Herzlich Willkommen zum Technologieforum OSMO am 16. &

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1 Herzlich Willkommen zum Technologieforum OSMO am 16. &

2 Elektronische Drehzahlregelung Energieeinsparung durch Frequenzumrichter OSMO Technologie- Forum Danfoss Power Electronics VLT Drives

3 Agenda Vorteile Drehzahlregelung Aktuelle Motortechnologien am Frequenzumrichter Integration in die Anlage Einsatzmöglichkeiten in der Anwendung 3 Danfoss Power Electronics VLT Drives

4 Vorteile Drehzahlregelung 4 Danfoss Power Electronics VLT Drives

5 Wer braucht die Energie? 64% 36% Hauptantriebe Hilfsantriebe (Pumpen, Lüfter, Kompressoren) Hauptantriebe Förderbänder Heber Hilfsantriebe Pumpen Lüfter Kompressoren Durchschnittswert verschiedener Quellen (Fraunhofer Institut, Energieagentur Österreich, EUP Lot 11 Motors Final Report) 5 Danfoss Power Electronics VLT Drives

6 Anlaufstrom Drehstromasynchronmotor (Quadratische Last) Anlauf von Elektromotoren I/I N [%] Prinzipbedingt benötigten Drehstromasynchronmotoren einen hohen Anlaufstrom EVU erlaubt direkten Netzanlauf bis ca. 4 / 7,5 kw Stern-Dreieck Anlauf benötigt geeignete Motoren 0 12, ,5 50 Hz 1) Direkter Start am Netz 2) Stern-Dreieck Anlauf 3) Softstarter 4) Frequenzumrichter f Rotor Softstarter ist bis in MW-Bereich verfügbar Frequenzumrichter reduziert Anlaufstrom und ermöglicht Drehzahlregelung 6 Danfoss Power Electronics VLT Drives

7 Drehmoment [Nm] Einsparungen bei konstanten Lastmoment Leistung [W] Viele Hauptantriebe haben einen konstanten Lastmomentbedarf (P mech ~ M * n) Im Arbeitspunkt benötigte Energie Arbeitspunkt Drehzahl [min -1 ] Last- und Schlupfausgleich moderner Regler passen Leistungsaufnahme optimal an Last-bedarf an Drehzahlregelung ermöglicht: Prozessoptimierung Energieeinsparung Günstige Übersetzungsverhältnisse Geringeren mechanischen Verschleiß 7 Danfoss Power Electronics VLT Drives

8 Druck [bar] Einsparungen bei quadratischem Lastmoment Pumpenkennlinie Anlagenkennlinie Lüfter und viele Pumpen haben einen quadratischen Lastverlauf Im Arbeitspunkt benötigte Energie Leistungsaufnahme hängt kubisch von der Drehzahl ab Arbeitspunkt Drehzahlregelung Durchfluss [Q] Drehzahlregelung führt bei Anwendungen mit quadratischem Moment fast immer zu erheblichen Kosteneinsparungen Beispiel: 20% weniger Drehzahl resultiert in ca. 50% Energieeinsparung 8 Danfoss Power Electronics VLT Drives

9 Beispiel: Anwendung Belüftungsanlage Lüftung: 5,5 kw / 365 Tage/24h / Luftmenge variiert (Jahreszeiten, Personenanzahl) Lastprofil (Indien) Energieverbrauch pro Jahr berechnet mit Danfoss EnergyBox 2.0 Einsparung durch Drehzahlregelung > 30% Einsparung durch besseren Motor: 3% und 7% (abhängig vom installierten Motor) 9 Danfoss Power Electronics VLT Drives

10 Aktuelle Motortechnologien am Frequenzumrichter 10 Danfoss Power Electronics VLT Drives

11 Drehstromasynchronmotor am FU Technologie Höhere Wirkungsgrade durch mehr aktives Material IE3 und IE4 erreichbar Vorteile Robust und bewährt Direkter Anlauf am Netz möglich Nachteile Höhere IE Klassen bauen teilweise größer/länger als IE 1 Motoren Umrichterbetrieb Problemlos 11 Danfoss Power Electronics VLT Drives

12 Motor mit Kupferrotor am Frequenzumrichter Technologie Aufbau wie IM aber sehr geringe Rotorverluste durch Kupferwicklung IE3 und IE4 erreichbar Vorteile Kompatibel zu IE1 Bauform Erhöhtes Anlaufmoment Nachteile Höherer Preis (Kupfer & Fertigung) Auslegung Schutzorgane Umrichterbetrieb Problemlos 12 Danfoss Power Electronics VLT Drives

13 PM-Motor am Frequenzumrichter Technologie Magnete im Rotor: IPM Magnete auf dem Rotor: SPM IE4 erreichbar Vorteile Keine Verluste im Rotor Nachteile Höherer Preis durch Seltene Erden Umrichterbetrieb Benötigt geeignetes Regelverfahren Benötigt ggfs. Rückführungen 13 Danfoss Power Electronics VLT Drives

14 Line Start PM-Motor am Frequenzumrichter Technologie Wie DASM mit Magneten im Rotor IE3 und IE4 am Netz erreichbar Vorteile Direkter Anlauf am Netz möglich Nachteile Läuft beim Start auch mal kurz rückwärts Momentspitzen beim Start (7 17 fach) Umrichterbetrieb Problemlos ca. 6-10% schlechter Wirkungsgrad 14 Danfoss Power Electronics VLT Drives

15 Synchronreluktanzmotor (SynRM) am FU Technologie Rotordesign führt den mag. Fluss und erzeugt Reluktanzmoment IE3 und IE4 erreichbar Vorteile Hoher Wirkungsgrad, auch im Teillastbereich (größere Leistungen) Nachteile Schlechter cos φ ( eventuell größerer FU) Umrichterbetrieb Benötigt geeignetes Regelverfahren 15 Danfoss Power Electronics VLT Drives

16 Drehstromasychnronmotor Kupferrotor Unterstützte Motoren von Danfoss Danfoss Umrichter unterstützten alle gängige Motortechnologien PM-Motor (Oberflächen montierte Magnete) DASM und PM werden bereits von allen Geräten unterstützt PM-Motor (Vergrabene Magnete) SynRM ist in VLT AutomationDrive FC 302 verfügbar. Implementierung in VLT AQUA Drive und VLT HVAC Drive bis Ende 2014 Line Start PM-Motor Synchronreluktanzmotor 16 Danfoss Power Electronics VLT Drives

17 Wirkungsgrad[%] Wirkungsgrad FU bei Teillast 100% 75% 50% 25% System Motor Umrichter 0% 0% 25% 50% 75% 100% Drehzahl[%] Für Abschätzung der Umrichterverluste ist der Lastpunkt in Diagramm mit dem Nennwirkungsgrad des FU zu multiplizieren. Wirkungsgradverhalten: Beispiel 7,5 kw Motor + Umrichter bei konstanter Last Umrichter- und Motorwirkungsgrade sinken im Teillastbereich Motor hat bei FU-Betrieb mehr Verluste. Grund: Taktfrequenz, Oberschwingungen 17 Danfoss Power Electronics VLT Drives

18 Wirkungsgradvergleich ASM: PM: SynR DOL: SynR old: SynR: Drehstromasynchronmotor PM-Motor SynRM mit zusätzlicher Kurzschlußwicklung Altes, nicht Energie optimiertes Design Neues Design Graphen zeigen das PRINZIPIELLE Verhalten bei kleineren Leistungen 18 Danfoss Power Electronics VLT Drives

19 Motor Inbetriebnahme am Umrichter Umrichter benötigt grundlegende Typenschilddaten zum Betrieb und SCHUTZ des Motors Eingabe erweiterter Motordaten (Widerstände etc.) ermöglicht den bestmöglichen Betrieb Danfoss: Automatische Motoranpassung (AMA) ermittelt nach Eingabe der Typenschilddaten die erweiterten Motordaten für Drehstromasynchron PM Synchronreluktanz 19 Danfoss Power Electronics VLT Drives

20 Broschüre Motortechnologien Beschreibt die gängigsten Motortechnologien Drehstromasynchron Kupferläufermotor PM-Motor EC_Motor Line Start PM Synchronreluktanzmotor Vor und Nachteile der unterschiedlichen Technologien Verfügbar als Download ( und als gedruckte Ausgabe 20 Danfoss Power Electronics VLT Drives

21 Integration in die Anlage 21 Danfoss Power Electronics VLT Drives www.

22 Störungen durch Gleich- und Wechselrichter Motorstrom Motorspannung Bewertung in THD (Total Harmonic Distortion) Hohe THD Werte bedeuten: höhere Verluste in Transformator größere Leitungsquerschnitte Lebensdauerbeeinflussung anderer Geräte Belastet Motorisolation Erzeugt EMV-Störungen Leitungsgebunden (150kHz-30MHz) Luftgebunden (30 MHz-1 GHz) EMV-Filter müssen nicht serienmäßig in Geräten enthalten sein. Separate Entstörung ist zulässig, bewirkt aber zusätzliche Verluste und Kosten! 22 Danfoss Power Electronics VLT Drives

23 Netzstrom und Netzspannung Netzbelastung Gleichrichter belasten das Netz mit Oberwellen Konventioneller Zwischenkreis Geringe Beeinflussung der Netzspannung Einfache Abhilfe: AC-Drosseln vor dem Gerät DC-Drosseln im Zwischenkreis Teure Abhilfe: Aktive Filter Problem: Schlanker Zwischenkreis Verschiebt Oberwellen in nicht genormten Bereich Reduzierte Ausgangsspannung Schlanker Zwischenkreis Stromaufnahme verzerrt Netzspannung 23 Danfoss Power Electronics VLT Drives

24 EMV-Filter EN (Umgebung) Klasse B (Wohnbereich) Gruppe 1+2 EN (Produktnorm) Umgebung 1 (Wohnbereich) Kategorie C1 Zur Reduzierung von EMV-Störungen sind Filter verfügbar Unzureichende Filtermaßnahmen sind oft erst spät erkennbar. Klasse A (Industriebereich) Gruppe 1 (HF Intern) Gruppe 2 (HF Extern) Kategorie C2 Umgebung 2 (Industriebereich) Kategorie C3 Kategorie C4 Grenzwerte der EN und der EN Nachträgliche Maßnahmen verursachen höhere Kosten als in der Planungsphase. Empfehlung Wohn-/Gewerbeumgebung EN Klasse B (Grenzwerte EN C1) Industrieumgebung EN Klasse A1 (Grenzwerte EN C2) 24 Danfoss Power Electronics VLT Drives

25 Ausgangsfilter du/dt-filter Reduziert die elektrische Belastung der Motorisolation Häufig genutzt bei Motoren mit älterer Isolation Sinus-Filter Reduziert die elektrische Belastung der Motorisolation z.b. bei Nassläuferpumpen Verbesserung der EMV- Eigenschaften Nutzung abgeschirmter Kabel 25 Danfoss Power Electronics VLT Drives

26 Aggressive Umgebung Hohe Schutzarten ermöglichen den Einbau in kritischen Bereichen Auf Schaltschränke kann ggfs. verzichtet werden. Eingebaute Hauptschalter ermöglichen Abschaltung vor Ort Beschichtung der Platinen gibt zusätzlichen Schutz gegen Gase Übliche Beschichtungen nach IEC C1 = Standard Anforderung 3C2 = Erhöhte Anforderungen 3C3 = Hohe Anforderungen 26 Danfoss Power Electronics VLT Drives

27 EEx Motoren am Frequenzumrichter Betrieb von EEx d Motoren ist möglich EEx e unter bestimmten Bedingungen möglich Motorhersteller muss thermische Stützpunkte zur Verfügung stellen Umrichter muss Motorstrom auf Basis der Stützpunkte begrenzen (z.b. VLT AutomationDrive FC 302) EEx zertifiziertes Auslösegerät muss Motortemperatur überwachen 27 Danfoss Power Electronics VLT Drives

28 Kosten Netzfilter Slim DC Link Keine Drossel Einordnung Netzfilter (Diskussionsgrundlage) DC Drossel AC+DC Drossel 12 Puls Passive Filter 10% Quasi 12 Puls 24 Puls 18 Puls Passive Filter 5% Active Front End Active Filter Optimale Lösung Performance (gesamtes Frequenzspektrum) Umrichterpreis wird bestimmt durch Leistung Lebensdauer Schutzart Netz- und EMV-filter (15-20% FU Preis) Technologie Funktionen Schnittstellen (z.b. Modbus) u.v.w. Versteckte Kosten: Bedarf für Schaltschrank & Installation Eventuell externe Filter Zusätzlich Klimatisierung 28 Danfoss Power Electronics VLT Drives

29 Wichtig ist ein effizientes System! Untersuchung unterschiedlicher Ventilatorsysteme nach DIN EN ISO 5801 an der ILK Dresden Motor EC (IE4) PM (IE4) IM (IE2) IM (IE3) EC-Lüfter PM, IE2,IE3 - Lüfter Effiziente Komponenten sind kein Garant für eine effizientes System Jede Anwendung benötigt die eine individuelle Abstimmung der Komponenten 29 Danfoss Power Electronics VLT Drives

30 Planerfibeln Zwei Teile Grundlagen für den Praktiker Hinweise zur Planung und Projektierung in 4 Schritten Ideal für Fachkräfte und - planer und (MSR/Elektro) in allen Bereichen Ingenieurbüros Behörden Ämter Anlagenbauer Schaltschrankbauern Verfügbar als Download ( und als gedruckte Ausgabe 30 Danfoss Power Electronics VLT Drives

31 Einsatzmöglichkeiten in der Anwendung Beispiel: Abwasseranlage 31 Danfoss Power Electronics VLT Drives

32 Energie 28% Chemikalien 4% Sonstiges 15% Rohrwasserbehandlung 4% Kostenaufteilung Personal 46% Sonstiges 7% Wartung 3% Energieaufteilung Entwässerung 8% Belebtschlamm 55% Feststoffentfernung 12% Primäres Klärbecken 10% Erwärmung 8 % Kosten in der Abwasserbehandlung Etwa 25-40% der Gesamtkosten entfallen auf den Energiebedarf Moderne Antriebstechnik ermöglich die Reduzierung der Kosten in allen Bereichen Hebestation Vorbearbeitung Primärbehandlung Sekundärbehandlung Schlammbehandlung Schlammentsorgung Tertiärbehandlung 32 Danfoss Power Electronics VLT Drives

33 FU in der Vorbehandlung Entfernen von Feststoffen, die Pumpen gefährden könnten Hebestation Leistungsbereich: kw Minimiert Ablagerungen Vermindert unregelmäßigen Durchfluss Eliminiert Wasserschläge Reduziert Start/Stoppvorgänge Exemplarisch wird nur eine Anwendung des Prozesses beschrieben 33 Danfoss Power Electronics VLT Drives

34 Primärbehandlung Entfernung von organischen/anorganischen Sedimenten und Feststoffen Schlammentzugspumpe Ermöglicht den Entzug von Schlamm mit minimalem Restwasserinhalt Sanftes starten + stoppen Reduziert Energie und Wartungskosten Exemplarisch wird nur eine Anwendung des Prozesses beschrieben 34 Danfoss Power Electronics VLT Drives

35 Sekundärbehandlung Biologischer Abbau von Schwebstoffen + aufgelösten organischen Feststoffen Belüftungstank Prozessverbesserung durch genauere Kontrolle des Sauerstoffgehaltes Reduzierte Belastung + Verschleiß Reduzierter Energiebedarf Exemplarisch wird nur eine Anwendung des Prozesses beschrieben 35 Danfoss Power Electronics VLT Drives

36 Entwässerung und Schlammbearbeitung Entwässerung Leistungsbereich: kw Optimale Schlammeinspeisung Optimale Drehzahl der Zentrifuge Höhere Effizienz der Entwässerung Trockeneres Filtrat Exemplarisch wird nur eine Anwendung des Prozesses beschrieben 36 Danfoss Power Electronics VLT Drives

37 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 37 Danfoss Power Electronics VLT Drives