Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Potentiale heben, Fallstricke vermeiden. Hannover Messe 2014, M. Burghardt, Danfoss GmbH

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1 Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Potentiale heben, Fallstricke vermeiden Hannover Messe 2014, M. Burghardt, Danfoss GmbH

2 Potentiale bei elektrischen Antrieben Wer braucht die Energie? Einsparpotentiale 36% 10% Wirkungsgrad Drehzahlregelung 60% 30% 64% Hauptantriebe Hilfsantriebe (Pumpen, Lüfter, Kompressoren) Systemoptimierung Durchschnittswert verschiedener Quellen (Fraunhofer Institut, Energieagentur Österreich, EUP Lot 11 Motors Final Report) Quelle: ZVEI, BMWi (De) Quadratisches Moment (z.b. Pumpen und Lüfter): Drehzahlreglung rechnet sich fast immer Konstantes Moment (z.b. Fließbänder): Drehzahlreglung rechnet sich oft im System Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Donnerstag, 10. April

3 Einsparungen bei quadratischem Lastmoment Druck [bar] Pumpenkennlinie Im Arbeitspunkt benötigte Energie Anlagenkennlinie Lüfter und viele Pumpen haben einen quadratischen Lastverlauf Leistungsaufnahme hängt kubisch von der Drehzahl ab Arbeitspunkt Drehzahlregelung Drehzahlregelung führt bei Anwendungen mit quadratischem Moment fast immer zu erheblichen Kosteneinsparungen Durchfluss [Q] Beispiel: 20% weniger Drehzahl resultiert in ca. 50% Energieeinsparung Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Donnerstag, 10. April

4 Beispiel: Anwendung Belüftungsanlage Lüftermotor: 5,5 kw / Betrieb: 365 Tage/24h / Benötige Luftmenge variiert (Jahreszeiten, Personenanzahl) Lastprofil (Indien) Energieverbrauch pro Jahr berechnet mit Danfoss EnergyBox 2.0 Einsparung durch besseren Motor Drosselregelung Drehzahlregelung IE1->IE2 3,4% 4,6% IE1->IE3 5,5% 7,3% IE2->IE3 2,1% 2,9% Einsparung durch Drehzahlregelung IE1 30,4% IE2 31,2% IE3 31,7% Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Donnerstag, 10. April

5 Einsparungen bei konstantem Lastmoment Drehmoment [Nm] Im Arbeitspunkt benötigte Energie Leistung [W] Arbeitspunkt Viele Maschinenantriebe haben näherungsweise einen konst. Lastmomentbedarf (P mech ~ M * n) Oft wechselnde Belastung (z.b. Fließband) Last- und Schlupfausgleich moderner Regler passen Leistungsaufnahme an aktuellen Lastbedarf an Drehzahlregelung ermöglicht: Drehzahl [min -1 ] Prozessoptimierung, auch nachträglich Energieeinsparung Günstige Übersetzungsverhältnisse Geringeren mechanischen Verschleiß Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Donnerstag, 10. April

6 Vergleich Softstarter / Frequenzumrichter I/I N [%] Start Asynchronmotor (quadratisches Lastmoment) am: Netz (Direktaufschaltung) 2. Stern/Dreieck-Anlasser Sanftanlasser Frequenzumrichter 0 1 2, , 5 50 Hz f Rotor Softstarter begrenzt den Strom beim Start des Motors durch Regelung der Spannung Umrichter regelt Frequenz und Spannung und magnetisiert Motor optimal Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Donnerstag, 10. April

7 Hohe IE Klasse=beste Effizienz? Gleiche IE Klasse = Gleicher Wirkungsgrad (bei gleicher Leistung, Nennfrequenz und Polzahl) Aufbau Drehstromasynchronmotor Drehstromasynchron (Stichpunkte) Vorteil: u.a. robust, Preis. Nachteil: Ggfs. IEC Maße nicht eingehalten Teildrehzahl: Mittlerer Wirkungsgradverlauf Aufbau Permanent Magnet Motor Permanent Magnet Motor (Stichpunkte) Vorteil: u.a. Kompakter Bauform möglich Nachteil: Nutzung Seltener Erden Teildrehzahl: Sehr guter Wirkungsgradverlauf Aufbau Synchron-Reluktanz-Motor Synchron-Reluktanz-Motor (Stichpunkte) Vorteil: u.a. keine seltenen Erden Nachteil: Kleinere Leistungen Teildrehzahl: Mittlerer bis sehr guter Verlauf Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Donnerstag, 10. April

8 Wirkungsgrad (FU + verschiedene Motoren) bei Teillast Typischer Verlauf Umrichterwirkungsgrade Typischer Verlauf Motorwirkungsgrade Für Abschätzung der Umrichterverluste ist der Lastpunkt in Diagramm mit dem Nennwirkungsgrad des FU zu multiplizieren Graph zeigt das prinzipielle Verhalten von kleineren Leistungen bei konstanter Last. Umrichterwirkungsgrad nimmt bei Teildrehzahl/ -last geringfügig ab Motorwirkungsgrad nimmt bei Teildrehzahl/ -last stark ab Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Donnerstag, 10. April

9 Hilfsmittel ZVEI Broschüre Energieeffizienz mit elektrischen Antrieben Danfoss Broschüre Motortechnologien für mehr Effizienz in den Anwendungen Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Donnerstag, 10. April

10 Nebenwirkung beachtet? Nachteile werden oft zu spät erkannt und berücksichtigt Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Donnerstag, 10. April

11 Den gesamten Antriebsstrang betrachten! Nur eine Gesamtbetrachtung ermöglicht die Abschätzung aller Vor- und Nachteile Zusätzlich: Betriebsdauer des jeweiligen Antriebes beachten Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Donnerstag, 10. April

12 Das System bestimmt den Energieverbrauch 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 Messung unterschiedlicher Ventilatorsysteme nach DIN EN ISO 5801 an der ILK Dresden Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Donnerstag, 10. April

13 Einordnung Netzfilter (Diskussionsgrundlage) Kosten Umrichter Kosten Netzfilter 12 Puls Passive Filter 10% 24 Puls Active Front End 18 Puls Passive Filter 5% Active Filter Optimale Lösung Umrichterpreis wird bestimmt durch Leistung Lebensdauer Schutzart Netz- und EMV-filter (15-20% FU Preis) Technologie Funktionen Schnittstellen (z.b. ProfiEnergy) u.v.w. DC Drossel AC+DC Drossel Quasi 12 Puls Preisabschätzung aus EuP-Lot-30-Task-2-5- Jun-2012-Draft: ca. 2 x Motorpreis (Ohne Bezug auf Motor- und FU- Klasse ) Slim DC Link Keine Drossel Performance (gesamtes Frequenzspektrum) Versteckte Kosten: Bedarf für Schaltschrank & Installation Evtl. externe Filter Zusätzlich Klimatisierung Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Donnerstag, 10. April

14 Beispiel: Personenaufzug mit Rückspeisung Technische Daten Last (Gegengewichtfahrt): 1100 kg Motorleistung: 5,5 kw η Getriebe =90%/η Schacht =80%/η Motor =88% (IE2) Fahrbetrieb netto: 1 Stunde / Tag Energiepreis 0,20 /kwh Amortisation (pro Jahr) Gewinn durch Rückspeisung: ca. 21 Standby-Verluste (gemessen): FU Rückspeisefähig = 40W / FU Standard = 20W Mehrkosten im Standby: ca. 34 Höhere Verluste im Motorbetrieb wurden nicht berücksichtigt! Rückspeisung kann, muss sich aber nicht lohnen! Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Donnerstag, 10. April

15 Auf einen Frequenzumrichter kann man verzichten wenn die Betriebsbedingungen bei der Auslegung vollständig bekannt sind, sich kaum ändern und die Motornenndrehzahl zum System passt die Anwendung dauerhaft mit Nenndrehzahl betrieben wird (seltene Start/Stopps) der Anlaufstrom am Netz oder Sanftanlasser nicht kritisch ist Funktionen wie z.b. Drehmomentbegrenzung nicht benötigt oder extern gelöst werden Beispiele: Ungeregelte Pumpen bei Kaskadenregelung Pumpen für Entwässerung bei Starkregen Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Donnerstag, 10. April

16 Fördermaßnahmen - Retrofit Austausch von alten Motoren und Antrieben gegen hocheffiziente Systeme wird vom BAFA (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) gefördert. Gefördert werden: Kleine und mittlere Unternehmen ( 250 Mitarbeiter, max. 50 M Umsatz) Sonstige Unternehmen ( 500 Mitarbeiter, max. 100 M Umsatz) Förderfähig sind nur Leistungen durch Dritte. Eigenleistungen sind nicht förderfähig. Förderung u.a. von IE4 Motoren und Umrichtern Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Donnerstag, 10. April

17 Fördermaßnahmen - Retrofit Richtlinie Einzelmaßnahmen von Kleine + Mittlere Unternehmen: 30% Sonstige Unternehmen: 20% Systeme ab werden gefördert Förderhöhe: 20-40% (max ) Kosten für Energieberater werden zu 60% (max ) gefördert. Merkblatt Merkblatt Details und Hinweise bei der BAFA unter Querschnittstechnologien tstechnologien/index.html Antrag Antrag Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Donnerstag, 10. April

18 Zusammenfassung / Ratschläge Prüfen Sie ob Ihre Anwendung für Drehzahlregelung geeignet ist Beachten Sie die Beeinflussung von Maßnahmen auf das Gesamtsystem Achten Sie bei der FU Auswahl auf versteckte Kosten / Energieverbräuche (z.b. Filter, Drosseln, Steuerungen,..) Ziehen Sie zur Abklärung technischer Vor- und Nachteile beim FU-Einsatz im Bedarfsfall Experten hinzu! Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Donnerstag, 10. April

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