Jan Krückel und Uwe Przywecki, ABB Schweiz AG, Industrieautomation / ABB Automation & Power World 2013 Effiziente Antriebssysteme Eine Klasse für

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1 Jan Krückel und Uwe Przywecki, ABB Schweiz AG, Industrieautomation / ABB Automation & Power World 2013 Effiziente Antriebssysteme Eine Klasse für sich

2 Agenda Energieeffizienz und Technologien Motoren Frequenzumrichter Systembetrachtung Zusammenfassung April 23, 2013 Slide 2

3 Energieeffizienzklassen Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) Internationale Normen zu Energieeffizienzklassen IEC , 1st edition Methoden zur Wirkungsgradbestimmung IEC , 1st edition Einstufung der Motoreneffizienz in Wirkungsgradklassen April 23, 2013 Slide 3

4 Energieeffizienzklassen Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) Zukünftige Normen zur Einstufung der Motoreneffizienz in Effizienzklassen IEC st edition IEC Norm für direkt am Netz gespeiste Motoren (feste Drehzahl) IEC Norm für Umrichter betriebene Motoren (variable Drehzahl) April 23, 2013 Slide 4

5 Definition der IE-Klassen nach IEC/EN Energieeffiziensklassen für 50 Hz 4-polige Motoren Effizienz [%] IE-Klassen Leistung [kw] IE4 Asynchronmotor IE4 Synchronreluktanz Technologie April 23, 2013 Slide 5

6 Fallbeispiel zur Energieeffizienz Asynchronmotor 75kW, 50Hz, 4-polig 78 kw 79,8 kw 96,2 % Wirkungsgrad (IE4): 3 kw Verluste (reduziert um 1,8 kw) 75 kw 94,0 % Wirkungsgrad (IE2): 4,8 kw Verluste Eine Effizienzerhöhung um 2,2 % ergibt 37,5 % weniger Verluste. Einsparungen von 15,7 MWh pro Jahr entsprechen 7,8 Tonnen CO 2 (0,5kg/kwh) Einsparung IE2 - IE4: 1,8 kw x 8760 Stunden = kwh x 0,10 CHF = CHF April 23, 2013 Slide 6

7 Life-Cycle-Kosten von Elektromotoren Anteil Energiekosten Investition 2 % Neuwicklung 1 % Energiekosten 97 % Einsparung IE2 - IE4: 1,8 kw x 8760 Stunden = kwh x 0,10 CHF = CHF April 23, 2013 Slide 7

8 Energieeinsparpotential bei Elektromotoren Synchronreluktanzmotor 100 % I 2 R- Rotor Andere 60 % Andere I 2 R- Stator High Efficiency SynRM Traditioneller Induktionsmotor I 2 R- Stator Verluste % Andere I 2 R- Stator High Output SynRM April 23, 2013 Slide 8

9 Synchronreluktanzmotor Abgestimmtes Paket aus Motor und Umrichter Abgestimmtes Antriebspaket mit High-Efficiency-Motor Leistungsbereich von kw Prinzip der magnetischen Reluktanz reduziert die Verluste bis zu 40 % Niedrigerer Wartungsaufwand bei höherer Verfügbarkeit durch geringere Betriebstemperatur von Wicklungen und Lager Sieger beim Automation Award anlässlich der SPS/IPC/Drives in Nürnberg 2011 Herstellererklärung Paketwirkungsgrad, Energieverbrauch des Systems genau bestimmt elektrische Energie (Input) mechanische Wellenleistung (Output). April 23, 2013 Slide 9

10 Antriebspakete im Vergleich Synchronreluktanz - IE2 Asynchronsystem 15 kw 1500 min-1 Antriebssystem - Pumpen/ Lüfter Betriebsart P/Pn Effizienz rpm Leistungskurve Pumpe/Lüfter ABB IE4 SynRM & Frequenzumrichter IE2 Asynchronmotor & Frequenzumrichter April 23, 2013 Slide 10

11 Was können drehzahlgeregelte Antriebe leisten? Energieeinsparungen auf hohem Niveau Drosselregelung Die Volumenstrom-Regelung erfolgt durch eine Drosselklappe. Die Pumpendrehzahl ist konstant und liegt bei nahe der Motornenndrehzahl. Drehzahlregelung Volumenstrom-Regelung erfolgt durch Veränderung der Pumpendrehzahl. Der Pumpenmotor wird an einem Frequenzumrichter betrieben. April 23, 2013 Slide 11

12 Energieeinsparpotential durch Frequenzumrichter Regelungsmethoden einer Kreiselpumpe Leistungsbedarf [%] Fördermenge [%] Drosselung Drehzahlregelung Pumpe Einsparpotential Drosselregelung vs. Drehzahlregelung April 23, 2013 Slide 12

13 Energieeinsparpotential durch Frequenzumrichter Der Energieoptimierer U[V] Optimale Reduktion der Motorspannung im Teillastbereich Motormagnetisierungsstrom wird gesenkt Reduktion der Stromverluste in Umrichter, Motorkabel und Motor 10 % besserer Gesamtwirkungsgrad von Umrichter und Motor Für alle nichtdynamischen Applikationen fn f[hz] April 23, 2013 Slide 13

14 Was können drehzahlgeregelte Antriebe leisten? Verhindern von Anlaufströmen beim Motorstart Netzstrom [%] Direktes Einschalten Stern-Dreieck Frequenzumrichter Drehzahl [%] 100 Hohe Spitzenlastströme beim Starten von Elektromotoren verursachen ungewünschte bis unzulässige Spannungseinbrüche im Netz. Direktes Einschalten Stern-Dreieck Anlauf Sanftanlasser Frequenzumrichter April 23, 2013 Slide 14

15 Was können drehzahlgeregelte Antriebe leisten? Anlagen von sanft bis dynamisch betreiben rpm schnell optimal Sanfter Start für einen nachhaltigen Anlagenbetrieb Schnelle Drehzahlen für eine hohe Produktivität sanft effizient Niedrige Drehzahlen, um hohe Systemwirkungsgrade zu erreichen t Optimale Drehzahl für den idealen Mix aus hoher Produktqualität und bester Energieeffizienz April 23, 2013 Slide 15

16 Einsparpotential vom Engineering bis zum Betrieb Ihr Nutzen der integrierten Umrichterfunktionalitäten Für effizientes Engineering Volle Kompatibilität mit dem Prozess Modular in der Hardware Flexibel in der Software Für schnelle Inbetriebsetzungen Intuitive Bedienung Intelligente Assistenten Für verbesserte Anlageoptimierung und Wartung Wartungsfunktionen Ferndiagnostik April 23, 2013 Slide 16

17 Steigerung der Anlageneffizienz Rückspeisefähige Frequenzumrichter Überschüssige Energie zurückführen Abwärme durch Bremswiderstände vermeiden Kleiner Oberwellenstrom Kompensation von Netzschwankungen und Spannungsverlusten Bereitstellung von Blindleistung April 23, 2013 Slide 17

18 Optimierungspotential in einem System Beispiel einer Pumpenapplikation ~77 % ~98 % ~88 % Konventionell 100 % Effizienz ~30 % ~66 % ~69 % ~88 % ~99 % ~95 % ~98 % Optimiert 100 % ~90 % Effizienz ~73 % April 23, 2013 Slide 18

19 Zusammenfassung Effizient, verfügbar und sicher Verwenden Sie hoch effiziente Motoren angepasst auf die Applikation Regeln Sie den Leistungsbedarf von Anlagen mit Umrichtern Verwenden Sie rückspeisefähige Umrichter bei zyklischen generatorischen Betrieb Nutzen Sie die erweiterte Intelligenz des Umrichters für Ihre Applikation Achten Sie auf das Gesamtsystem, um maximale Energieeffizienz zu erreichen April 23, 2013 Slide 19

20 Ansprechpartner Uwe Przywecki und Jan Krückel Applikationen und Produktmanagement Automation, Motors und Drives ABB Schweiz AG, Industrieautomation Brown Boveri Platz 3, CH-5400 Baden, Schweiz Telefon: Contact Center: April 23, 2013 Slide 20

21 April 23, 2013 Slide 21

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