Ziehl-Abegg AG. Energiesparende Systeme bei Lüftungsanlagen in der Landwirtschaft. Armin Handel

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1 Ziehl-Abegg AG Energiesparende Systeme bei Lüftungsanlagen in der Landwirtschaft Armin Handel Technischer Vertriebssupport Regeltechnik Geschäftsbereich Lufttechnik Heinz-Ziehl-Straße Künzelsau Tel. +49 (0) Fax +49 (0)

2 Drehzahlveränderung von Ventilatoren Als einziger Ventilatorenhersteller entwickelt und produziert Ziehl-Abegg alle drei Verfahren zur Drehzahlveränderung von Ventilatoren selbst: Spannungssteuerung (Phasenanschnitt, Transformatoren) Frequenzsteuerung (Frequenzumrichter Fcontrol) EC Technik (ETAvent, Ventilatoren mit integriertem Controller) 2

3 Drehzahlveränderung von Ventilatoren Die Vorteile der einzelnen Verfahren: Spannungssteuerung -niedrigste Investitionskosten Frequenzsteuerung Fcontrol -hohe Energieeinsparung -keine geschirmten Motorleitungen notwendig -durch integrierten, allpolig wirksamen Sinusfilter problemloser Parallelbetrieb mehrerer Motoren möglich -keine weiteren Filter oder Drosseln notwendig -einfach nachrüstbar in Anlagen bei Nutzung der bestehenden Installation (Kabel, Motoren, etc.) EC Technik ETAvent -hoch effizient im Wirkungsgrad -kompakte Bauweise -integrierter Motorschutz 3

4 Frequenzumrichter Fcontrol 3 Phasen Frequenzumrichter Typ FXDM: - Multifunktionsdisplay IP54-3 Tasten zur Programmierung - 2 Sensor Eingänge (Innen- / Aussentemp.) - 2 programmierbare digitale Eingänge IP54-2 programmierbare digitale Ausgänge - 1 programmierbarer analoger Ausgang - Zubehör: Hauptschalter mit Bypass Funktion IP20 4 Technische Daten: Netzspannung: 3~ V 50/60Hz Bemessungsströme: A Schutzart: IP20, IP54 Vernetzung: RS485 MODBUS-RTU

5 Frequenzumrichter Fcontrol Fcontrol Geräuschlose und wirtschaftliche Drehzahlregelung von 3 ~ Motoren Fcontrol Ampere 3~ Motoren Gleichrichter Zwischenkreis Wechselrichter Allpoliger Sinusfilter Netzversorgung 3~ V 50/60Hz 3~ % TK / PTC Motorschutz Regeleinheit Ein-, Ausgänge Temperatur (KTY10-6), Druck 4-20 ma oder universal 0-10 V, z.b. Luftgeschw., Luftdruck Sensor 1 Sensor 2 2 Relais programmierbar, z.b. Betrieb, Störung 2 digitale Eingänge frei programmierbar, z.b. Freigabe, Tag-/Nacht Umschaltung 0-10 V Analogausgang, z. B. für Folgeregler Weitere Eingänge mit Erweiterungsmodul (optional): z.b. Limit ein/aus, Umschalten auf Sensor 1/2, Regelbetrieb/manuelle Drehzahl 3x Weitere mögliche Ausgänge mit Erweiterungsmodul (optional): 2 Relais programmierbar, z.b. Grenzwerte, Ansteuerung von Zusatzgeräten Analogeingang für externe Sollwertvorgabe 0-10 V 0-10 V 1 Analogausgang 5

6 Frequenzumrichter Fcontrol 3~ Frequenzumrichter Typ FXDM: Durch den integrierten allpolig wirksamen Sinusfilter (Phase gegen Phase und Phase gegen PE) ist ein gefahrloser Parallelbetrieb von Ventilatoren ohne Risiko von Motorenausfällen möglich. Es werden keine geschirmten Motorleitungen benötigt! Standard Ventilatoren können ohne Spezialmassnahmen (Hybridlager, verstärkte Wicklungsisolation, etc.) verwendet werden. Kondensatoren Drosseln 6

7 Produkte Frequenzumrichter - ÜbersichtFcontrol Typische Schäden verursacht von Freuquenzumrichtern ohne allpolig wirksamen Sinusfilter Spannungsspitzen: Durch Spannungsreflexionen entstehen Spannungsspitzen mit über 2000V an den Motorklemmen. Diese Spitzen schädigen das Isolationssystem der Wicklungen und verursachen Kurzschlüsse. DIN IEC/TS Punkt 9 Isolierstoffsystem Lagerströme: Durch eine kapazitiv eingekoppelte Spannung am Radialspalt (Lagerspannung) können kurzzeitige Stromdurchschläge entstehen. Mit zunehmender Taktfrequenz des Umrichters steigt auch die Häufigkeit der Durchschläge. DIN IEC/TS Punkt 10 Lagerströme 7

8 ETAvent ETAvent: Das Funktionsprinzip Die elektronische Kommutierung: Der Rotor ist mit Dauermagneten bestückt, die ein Magnetfeld erzeugen. Zusammen mit dem Magnetfeld der Statorwicklungen entsteht ein Drehmoment. Die Position des Rotors wird permanent von Hallsensoren überwacht, die im Motor integriert sind. Durch die Signale dieser Lagegeber ist es möglich, die Spannung an die jeweils benötigte Wicklung zu schalten. Durch Schalten der einzelnen Wicklungen wird ein Drehfeld erzeugt, das mit der gleichen Drehzahl des Rotors läuft. Diese sogenannte Kommutierung wird durch die integrierte Elektronik (EC-Controller) gesteuert. 8

9 ETAvent ETAvent: Die Vorteile Die spezielle Konstruktion und das Funktionsprinzip bieten folgende Vorteile: - höchste Effizienz über den gesamten Drehzahlbereich mit niedrigsten Energiekosten - exakte Drehzahlregelung durch direkte Messung der Drehzahl - keine elektromagnetischen Geräusche im Motor - maximale Drehzahl unabhängig von der Netzfrequenz - kompakte Bauweise mit hoher Leistung 9

10 ETAvent ETAvent: Die Vorteile Die Vorteile des "EC Energiesparventilators" wurden von unabhängiger Seite bestätigt: In der DLG Arbeitsunterlage Lüftung von Schweineställen" wurde folgende Reihenfolge aufgestellt, was die Energieaufnahme bei einphasigen Ventilatoren betrifft (Seite 32). Das an erster Stelle stehende System ist, was die Energieaufnahme betrifft, den anderen Systemen vorzuziehen: a) EC Ventilatoren b) spezielle Ventilatoren mit Frequenzumrichter c) Standard Ventilatoren mit transformatorischer Steuerung d) Standard Ventilatoren mit Phasenanschnittsteuerung 10

11 ETAvent ETAvent: Die Vorteile DLG Arbeitsunterlage (Seite 32): Kaum eine Anschaffung bei der Lüftungstechnik ist derzeit so wirtschaftlich wie diese Ventilatorentechnik." Langzeitmessungen der DLG belegen: Die Energieeinsparungen eines ETAvents verglichen mit einem Standard Ventilator mit Phasenanschnittsteuerung betragen ca. 50%. Die Amortisationszeit liegt im Durchschnitt bei 3 Jahren. 11

12 ETAvent ETAvent: Ansteuermöglichkeiten Die Ventilatoren können mit unterschiedlichen Signalen angesteuert werden: Ansteuerung mit: 0-10V (Analogsignal): 0-100% 0-10V entspricht 0-100% Drehzahl 100-0% mit 10V = Drehzahl 0 mit 0V = Drehzahl 100% als Notbetrieb verwendbar* PWM: 0-100% 0-10V entspricht 0-100% Drehzahl (pulsweitenmoduliertes Signal): 100-0% mit 10V = Drehzahl 0 mit 0V = Drehzahl 100% als Notbetrieb verwendbar* *wenn die übergeordnete Regeleinheit ausfällt, läuft der Ventilator mit maximaler Drehzahl 12

13 Systemvergleich Systemvergleich Im Arbeitspapier der DLG wurden folgende Systeme untersucht: a) EC Ventilatoren b) spezielle Ventilatoren mit Frequenzumrichter c) Standard Ventilatoren mit transformatorischer Steuerung d) Standard Ventilatoren mit Phasenanschnittsteuerung Die Kombination von Standard Ventilatoren mit Frequenzumrichtern wurde von Ziehl-Abegg untersucht und mit den Systemen a) EC Ventilatoren und d) Standard Ventilatoren mit Phasenanschnittsteuerung verglichen 13

14 Systemvergleich (exemplarisch) Die Leistungsaufnahme: Exemplarische Messung von Ventilatoren FE Aufnahmeleistung Power consumption % Ventilator FE Drehzahl in %/ Fan speed FE in % D / Ucontrol Spannungsregelung Electronic voltage control Fcontrol EC-Motor (Hartferrit) EC-motor (hard-ferrit) 14

15 Systemvergleich (exemplarisch) Die Leistungsaufnahme - Betrachtung im Detail: Aufnahmeleistung Power consumption % Ventilator FE Drehzahl in % / Fan speed FE in % D / Ucontrol Spannungsregelung Electronic voltage control Fcontrol EC-Motor (Hartferrit) EC-motor (hard-ferrit) Z. B. Betriebspunkt 60% Drehzahl Einsparung EC-Technik zu Frequenzsteuerung, ca. 5% Einsparung Frequenzsteuerung zu Spannungssteuerung, ca. 35% 15

16 Systemvergleich (exemplarisch) Die Leistungsaufnahme - Betrachtung im Detail: Einsparung EC-Technik zu Frequenzsteuerung, ca. 5% 2 1 Einsparung Frequenzsteuerung zu Spannungssteuerung, ca. 35% Betrachtet man nun beispielhaft die Leistungsaufnahme von 10 Ventilatoren, mit einer Gesamt-Leistungsaufnahme von 10 kw: 1.) 35% = 3,5 kw werden in diesem Betriebspunkt weniger an Leistung aufgenommen, bei Verwendung Fcontrol anstelle Spannungssteuerung 2.) 5% = 0,5 kw beträgt der Unterschied EC-Technik zu Fcontrol 16

17 Systemvergleich (exemplarisch) Investitionskosten: Am Beispiel von 10 Stück geregelten Ventilatoren FE080-ADQ.6N.5: Investitionskosten Ungeregelt Spannungssteuerung Ucontrol Frequenzsteuerung Fcontrol EC-Technologie ETAvent 10 Ventilatoren FE080-ADQ.6N , , ,- - Ucontrol PXDM25A ,- - - Fcontrol FXDM25AME ,- - incl. Schaltschrank Motorschutzgeräte 10 x STDT16 800,- 800,- 800,- - EC-Ventilator 10 x ETAvent ,- Baugr. 800 Aufwand für Verdrahtung 300,- 400,- 400,- 300,- Summe 6.100, , , ,- Mehrpreise: 2.500, ,- 17

18 Systemvergleich (exemplarisch) Mehrpreis der Investition in Relation zur Leistungsaufnahme: Fcontrol zu Spannungssteuerung Einsparung Benötigte Betriebsstunden zur Amortisation (bei 0,1 / kwh) 2.500,- 3,5 kw (1 Jahr = Stunden) EC-Technik zu Fcontrol Einsparung Benötigte Betriebsstunden zur Amortisation (bei 0,1 / kwh) 2.600,- 0,5 kw (1 Jahr = Stunden = 5,9 Jahre) Die Betrachtung zeigt, das Einsparpotenzial an elektrischer Energie zwischen Frequenzumrichter Fcontrol und der EC-Technik rechtfertigt in diesem Beispiel den finanziellen Mehraufwand, der für die EC-Technik zu investieren ist nicht. 18

19 Systemvergleich (exemplarisch) Eine weitere Art der Betrachtungsweise: - Ausgehend von den Investitionskosten + jährliche Energiekosten fortlaufend - In bestimmten Betriebspunkten n=40% / n = 70%, bei oder Betriebsstunden Kosten / Costs Ucontrol Fcontrol ETAvent Kosten / Costs Ucontrol Fcontrol ETAvent (n=40% 4000 Std. Jahr / 4000 h year) Jahr/Year (n=40% 8000 Std. Jahr / 8000 h year) Jahr/Year Kosten / Costs (n=70% 4000 Std. Jahr / 4000 h year) Jahr/Year Ucontrol Fcontrol ETAvent Kosten / Costs (n=70% 8000 Std. Jahr / 8000 h year) Jahr/Year Ucontrol Fcontrol ETAvent 19

20 Systemvergleich (exemplarisch) Welches Fazit kann gezogen werden: - Die Spannungssteuerung ist von der Investitionsseite aus gesehen, am günstigsten. - Die Frequenzumrichter Fcontrol, sind in vielen Fällen die beste Alternative. Die Investition in eine zentrale Elektronik (=Fcontrol) ist günstiger als bei EC-Technik. Dort hat jeder Ventilator mit Sondermotor eine Elektronik integriert - dadurch höhere Investitionskosten. - Energetisch ist die EC-Technik die beste Lösung. Jedoch rechnet sie sich nicht, wenn die Investitionskosten gegenüber den Fcontrol deutlich höher liegen, da der Unterschied in der Energieeinsparung nicht so deutlich ist. - Der Investitionskosten-Unterschied zwischen Fcontrol und EC-Technik ist entscheidend, deshalb gilt: Fcontrol: Eignet sich am besten bei Anlagen mit vielen Ventilatoren - sein Mehrpreis = zentrale Elektronik verteilt sich anteilmäßig auf die Ventilatoren EC-Technik: Eignet sich am besten bei Anlagen mit einzelnen oder wenigen Ventilatoren. Der Mehrpreis für Fcontrol oder EC nähert sich bei diesen Anlagen an. 20

21 Elektromagnetische Verträglichkeit Frequenzumrichter Fcontrol Durch den Einsatz des integrierten allpoligen Sinusfilters hat der Fcontrol eine sinusförmige Ausgangsspannung. Dadurch ergeben Sich folgende Vorteile bezüglich EMV: Keine weiteren Drosseln, Filter, etc. am Umrichterausgang erforderlich Geschirmte Motorleitungen sind nicht erforderlich, keine Einschränkung der Leitungslänge, Störaussendung gemäß EN (Haushaltsbereich) wird eingehalten Nachrüstbar unter Beibehaltung bestehender Leitungen und Motoren Die Störfestigkeit des Frequenzumrichters ist ohne weiteres Zubehör gemäß EN (Industriebereich). Steuerleitungen dürfen maximal 30 m lang sein, ab 20 m Leitungslänge müssen sie geschirmt sein. Bei Verwendung einer geschirmten Leitung muss der Schirm einseitig, d. h. nur am Regelgerät mit dem Schutzleiter verbunden werden (so kurz und induktionsarm wie möglich!). 21

22 Elektromagnetische Verträglichkeit Frequenzumrichter Fcontrol Weitere Vorteile des FUs mit allpoligem Sinusfilter: Problemloser und sicherer Parallelbetrieb von Standardaussenläufermotoren/Ventilatoren (keine spezielle Ertüchtigung der Motoren notwendig) Keine Gefährdung der Motoren durch Spannungsspitzen und Lagerströme Leiser Betrieb ohne elektromagnetische Motorgeräusche Sehr energiesparend Einfache Installation und Inbetriebnahme 22

23 Elektromagnetische Verträglichkeit ETAvent Ventilatoren Durch die kompakte Einheit des Controllers und des Ventilators ist das System gegen äußere Einflüsse weitestgehend abgeschirmt. Störaussendung gemäß EN (Haushaltsbereich) wird eingehalten Die Störfestigkeit des ETAvent ist ohne weiteres Zubehör gemäß EN (Industriebereich) Steuerleitungen dürfen maximal 30 m lang sein, ab 20 m Leitungslänge müssen sie geschirmt sein. Bei Verwendung einer geschirmten Leitung muss der Schirm einseitig, d. h. nur am Regelgerät mit dem Schutzleiter verbunden werden (so kurz und induktionsarm wie möglich!). 23

24 Installation Installationshinweise Frequenzumrichter Fcontrol Bei Verwendung eines Fehlerstromschutzschalter ist nach EN ein Allstromsensitiver zwingend vorgeschrieben. Da der Ableitstrom > 3,5 ma betragen kann, muss der Schutzleiteranschluss nach EN Punkt bzw bis zu einem Querschnitt von mindestens 10 mm² doppelt geführt werden. 24

25 Installation Installationshinweise ETAvent Ventilatoren 1~ 230 V Für eine möglichst hohe Betriebssicherheit empfehlen wir den Einsatz eines Standardfehlerstromschutzschalters mit einem Auslösestrom von 300 ma. Da der Ableitstrom über den Schutzleiter mehr als 3,5 ma betragen kann, ist er doppelt herausgeführt und muss bis zum nächsten 10 mm² Schutzleiter doppelt weitergeführt werden. ETAvent Ventilatoren 3~ 400 V Bei Verwendung eines Fehlerstromschutzschalter ist nach EN ein Allstromsensitiver zwingend vorgeschrieben. Für eine möglichst hohe Betriebssicherheit empfehlen wir einen Auslösestrom von 300 ma. 25

26 Verfügbare Ausführungen Frequenzumrichter Fcontrol Die Frequenzumrichter Fcontrol mit integriertem allpoligen Sinusfilter sind in folgenden Ausführungen verfügbar: Einspeisung 1~ 230V, Ausgang 3~ 230V Einspeisung 3~ 400V, Ausgang 3~ 400V Verfügbar ab 2. Quartal 2009: Einspeisung 1~ 230V, Ausgang 1~ 230V 5A 4A 40A Ausgangsströme stehen noch nicht fest (mind. 4A) 26

27 Verfügbare Ausführungen ETAvent Ventilatoren Die ETAvent Ventilatoren sind in folgenden Ausführungen verfügbar: Einspeisung 1~ 230V, Motorbaugröße 106, Leistung bis zu 1,1 kw Einspeisung 3~ 400V, Motorbaugröße 137, Leistung bis zu 3,8 kw 27

28 Diskussion Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 28