haben eine breites Einsatzspektrum (Industrie, Gewerbe, Haushalte, Verkehr) Pumpen Ventilatoren Sonstige Antriebe (z.b. Werkzeugmaschinen, Roboter, Haushaltsgeräte etc.) Kälte Förderanlagen (Kräne, Bänder, Aufzüge etc.) Rührwerke Druckluft Mühlen, Brecher Fahrzeuge Seite 4 Handzettel 2

3 Elektrische Antriebe sind wesentliche Stromverbraucher mit Einsparpotential Stromverbrauch in Deutschland durch elektrische Antriebe Anteil am Strombedarf der Industrie ca. 70% (153 TWh el /a) Je nach Anwendung kann der Strombezug um 3-60% gesenkt werden Seite 5 Quelle: Rationelle Energiegewinnung in der Industrie, Fraunhofer Institut System und Innovationsforschung, Karlsruhe Inhaltsverzeichnis Einleitung Maßnahmen zur Effizienzsteigerung Anwendungsoptimierung Reduzierung der Kraftübertragungsverluste Einsatz hocheffizienter Motoren Regelung und Steuerung Praxisbeispiel Checkliste und Faustformeln Seite 6 Handzettel 3

4 Elektrische Antriebssysteme bestehen aus mehreren Einzelkomponenten Steuerung / Regelung Motor Kraftübertragung Maschine/Anwendung Schütz Getriebe Direkt/ Kupplung Sanftstarter Frequenzumrichter Riemen/ Ketten Seite 7 Gesamteffizienz hängt von der Effizienz der Einzelkomponenten ab Steuerung / Regelung Verluste Motor Kraftübertragung Maschine/Anwendung Direkt/ Kupplung Schütz Elektrische Energie Sanft-VerluststarterSteuerung Regelung Frequenzumrichter 1% - 4% Verluste Motor 2% - 30% Getriebe Verluste Übertragung bis 30% Riemen/ Ketten Verluste Maschine bis 94% Nutzenergie Seite 8 Handzettel 4

5 Effizienzsteigerung bedeutet Optimierung des Gesamtsystems Steuerung / Regelung Motor Kraftübertragung Maschine/Anwendung Schütz Sanftstarter Frequenzumrichter Ideale Vorgehensweise Effizienzsteigerung: Direkt/ Kupplung 1. Optimierung Betriebsparameter (Druck, Temperatur etc.) Getriebe 2. Optimierung der Maschine (effiziente Pumpe, Lüftung, ) 3. Optimierung der Antriebskomponenten inkl. Regelung Riemen/ Ketten (richtige Dimensionierung und hohe Effizienz) Seite 9 Inhaltsverzeichnis Einleitung Maßnahmen zur Effizienzsteigerung Anwendungsoptimierung Reduzierung der Kraftübertragungsverluste Einsatz hocheffizienter Motoren Regelung und Steuerung Praxisbeispiel Checkliste und Faustformeln Seite 10 Handzettel 5

6 Auswahl und Dimensionierung der angetriebenen Maschine ist von der Anwendung abhängig Entscheidende Fragen zur richtigen Lösung Steuerung / Regelung Motor Kraftübertragung Maschine/Anwendung Schütz Sanftstarter Frequenzumrichter Direkt/ Kupplung Welche Leistung ist erforderlich? (z.b. Bewegen von Gütern, Druckaufbau etc.) Getriebe Mit welcher Maschine kann das energetisch effizient gelöst werden? Wie kann die Energie für diese Maschine effizient bereitgestellt werden? Riemen/ Ketten Seite 11 Beispiel Maschinenoptimierung Hydraulik Hydraulikpumpen an Blechschneidemaschine Bei Nicht-Nutzung (Standby) schaltet die Pumpe auf Bypass Verbrauch im Standby (ca h/a) ca. 30% Spitzenlast 34 kw Spitzenlasten Maßnahme: Einsatz drehzahlgeregelter Pumpen Einsparung 10% Gesamtstrombedarf Maschine 11 kw Bypassbetrieb Seite 12 Handzettel 6

7 Beispiel Anwendungsoptimierung Situation Gersteförderung in Mälzerei mit Gebläsen (3 x 15 kw) Maßnahme: Umstellung auf flexible Schneckenförderer (2 x 11 kw) Speicher Gerste Annahme Gebläse Einsparung ca. 50% Strombedarf Gersteförderung Seite 13 Inhaltsverzeichnis Einleitung Maßnahmen zur Effizienzsteigerung Anwendungsoptimierung Reduzierung der Kraftübertragungsverluste Einsatz hocheffizienter Motoren Regelung und Steuerung Praxisbeispiel Checkliste und Faustformeln Seite 14 Handzettel 7

8 Kraftumlenkung führt zu Verlusten Entscheidende Fragen zur richtigen Lösung Steuerung / Regelung Motor Kraftübertragung Maschine/Anwendung Steuerung / Regelung Motor Direkt/ Kupplung Kann die Umlenkung gänzlich vermieden werden Schütz (Direktantrieb)? Wie können Drehmoment und Drehzahl effizient bereitgestellt werden? Sanftstarter Frequenzumrichter Getriebe Riemen/ Ketten Seite 15 Kraftübertragung Kraftumlenkung wird oft genutzt um eine Kraftübersetzung zu erreichen (höheres Moment bei geringerer Drehzahl) Maschinenteile voneinander zu entkoppeln und Vibrationen am Antrieb zu verringern (z.b. Lüfter) Kraftumlenkung führt zu Energieverlusten und sollte möglichst effizient gestaltet oder vermieden werden Seite 16 Handzettel 8

9 Kraftübertragung Riemenantriebe Riemenantriebe ohne Kraftübersetzung können i.d.r. gegen Direktantriebe mit flexiblen Kupplungen ersetzt werden (i.d.r. Kompressoren, Lüfter) Keine Drehzahlübersetzung Übertragungsverlust bis 10% Übertragungsverlust < ~ 1% 0% Platzverhältnisse prüfen!!! Hier z.b. muss die Durchfahrt frei bleiben Seite 17 Kraftübertragung Riemenantriebe vs. Kupplungen Bei Übersetzungsverhältnissen von 1:1 können elastische und hochelastische Kupplungen i.d.r. an Stelle von Riemenantrieben eingesetzt werden (Platzbedarf für Umbau prüfen). Vorteile: Stoßdämpfung durch flexible Einlagen (verschiedene Härtestufen) Direkte Kraftübertragung ( keine Verluste) Einfache Wartung durch Ersatz von Dämpfern Geeignet insb. für Lüftungsanlagen, Kompressoren, Hydraulikpumpen etc. Seite 18 Handzettel 9

10 Kraftübertragung Riemenantriebe Wenn Riemenantrieb nicht vermeidbar dann: Keilriemen sollten möglichst gegen Zahnriemen ersetzt werden Anfahr-Charakteristik der Maschine prüfen à Rissgefahr bei Stoßbelastung! *Anschaffungskosten beinhalten Scheiben und Riemen und beziehen sich auf ein Flachriemen Seite 19 Zusammenfassung Getriebe Gewährleisten hohe Übersetzung bei geringem Platzbedarf Effizienz nimmt mit der Anzahl der Getriebestufen ab Wartungsintensiv (Getriebeöl, Lager etc.) Können in einzelnen Anwendungen durch leistungsstärkere Motoren (Torque- Motoren) ersetzt werden Seite 20 Handzettel 10

11 Effizienzverbesserung durch Torque-Motoren Aufbau, Eigenschaften Synchronantrieb mit Permanentmagnet als Läufer Hohes Drehmoment bei kompakter Bauweise und geringem Bauvolumen ( kw, Nm) Hohe Überlastfähigkeit Direkte Anbindung an die Maschine über Flanschverbindung (keine Getriebe bzw. Keilriemenkraftübertragung erforderlich) Effizienzsteigerung gegenüber Getriebeantrieb 3-6% Guter Teillastwirkungsgrad Geringes Trägheitsmoment Seite 21 Beispiel Effizienzsteigerung durch Torque-Motoren Anwendung Ein Rührwerk wird mit einem Getriebemotor angetrieben Durch Einsatz eines Hocheffizienz-Torquemotors kann die Effizienz um 6% gesteigert werden Ƞ = 96% Ƞ = 93,9% Getriebe Ƞges = 90,2% Ƞ = Ƞges = 95,8% Seite 22 Handzettel 11

12 Inhaltsverzeichnis Einleitung Maßnahmen zur Effizienzsteigerung Anwendungsoptimierung Reduzierung der Kraftübertragungsverluste Einsatz hocheffizienter Motoren Regelung und Steuerung Praxisbeispiel Checkliste und Faustformeln Seite 23 Richtiger Motor für die richtige Anwendung Motorauswahl ist entscheidend für die Effizienz des Antriebsstrangs Steuerung / Regelung Motor Kraftübertragung Maschine/Anwendung Schütz Sanftstarter Frequenzumrichter Direkt/ Welches Drehmoment, Kupplung Drehzahl und Dynamik sind erforderlich? Getriebe Ist eine Drehzahlregelung sinnvoll (insb. bei Strömungsmaschinen)? Welche Riemen/ Umgebung (Temperatur, Ketten EX-Schutz, Witterung etc.)? Seite 24 Handzettel 12

13 Elektromotoren Drehfeldantriebe werden am häufigsten eingesetzt Elektrische Maschinen Gleichstrom Maschinen Selbsterregte Gleichstrommaschinen Nebenschlussmaschinen Reihenschlussmaschinen Doppelschlussmaschinen Fremderregte Gleichstrommaschinen Drehfeld Maschinen Asynchron Maschinen Schleifringmotoren Kurzschlussläufer Synchron Maschinen Vollpolläufer Schenkelpolläufer Schrittmotoren Seite 25 Drehfeldmaschinen Entstehung Drehfeld Entsteht durch phasenverschobene Induktion in Spulen des Stators Rotation hängt von Netzfrequenz und Anzahl der Pole ab Stator Spulen Rotor 50 Hz-Netz Anzahl Pole 2 n = 3000 min -1 Anzahl Pole 4 n = 1500 min -1 Seite 26 Handzettel 13

14 Drehfeldmaschinen Grundtypen Synchronmaschine Läufer (Rotor) folgt dem Luftspaltdrehfeld des Stators synchron d.h. mit gleicher Drehzahl Asynchronmaschine Läufer (Rotor) folgt dem Luftspaltdrehfeld des Stators asynchron, d.h. mit geringerer Drehzahl (Schlupf) Permanentmagnet Spule Polpaarzahl 1 n=50hz=3000 min -1 Polpaarzahl 2 Seite 27 n=25hz=1500 min -1 Quelle: Chair for Multimedia and Information Systems, Faculty of Graphic Arts, University of Zagreb, Croatia Allgemeine Eigenschaften der Synchron-/Asynchronmotoren Synchron Motor Asynchron Motor kennlinie Motorkennlinie Maschinen- Seite 28 Handzettel 14

15 Allgemeine Vor- und Nachteile der Synchron-/Asynchronmotoren Vorteile Nachteile Synchron Motor + Höhere Drehmomentdichte über Drehzahl + Gute Regelbarkeit über gesamten Drehzahlbereich + Hohe kurzfristige Überlastbeständigkeit + Schnelle Beschleunigungen möglich (hohe Dynamik!) + Hohe Effizienz - Höhere Investition (seltene Erden) - Nicht in allen Leistungsklassen verfügbar Asynchron Motor + Standardmotor (ca. 80% der insgesamt eingesetzten Motoren sind Käfigläufer) + Hohe Drehzahlen (bis /min) + Geringe Investition + Wartungsarm - Reduzierte Drehmomentdichte über Drehzahl (Sattelmoment, Nennmoment) - Geringere Effizienz (Induktion im Käfigläufer) Seite 29 Elektromotor: Maschine zur Umwandlung der elektrischen Energie in Bewegungsenergie 3% - 30% (hängt von der Motorgröße und Betriebspunkt ab) Verluste Q, % 70-97% Elektrische Energie U, I, cos φ Mechanische Energie (M,n) Elektrischer Motor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Die Kraft, die von einem Magnetfeld auf den Anker des Antriebes ausgeübt wird, wird in Bewegung umgesetzt Seite 30 Handzettel 15

16 Wesentliche Motorkenndaten befinden sich auf dem Typenschild Motorkenndaten Typenschild Leistungsangabe auf dem Typenschild ist die Nennwellenleistung des Motors P mech = 2 p n M Elektrische (Nenn)-Wirkleistungsaufnahme errechnet sich über P el = Nenn Nenn 3 U I cosj Der Nennwirkungsgrad des Motors ist der Quotient der beiden Leistungen: P h = P mech el Seite 31 Wesentliche Motorkenndaten befinden sich auf dem Typenschild Herstellungsland Nominelle zulässige Umgebungstemperatur Klasse Nomineller Wirkungsgrad Wirkungsgrad- Betriebsspannung/- strom Angaben zum Betrieb in 60Hz Netzen (NEMA) z.b. USA Seite 32 Handzettel 16

17 Wirkungsgrade der Niederspannungsmotoren Klassifizierung nach IEC (leichtere Auswahl von Effizienzmotoren) Klassifizierung nach IEC Einteilung in 4 Wirkungsgradklassen IE1 bis IE4 Bestimmung des Wirkungsgrades nach neuen verbesserten Testmethoden (IEC :2007) Klassifizierung für 0,75 bis 375 kw Nennleistung Ab müssen alle in der EU neu verkauften Motoren der Leistungsklasse 0,75 bis 375 kw mindestens die IE2 Norm erfüllen Quelle: Efficiency Classes, Electric Motors and Systems, MEPSA 2009 Seite 33 Mindestanforderungen an Motoreffizienz in der EU IEC : 2. Edition 06/ / /2017 Motoren > 7,5 kw Min. Effizienz IE2 7, kw Min. Effizienz IE3 7, kw Motoren < 7,5 kw Min. Effizienz IE2 0,75.. 7,5 kw Min. Effizienz IE3 0,75.. 7,5 kw Motoren im FU Betrieb Min. Effizienz IE2, 0, , kw Seite 34 Handzettel 17

18 IE-Wirkungsgradklassen IEC Hz Betrieb Seite 35 IE-Wirkungsgradklassen IEC Hz Betrieb Bei Volllaststunden/a spart ein 75 kw IE3-Motor gegenüber einem IE2-Motor - 5,8 MWh/a (ca. 700 /a) MWh/18a (ca /18a) (statistische Lebensdauer) à Mehrinvest IE3 vs. IE2 ca. 350 à Amortisation 0,5 a Seite 36 Handzettel 18

19 Einsatz hocheffizienter Motoren: Mehrinvest in IE3-Motoren amortisiert sich schnell Lebenszykluskosten Lebenszykluskosten 100% 80% 60% 40% 20% 0% 2,3% 1,1% 0,9% 0,9% 0,2% 0,1% 96,8% 98,7% 99,0% 96,8% 98,7% 99,0% Energiekosten Installations-/Wartungskosten Kaufpreis 1,5 kw 15 kw 110 kw Bemessungsleistung Maßgeblich geprägt durch Energiekosten Energiekosten bis zu 99% der Lebenszykluskosten Effizienz des Antriebes als Hauptentscheidung bei der Auswahl Mehrkostenamortisation nach 0,5-2 Jahren Statistische Motorenlebensdauer: à 1.5 kw: 12 a à 15 kw: 15 a à 110 kw: 20 a Seite 37 Vergleich von IEC IE-Klassen Ab 2015 Pflicht* Ab 2011 Pflicht *für Motoren ab 7,5 kw nicht im FU-Betrieb Quelle: dena Seite 38 Handzettel 19

20 Wodurch wird ein Motor effizienter? Verbesserung der Motoreffizienz Mehr Kupferdraht (größerer Querschnitt) Kupfer statt Aluminium Größerer Querschnitt Verlustreduziertes Blech Dünneres Blech (Hysterese) Optimierte Lüfter und Lager Seite 39 IE4 Motoren sind bei Siemens bereits erhältlich Effizienz Neue Technologie Technologie Seite 40 Handzettel 20

21 IE4 Motoren sind bei Siemens bereits erhältlich General purpose (Alugussgehäuse) Severe Duty (Graugussgehäuse) Seite 41 Motordaten Typ Achshöhe IE Klasse Pn [kw] Polzahl 1LE1004-1AA IE LE1004-1BA IE LE1004-1CA IE4 5,5 2 1LE1004-1CA IE4 7,5 2 1LE1004-1DA IE LE1004-1DA IE LE1004-1DA IE4 18,5 2 1LE1004-1AB IE4 2,2 4 1LE1004-1CB IE4 5,5 4 1LE1004-1CB IE4 7,5 4 1LE1004-1DB IE LE1004-1DB IE LE1504-1AA IE LE1504-1BA IE LE1504-1CA IE4 5,5 2 1LE1504-1CA IE4 7,5 2 1LE1504-1DA IE LE1504-1DA IE LE1504-1DA IE4 18,5 2 1LE1504-1EA IE LE1504-2AA IE LE1504-2AA IE LE1504-2BA IE LE1504-2CA IE LE1504-2DA IE LE1504-1CB IE4 5,5 4 1LE1504-1CB IE4 7,5 4 1LE1504-2AB IE LE1504-2BB IE LE1504-2BB IE LE1504-2CB IE LE1504-2DB IE LE1504-3AB IE LE1504-3AB IE LE1504-3AB IE Wirkungsgrad nimmt im Teillastbetrieb ab 100% 7,5 kw 90% 80% 70% 60% Wirkungsgrad 50% 40% 30% 20% 10% Signifikante Wirkungsgradabnahme in Teillast <50% nominelle Last Lastabhängige IE3 IE2 Wirkungsgradkennlinie Standard 0% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100% Motorlast Seite 42 Handzettel 21

22 Große Motoren haben konstruktionsbedingt bessere Wirkungsgrade als kleine Motoren 100% 90% Vergleich der Wirkungsgradverläufe 110 kw 80% 70% Wirkungsgrad 60% 50% 40% 5,5 kw Auswahl 1 Auswahl 2 30% 20% 10% 0% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100% Motorlast Seite 43 Richtige Motordimensionierung Wirkungsgradverbesserung und Wirtschaftlichkeit Motoren, die kontinuierlich im Teillastbereich unter 50% betrieben werden, haben einen reduzierten Wirkungsgrad und werden nicht wirtschaftlich betrieben Vergleich der Wirkungsgradverläufe Durch die Anpassung der 100% Motorleistung kann der Wirkungsgrad erhöht werden 90% und die Investkosten gesenkt 80% werden Maschinenkennlinie in allen 70% Betriebspunkten insb. im Steigerung Wirkungsgrad um ca. 11% 60% Anfahrbereich muss Investeinsparung ca. 430 berücksichtigt werden 50% (Spitzenlasten etc.) Wirkungsgrad 7,5 kw 2,2 kw Auswahl 1 Auswahl 2 40% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100% Motorlast Seite 44 Handzettel 22

23 : 49 13:50 13 :51 13 :52 13: :54 13: 55 13:56 13:57 13: 58 13:59 14 :00 14:0 1 14:0 2 Richtige Motordimensionierung Messung der bestehenden Anwendung erforderlich Zur Beurteilung der Motorlast ist eine Messung über alle Betriebszustände des Motors erforderlich. Geeignet sind hierfür Leistungsmessgeräte z.b. FLUKE kw Tot al ( k W) 3 kw Seite 45 Ersatz bestehender Motoren nur bei hohen Volllaststunden und geringer Effizienz sinnvoll Austausch bestehender funktionsfähiger Motoren mit IE3 ist i.d.r. nur bei Motoren mit Wirkungsgrad < IE1 ab 5,5 kw und > Volllaststunden/a wirtschaftlich sinnvoll (Payback ~3a) IE3-Motoren sind konstruktionsbedingt (mehr aktives Material und veränderte Geometrie der Leitungen) länger als z.b. IE1 Motoren Die Achshöhe ist i.d.r. unverändert Beim Ersatz alter Motoren mit IE3-Motoren in bestehenden Anlagen müssen die neuen Einbaumaße berücksichtigt werden Seite 46 Handzettel 23

24 Inhaltsverzeichnis Einleitung Maßnahmen zur Effizienzsteigerung Anwendungsoptimierung Reduzierung der Kraftübertragungsverluste Einsatz hocheffizienter Motoren Regelung und Steuerung Praxisbeispiel Checkliste und Faustformeln Seite 47 Drehzahlregelung bei Maschinen mit variablen Lasten ist i.d.r. wirtschaftlich Drehzahlregelung ist ein wesentlicher Effizienzhebel Steuerung / Regelung Motor Kraftübertragung Maschine/Anwendung Schütz Sanftstarter Frequenzumrichter Sind variable Lasten vorhanden? Motor Direkt/ Kupplung Können diese Lasten durch die Drehzahlregelung des Motors bedarfsgerecht abgefahren werden (P Getriebe ~ n)? Kann die Bremsenergie der Maschine ins Netz zurückgespeist werden? Riemen/ Ketten Seite 48 Handzettel 24

25 Drehzahlregelung Oft wird Energie (insbesondere in Pumpsystemen) durch einfache mechanische Regelung (z.b. Drosseln) vernichtet Drehzahlregelung ermöglicht Anpassung der Motorleistung an die von der Anwendung geforderte Leistung Reduktion des spezifischen Energiebedarfs (insb. Pumpen, Lüfter, Förderer, Extruder etc.) Senkung der Energiekosten Seite 49 Maschinen haben unterschiedliche Ansprüche an Antriebscharakteristik Belastungstypen Konstante Zugkraft Fördermaschinen P ~ n Werkstoffbearbeitung (z.b. Walzen) P ~ n² Zentrifugalkräfte (Strömungsmaschinen) P ~ n³ Seite 50 Handzettel 25

26 Maschinen haben unterschiedliche Ansprüche an Antriebscharakteristik Belastungstypen Konstante Zugkraft Anwendungen mit Leistung proportional zur Drehzahl Fördermaschinen Drehzahlregelung bei variablen Lasten sinnvoll Werkstoffbearbeitung (z.b. Walzen) P ~ n P ~ n² Zentrifugalkräfte (Strömungsmaschinen) P ~ n³ Seite 51 Steuerung / Regelung Asynchronmotoren Arten der Drehzahlregelung/-steuerung Polumschaltung (Feste Drehzahlstufen (3000, 1500, etc.) -> konstruktionsbedingt geringerer Wirkungsgrad) Frequenzumrichter (variable Drehzahlen, Motor sollte auf FU-Fähigkeit überprüft werden, ansonsten Motor wechseln Seite 52 Handzettel 26

27 Steuerung Sanftstarter Im Umschaltmoment eines Stern-Dreieck-Anlaufes entstehen Strom- und Momentspitzen Folge Motorverschleiß, ruckartige Prozessvorgänge, Durchrutschen von Riemenantrieben Reduzierung der Klemmenspannung des Motors durch Phasenanschnitt der Netzspannung Anlaufstrom sinkt proportional zur Klemmenspannung Erhöhte Motorlebensdauer durch Reduzierung von Stromspitzen (Rampenartige anfahren des Motors) Abschaltung des Sanftstarters nach Anlauf des Motors à keine zusätzlichen Verluste im Betrieb Keine direkte Energieeinsparung à Schonung des Motors/Riemens P Quelle: Siemens t Seite 53 Regelung in Stufen Polumschaltung Die Drehzahlregelung erfolgt durch Zuschaltung/Abschaltung von Polpaaren des Ständers Feste Drehzahlen pro Polpaarschaltung min-1 (2 Pole) min-1 (4 Pole) min-1 (6 Pole) Geeignet für einfache Prozesse mit geringer Anforderung an Drehzahlvariation (Förderbänder, Ventilationssysteme) Anzahl der Pole durch Konstruktion des Antriebes festgelegt Keine Nachrüstung möglich Drehmoment sinkt/steigt mit Abschaltung/Zuschaltung der Pole Seite 54 Quelle: Zeitlauf Handzettel 27

28 Regelung Stufenlos Frequenzumrichter Ein Frequenzumrichter (FU) ist ein Gerät zur Drehzahlregelung/-steuerung eines Drehstrommotors Drehzahl des Motors wird von der Frequenz des fließenden Stromes bestimmt FU verändert nicht nur die Frequenz, sondern auch die am Motor anliegende Spannung. Dadurch wird das geforderte Drehmoment an der Motorwelle gewährleistet, ohne den Motor zu überhitzen (M~U/f) In verschiedenen Spannungs- (Niederspannung/ Mittelspannung) und Leistungsklassen verfügbar (wenige kw bis mehrere MW) Wirkungsgrade i.d.r. 96% - 98% Nachrüstung bestehender Antriebe möglich (Motordaten prüfen!!!) Seite 55 Quelle: Siemens Energieeinsparpotential Pumpenregelung (1/2) Ist-Situation In einem Kreislaufsystem wird der Volumenstrom über ein Stellventil geregelt Volumenstrom Pumpe gesamt (Auslegungszustand) Drehzahl Pumpe Elektrische Leistungsaufnahme gemäß Auslegung Pumpe Volumenstrom im Betriebszustand (Drossel) Gemessene Leistung im gedrosselten Zustand 120 m³/h /min 40 kwel 88 m³/h 30 kwel Seite 56 Handzettel 28

29 Drosselregelung bei Strömungsmaschinen ist energetisch nicht optimal Bei hoher Volumenstromsenkung nur geringe Leistungsreduzierung Seite 57 Drehzahlregelung bietet hohe Einsparpotentiale bei schwankenden Anforderungen an Volumenstrom Drehzahlregelung besonders bei Strömungsmaschinen sinnvoll Grundgesetzte für Pumpen, Lüfter etc. Volumenstrom ~ n Leistung ~ n³ 1 = 1 V = Seite 58 Handzettel 29

30 Maschinen haben unterschiedliche Ansprüche an Antriebscharakteristik Drehzahlregelung besonders bei Strömungsmaschinen sinnvoll Grundgesetzte für Pumpen, Lüfter etc. Volumenstrom ~ n Leistung ~ n³ 1 = 1 V = Einsparung durch Drehzahlregelung im Teillastbereich z.b. gegenüber Drosselregelung Seite 59 Energieeinsparpotential Pumpenregelung (2/2) Energieeinsparung durch Drehzahlregelung Durch Ausbau der Drossel und Anpassung des Volumenstroms mittels eines Frequenzumrichters wird der Energieverbrauch der Pumpe um 47% gesenkt Gemessene Leistung im gedrosselten Zustand 30 kwel Reduzierung Volumenstrom Pumpe um 32,3 m³/h Erforderliche Reduzierung Drehzahl durch Drehzahlregelung auf /min Reduzierung Leistungsaufnahme durch Drehzahlregelung auf 16 kwel = Reduzierungelektrische Leistungsaufnahme Pumpe um 14 kwel x Betriebsstunden h/a 114 MWh/a Energieeinsparung /a Energiekosteneinsparung Seite 60 Handzettel 30

31 Gebremste Systeme eignen sich zur Energierückspeisung ins Netz Energierückspeisung mittels Frequenzumrichter Zyklisch beschleunigte und gebremste Maschine wie z.b. Werkzeugmaschinen, Krananlagen, Aufzüge, Rolltreppen, etc. eignen sich zur elektronischen Bremsung mittels Frequenzumrichter und Energierückspeisung Nachrüstung ist teilweise möglich (abhängig vom installierten FU) Ggf. Austausch des FUs erforderlich Wirtschaftlichkeit hängt von der Anzahl der Bremsvorgänge und der zu bremsenden Masse ab Seite 61 Optimierung Krananlage Situation Ein Balkenkran wird mit Asynchronmotoren betrieben Bremsenergie wird über Bremswiderstände abgeführt Maßnahme: Ausbau der Bremswiderstände Einbau FU mit Rückspeisung Einsparung Stromkosten 40% Einsparung/Wirtschaftlichkeit Strom: 190 MWh/a Kosteneinsparung: EUR/a Invest: EUR Payback: 2,5 a Seite 62 Handzettel 31

32 Inhaltsverzeichnis Einleitung Maßnahmen zur Effizienzsteigerung Anwendungsoptimierung Reduzierung der Kraftübertragungsverluste Einsatz hocheffizienter Motoren Regelung und Steuerung Praxisbeispiel Checkliste und Faustformeln Seite 63 Projektbeispiel: Optimierung Lüfterantriebsstrang Seite 64 Handzettel 32

33 Optimierung Lüfterantriebsstrang (1) Situation Drei baugleiche Großlüfter werden mit FU-gesteuerten Motoren (BJ 1987) über Flachriemen angetrieben. FU dient als Sanftstarter zum An-/Abfahren des Ventilators (Verluste im Dauerbetrieb ca. 2%) Jahresbetriebsstunden Lüfter ca h/a 16 h 16 h 16 h 100% 16hod 16hod 16hod 2 h 2 h 2 h 2 h 0% 2hod 2hod 2hod 2hod Seite 65 Optimierung Lüfterantriebsstrang (2) Welche EE-Maßnahmen sind sinnvoll Drei baugleiche Großlüfter werden mit FU-gesteuerten Motoren (BJ 1987) über Flachriemen angetrieben. FU dient als Sanftstarter zum An-/Abfahren des Ventilators (Verluste im Dauerbetrieb ca. 2%) Jahresbetriebsstunden Lüfter ca h/a Mögliche Maßnahmen: Geometrie des Antriebes kann konstruktionsbedingt nicht verändert werden (Riemenantrieb muss bleiben) Austausch der ineffizienten Motoren gegen IE3 Motoren Wechsel vom Flachriemen zum Zahnriemen Einsatz eines Sanftstarters mit By-Pass anstelle FU (Reduzierung Verluste) Seite 66 IE3 Zahnriemen Sanftstarter mit Bypass Handzettel 33

34 Optimierung Malzofenumwälzlüfter Verlässliche Daten sind Grundlage für eine verlässliche Einsparpotentialbestimmung Welche Daten sind relevant für die Potentialberechnung? Leistungsschilddaten Motor (P, U, I, cos phi, f, n, Schutzart, Kühlart ) Daten FU (Leistung, Verschaltung, etc.) Daten Riemenantrieb (Riemenscheibendurchmesser, Achsenabstand) Volllaststunden Strompreis Seite 67 Berechnung Energieverbrauch im Ist-Zustand FU VSD (Danfoss) Wirkungsgrad im Dauerbetrieb 98% Installierter Motor MEZ Drasov Baujahr 1987 Leistung nominell (Pn) kw 160 Stromaufnahme nominell (I) A 288 Spannung nominell (U) V 380 Cos phi 0,91 RPM 1/min Wirkungsgrad Motor 92,8% h = P Mech = 92,8% 3 U I cosj P out =152 kw P motor =160 kw P el FU =176 kw el P el motor =172,5 kw el Wellenleistung erforderlich kw 152 Gesamtwirkungsgrad Antriebsstrang 86% Vollaststunden h/a Strombezug MWh/a PWelle = Pmech. Motor hriemen = 160kW 95% = 152kW h Antriebsstrang = hmotor hriemen hfu = 86% Seite 68 Handzettel 34

35 Energieverbrauch nach Optimierung FU VSD (Danfoss) Wirkungsgrad im Dauerbetrieb 98% Installierter Motor MEZ Drasov Baujahr 1987 Leistung nominell (Pn) kw 160 Stromaufnahme nominell (I) A 288 Spannung nominell (U) V 380 Cos phi 0,91 RPM 1/min Wirkungsgrad Motor 92,8% Effizienzsteigerung Softstsarter Sirius 100% Siemens 1LE1603 (IE3) ,8% 3,3% Vorher P out =152 kw P motor =160 kw P el FU =176 kw el P el motor =172,5 kw el Kosteneinsparung: ca /a Projektkosten ca Amortisation : 3,4 a Nachher Wellenleistung erforderlich kw P out =152 kw P motor =155 kw Gesamtwirkungsgrad Antriebsstrang 86% Effizienzsteigerung 94% 9% P el FU =162 kw el Vollaststunden h/a Strombezug MWh/a Stromeinsparung MWh/a P el motor =162 kw el Seite 69 Inhaltsverzeichnis Einleitung Maßnahmen zur Effizienzsteigerung Anwendungsoptimierung Reduzierung der Kraftübertragungsverluste Einsatz hocheffizienter Motoren Regelung und Steuerung Praxisbeispiel Checkliste und Faustformeln Seite 70 Handzettel 35

36 Übersicht EE-Maßnahmen und Einsparpotentiale (Faustwerte) Maßnahmen Einsparpotential Einsatz IE3 (IE4) Motoren 2-6% Kommentar Direktersatz bei Vollaststunden > h/a i.d.r. ab 5,5 kw sinnvoll (Ersatz mind. IE1) Korrekte Dimensionierung 1 3% Anfahrtsmoment/ Spitzenlasten prüfen Drehzahlregelung 10 50% Rückspeisung FU 1 30% Umstellung von Keilriemen auf Zahnriemen 0,5 6% Umstellung von Riemen- auf Direktantrieb 2 10% Insb. Strömungsmaschinen und variierende Lasten (Lackierkabinen, Hydraulikpumpen, Speisewasserpumpen, Lüftungsanlagen, Kompressoren) Pressen, Hochregallager, Krananlagen, Aufzüge Insb. Lüftungsanlagen, Kompressoren, Rührwerke Insb. Lüftungsanlagen, Kompressoren, Rührwerke Einsatz von Torque-Motoren statt Getriebe 2 10% Rührwerke, Werkzeugmaschinen etc. Seite 71 Checklisten Faustformeln Wirkleistung: Blindleistung: P = 3 P = 3 U I cosj Scheinleistung: S = 3 U I PNenn Wirkungsgrad: h = Pel Effizienzklassen des Motors (Eff3, Eff2 ~ IE1, Eff1 ~ IE2, IE3, IE4) Mehrkosten IE3 gegenüber Standardantrieb: ~ 30% St Q = 3 U I sinj Drehzahlregelung/FU sinnvoll: bei wechselnden Lasten und Maschinen mit P ~ n insbesondere Strömungsmaschinen und Fördersystemen Seite 72 Handzettel 36

37 Effizienzverbesserung Nützliche Links Siemensportfolio Elektrische Antriebe : aspx Siemensportfolio Energieeffiziente Produktion : ZVEI Informationen zu effizienten Antriebslösungen: mmen/ Seite 73 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Jörg Meyer Sustainability & Energy Management Neuenhofstraße Aachen Telefon: +49 (241) Fax: +49 (241) j.meyer@siemens.com Answers for infrastructure and cities. Seite 74 Handzettel 37