Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe

Transkript

1 Dipl. Ing. (FH) Frederic Muller Verkaufsingenieur Schweiz HVAC/R Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe SWISST.meeting - 20 März Baden

2 AGENDA Allgemeines zu Danfoss und dem Fachbereich Antriebstechnik Einsparung elektrischer Antriebe und Monitormöglichkeiten Systembetrachtung am Beispiel von Ventilatoren Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

3 Geschäftsbereich Danfoss Climate & Energy Danfoss Refrigeration & Air Conditioning Controls (Kälte- und Klimatechnik) Danfoss Power Electronics (Frequenzumrichter, Wechselrichter, Leistungsmodule) Danfoss Heating Solutions (Wärmetechnik) Danfoss Commercial Compressors (kommerzielle Verdichter) Danfoss District Energy (Fernwärme und kühlung) Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

4 Climate & Energy Danfoss Power Electronics Das Spektrum dieser Division umfasst drei Geschäftsfelder: Danfoss VLT Drives (Frequenzumrichter) Danfoss Customised Power Electronics (kundenspez) Danfoss Inverters für Solar und Wind (Wechselrichter) Power Electronics unterhält Entwicklungszentren und Produktionen in China, Dänemark, Deutschland und den USA sowie ein weltumspannendes Netz an Vertriebsbüros, die ihren Kunden energieeffiziente Lösungen in höchster Qualität bieten. Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

5 Climate and Energy The solutions are ready! Danfoss Konzern verfügt über Lösungen zur Bekämpfung des Klimawandels 80 Jahre Erfahrung im Bereich energieeffizienter Technologien Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

6 AGENDA Allgemeines zu Danfoss und dem Fachbereich Antriebstechnik Einsparung elektrischer Antriebe und Monitormöglichkeiten Systembetrachtung am Beispiel von Ventilatoren Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

7 Beispiel: Elektronische Drehzahl-Regulierung Ein Frequenzumrichter regelt elektrische Motoren über die Stromversorgung, sodass sie präzis mit der gewünschten/notwendigen Drehzahl arbeiten Abhängig von der Anwendung senken Frequenzumrichter den Energieverbrauch um 15 bis 40% Heute werden weltweit immer noch 70 bis 80% aller neuen, industriell genutzten Elektromotoren nicht mit einem Umrichter gekoppelt. Die Zahl der bereits installierten Motoren ist weit höher. Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

8 Einsparung elektrischer Energie Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

9 Einsparung elektrischer Energie Einsparpotentiale bei elektrischen Antrieben? Optimieren von Komponenten und Steigerung der Wirkungsgrade (ca. 10 %) Umstellen auf Drehzahlregelung (ca. 30 %) Optimieren des Systems/Prozesses (ca. 60 %) In Europa sind ca. 75 Millionen Motoren installiert, nur ca. jeder Achte wird drehzahlgeregelt. Quelle: ZVEI 2011 Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

10 Einsparung elektrischer Energie Pumpen und Lüfter am Frequenzumformer Leistungsaufnahme hängt kubisch von der Drehzahl ab [ P ~ n³ ] Drehzahlregelung führt bei Anwendungen mit quadratischem Moment fast immer zu erheblichen Kosteneinsparungen 20 % Drehzahlreduzierung 50 % Energieeinsparung 50 % Drehzahlreduzierung 80 % Energieeinsparung Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

11 Kosten Einsparung elektrischer Energie Wirtschaftlichkeit der Anlagen Die Anlagenbetrachtung umfasst heutzutage nicht nur die Energieeffizienz, sondern auch eine gesamtwirtschaftliche Betrachtung ( TCO/LCC ) Anschaffungskosten Energiekosten Betriebs- und Wartungskosten Entsorgungskosten Wichtige Faktoren sind: Lebensdauer, Amortisationszeit Inbetriebnahme- und Abbaukosten Erzielbare Produktionsqualität Anlagenbetriebssicherheit Gesetzliche Vorgaben Zeit Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

12 Einsparung elektrischer Energie Energieverbrauch analysieren VLT Energy Box und Trendfunktion Identifizierung der großen Verbraucher Ermöglicht die Überprüfung getroffener Maßnahmen auf deren Wirksamkeit Datenermittlung kann durch externe Schreiber, Funktionen im Umrichter, Trenderfassung der SPS, u.v.m. erfolgen Vorsicht bei Messung und Beurteilung elektrischer Größen die vor oder nach Umrichtern gemessen wurden Mit der Trendfunktion des VLT HVAC Drive ermitteltes Lastprofil Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

13 Einsparung elektrischer Energie Mögliche Anlagenoptimierung Anlagenzusammenfassung: Umluftkühler (Beispiel) IE1-Motor mit Riementrieb Asynchronmotor IE1 mit 2,2 kw Motorleistung Auslegungsdruck 550Pa Auslegungsvolumenstrom m³/h Auslegungswirkungsgrad Systemwirkungsgrad >50 % PM-Motor + FU + direktangetriebener Lüfter Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

14 Einsparung elektrischer Energie Lastprofil Zuluft, IE1 100% Bestand kwh x 0,15 CHF = 2.863,80 CHF Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

15 Einsparung elektrischer Energie Lastprofil Zuluft-IM 80% Tausch gegen IE2, u. Drehzahlregelung kwh x 0,15 CHF = 1.625,70 CHF Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

16 Einsparung elektrischer Energie Lastprofil Zuluft-IM 80% Tausch gegen PM-Motor, u. Drehzahlregelung kwh x 0,15 CHF = 1.427,70 CHF Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

17 Einsparung elektrischer Energie Lastprofil Zuluft-IM 80% Tausch gegen PM-Motor, Drehzahlregelung u. Laufrad kwh x 0,15 CHF = 1.267,70 CHF Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

18 Einsparung elektrischer Energie Anlagenvergleich Zuluft-IM 80% Tausch gegen IE2, u. Drehzahlregelung Zuluft-IM 80% Tausch gegen PM-Motor, u. Drehzahlregelung Zuluft-IM 80% Tausch gegen PM-Motor, u. Drehzahlregelung und Laufrad Anlage Zuluft-IM, IE1 100%, Bestand kwh /kwh 0.15 CHF 0.15 CHF 0.15 CHF 0.15 CHF Stromkosten 2' CHF 1' CHF 1' CHF 1' CHF Einsparpotential 0% -43% -50% -56% Die durchgeführte Betrachtung zeigt, dass das Ventilator System mit PM-Motor den höchsten Systemwirkungsgrad aufweist. Aus energetischen Gesichtspunkten ist daher das System mit PM-Motor und Frequenzumrichter für den Einsatz in RLT- Geräten zu bevorzugen. Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

19 Einsparung elektrischer Energie 98% Wirkungsgrad = 98% Wirkungsgrad? Wirkungsgrade werden gerundet -> Bereich 97,5% bis 98,49% = 98% Empfehlung: Vergleich der angegebenen Verlustleistung Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

20 Einsparung elektrischer Energie Verluste Betriebdauer W h Interne oder externe Filter? Externe Filter erzeugen immer zusätzliche Verluste Filterverluste sind bei integrierten Filtern in der angegebenen Verlustleistung enthalten Platz- und evtl. Klimatisierungsbedarf für Filter muss im Schaltschrank berücksichtigt werden Auf Auswahl des richtigen Filters bei der Projektierung achten Energiepreis 0.15 CHF/kWh Kosten 3600 CHF Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

21 Einsparung elektrischer Energie Schaltschrankklimatisierung Zusätzliche Verluste im Schaltschrank erhöhen den Klimatisierungsbedarf Einbau externer Filter vermeiden Wärme aus Schaltschrank führen Rückwandkühlung nutzen Möglichkeit von FU in IP54 prüfen Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

22 AGENDA Allgemeines zu Danfoss und dem Fachbereich Antriebstechnik Einsparung elektrischer Antriebe und Monitormöglichkeiten Systembetrachtung am Beispiel von Ventilatoren Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

23 Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

24 BLDC Brushless DC Oft als EC-Motor / ECM bezeichnet Induktionsmotor Asynchronmotor PMSM permanenterregter Synchronmotor PM-Motor Synchron-Reluktanzmotor Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

25 Beispiele aus der Praxis Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

26 Systemwirkungsgrad Ein hoher Motorwirkungsgrad garantiert noch keinen hohen Systemwirkungsgrad: System Umrichter Motor Kupplung Lüfter Quelle: VDI DIN 6014 η Umrichter steigt bei größeren Leistungen. Typisch 92 98% (Danfoss VLT: 96-98%) η Motor hängt von der Leistung und dem Motortype ab (EC/PM oder DASM) η Kupplung beschreibt die Effizienz der mechanischen Kraftübertragung Motor/Lüfter Direktantrieb = 100%, Keilriemen 85-95%. η Lüfter wird durch die Lüfterkonstruktion bestimmte. Große Naben (z.b. EC-Lüfter) können den Wirkungsgrad einschränken. Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

27 Systemwirkungsgrad Ein hoher Motorwirkungsgrad garantiert noch keinen hohen Systemwirkungsgrad: System Umrichter Motor Kupplung Lüfter Quelle: VDI DIN 6014 η Umrichter steigt bei größeren Leistungen. Typisch 92 98% (Danfoss VLT: 96-98%) η Motor hängt von der Leistung und dem Motortype ab (EC/PM oder DASM) Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

28 Umrichter 98% Wirkungsgrad = 98% Wirkungsgrad? Wirkungsgrade werden gerundet -> Bereich 97,5% bis 98,49% = 98% Empfehlung: Vergleich der angegebenen Verlustleistung Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

29 Umrichter Verluste Betriebdauer W h Interne oder externe Filter? Externe Filter erzeugen immer zusätzliche Verluste Filterverluste sind bei integrierten Filtern in der angegebenen Verlustleistung enthalten Platz- und evtl. Klimatisierungsbedarf für Filter muss im Schaltschrank berücksichtigt werden Auf Auswahl des richtigen Filters bei der Projektierung achten Energiepreis 0.15 CHF/kWh Kosten 3600 CHF Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

30 Motor Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

31 Motor PM und IE2 Motor im Umrichterbetrieb (VT) Wirkungsgrad Wirkungsgrad des PM ist im Vergleich zum DASM aufgrund niedrige Rotorverluste höher PM Motor erreichen ohne besondere Maßnahmen IE3 Mit steigender Leistung sinkt Wirkungsgradvorteil Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

32 Beispiele aus der Praxis Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

33 Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden ggmbh Untersuchungen zur Energieeffizienz von Ventilatorsystemen Ergebnis der Messung für die Firma Danfoss

34 Prüfprogramm EC-Ventilatormodul mit integriertem Antrieb Normmotor-Ventilatormodul NICOTRA Gebhardt / RLM E6-35 mit nachfolgenden Antriebssystemen: Permanent Motor mit Frequenzumrichter Asynchron Motor IE2 mit Frequenzumrichter Asynchron Motor IE3 mit Frequenzumrichter Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

35 Schematischer Aufbau ILK Ventilatorprüfstand nach ISO 5801 Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

36 Einbau 1,8 m/s bei eta max Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

37 Foto vom Prüfaufbau Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

38 Systemwirkungsgrad in % Systemwirkungsgrad PM-Motor / RLM E EC-Motor / K3G400-AQ23 45 IE3-Motor / RLM E IE2-Motor / RLM E = 3 kw 40 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 110% Teillastverhältnis in % Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

39 Aussenläufer vs. Innenläufer EC-Lüfter PM, IE2,IE3 -Lüfter Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

40 Jede Teil wirkt auf die anderen Teilen Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

41 IE3 Motor + FU + direkt angetriebener Lüfter ILK Messergebnis System 60% Systemwirkungsgrad Ein hoher Motorwirkungsgrad garantiert noch keinen hohen Systemwirkungsgrad: System Umrichter Motor Kupplung Lüfter Quelle: VDI DIN 6014 η Umrichter steigt bei größeren Leistungen. Typisch 92 98% (Danfoss VLT: 96-98%) System 59% η Motor hängt von der Leistung und dem Motortype ab (EC/PM oder DASM) EC-Lüfter EC+ Lüfter System 63% η Kupplung beschreibt die Effizienz der mechanischen Kraftübertragung Motor/Lüfter Direktantrieb = 100%, Keilriemen 85-95%. η Lüfter wird durch die Lüfterkonstruktion bestimmte. Große Naben (z.b. EC-Lüfter) können den Wirkungsgrad einschränken. Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

42 Zusammenfassung / Ratschläge Prüfen Sie den Energieverbrauch (Energy Box / Simulation Monitoring Software) Achten Sie bei der FU Auswahl auf versteckte Kosten / Energieverbräuche (z.b. Filter, Drosseln, Steuerungen,..) Beachten Sie die Beeinflussung von Maßnahmen auf das Gesamtsystem Ziehen Sie zur Abklärung technischer Vor- und Nachteile beim FU-Einsatz im Bedarfsfall Experten hinzu! Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March

43 Solution Ready Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Energieeinsparung durch drehzahlgeregelte Antriebe Monday, 17 March