EN Energieeffizienzklassifizierung von Antriebssystemen. Hermann Agis

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1 EN Energieeffizienzklassifizierung von Antriebssystemen Hermann Agis Siemens AG 2016 Siemens.com/large-drives

2 Die Klimaziele der EU und ihre Auswirkung auf die Industrie Die Fakten 30 % 70 % 80 % Bis 2030 sollen 40 % CO 2 -Emissionen eingespart werden* europaweit * bezogen auf den Stand von 1990 In Deutschland benötigt die Industrie fast 30% der Endenergie davon entfallen ca. 70% auf elektrisch angetriebene Systeme Die Energiekosten betragen mindestens 80 % der Lebenszykluskosten eines elektrischen Antriebs Entsprechend wächst der Druck Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz zügig umzusetzen. Die regulatorischen Anforderungen steigen weiter! Hier tragen energiesparende Antriebslösungen entscheidend dazu bei. Page 2 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

3 Gesetzlich verpflichtende Mindestenergieeffizienz für netzbetriebene Niederspannungsmotoren gemäß EU Verordnung IE2 für ALLE Motoren (gem. Norm) IE3 für Motoren >7,5 kw 375 kw oder Umrichter + IE2-Motor IE3 für ALLE Motoren 0,75 kw 375 kw oder Umrichter + IE2- Motor Mindestwirkungsgrad IE2 0,75 kw 375 kw Mindestwirkungsgrad IE3 7,5 kw 375 kw oder Frequenzumrichter und IE2 Motor Mindestwirkungsgrad IE3 0,75 kw 375 kw oder Frequenzumrichter und IE2 Motor Seit 2017 müssen netzbetriebene Motoren (2-6polig, <1000V, 0,75-375kW) eine Energieeffizienz von mindestens IE3 haben. Energieeffizienzmaßnahmen beim Motor alleine schöpfen aber das Energieeinsparpotential nur zum Teil aus. Die EN rückt das gesamte Antriebssystem in den Fokus. Page 3 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

4 Klassifizierung von Niederspannungsmotoren für Netzbetrieb Die IE-Klassifizierung erfolgt aufgrund des Wirkungsgrades bei Nennleistung und Nenndrehzahl Page 4 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

5 Die aktuelle Gesetzeslage konzentriert sich nur auf den Motor und Nennbetriebspunkt Antriebskomponente = Motor (IEC ) Drehmoment 100 % Steigende Effizienz, weniger Verluste IE4 IE3 IE2 IE % Drehzahl Page 5 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

6 Die neue Energieeffizienz-Norm EN rückt das Antriebssystem und den kompletten Arbeitsbereich in den Fokus Gesamtsystem = Elektrisch angetriebene Arbeitsmaschine (EN 50598) Drehmoment 100 % Steigende Effizienz, weniger Verluste IES2 IES1 IES0 50 % 25 % IES % 100 % Drehzahl Page 6 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

7 EN Norm zur Energieeffizienz von elektrischen Antriebssystemen EN Ökodesign für Antriebssysteme, Motorstarter, Leistungselektronik und deren angetriebene Einrichtungen Teil 1 Allgemeine Anforderungen zur Erstellung von Normen zur Energieeffizienz von Ausrüstungen mit Elektroantrieb nach dem erweiterten Produktansatz mit semi-analytischen Modellen Teil 2 +A1 Indikatoren für die Energieeffizienz von Antriebssystemen und Motorstartern Bereich: 0,12kW 1000kW, < 1000 V Methodik zur Bestimmung der Verluste Definition von IE-Klassen für Komponenten und IES- Klassen für Systeme. Angabe der Verluste von Referenzsystemen Teil 3 Quantitativer Ökodesign-Ansatz mittels Ökobilanz einschließlich Produktkategorieregeln und des Inhaltes von Umweltdeklarationen Page 7 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

8 Systemabgrenzungen CDM + Motor = PDS = Motorsystem CDM EP: Erweiterter Produkt: (Antriebssystem + angetriebene Einrichtung) PDS: Power Drive System: (CDM + Motor) MS: Motor System: (PDS oder Motor+Starter) CDM: Complete Drive Module: Frequenzumrichter Quelle: EN Page 8 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

9 Verlustangaben in 8 Betriebspunkten und Effizienzklassen bei einem Power Drive System Die Effizienzklasse des PDS wird aufgrund der Verluste bei 100% Drehzahl und 100% Drehmoment mit Bezug auf die Verluste des Referenz-PDS (dieses hat IES1) festgelegt. Page 9 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

10 Verlustangaben in 8 Betriebspunkten und Effizienzklassen bei einem Complete Drive Modul Die Effizienzklasse des CDM wird aufgrund der Verluste bei 90% Drehzahl und 100% Drehmomentstrom mit Bezug auf die Verluste des Referenz-CDM (dieses hat IE1) festgelegt. Page 10 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

11 PDS - Systemverluste können durch Addition der Verluste von Motor und Umrichter ermittelt werden. Page 11 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

12 Effizienzbeurteilung durch Wirkungsgrade Anspeisung Trafo CDM PDS Motor Kupplung Getriebe Arbeitsmaschine P CDM in P CDM out P MOT in M P MOT = = M x ω η CDM = = P CDM out / P CDM in η MOT = = P MOT out / P MOT in PDS η PDS = P MOT out / P CDM in = η CDM x η MOT Vorteil: Gute Vergleichbarkeit auch bei unterschiedlichen Ausgangsleistungen Nachteil: Liefert keine brauchbaren Ergebnisse bei sehr kleiner Ausgangsleistung (sehr kleiner Drehzahl) Page 12 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

13 Effizienzbeurteilung durch Verlustleistungen Anspeisung Trafo CDM PDS Motor Kupplung Getriebe Arbeitsmaschine P CDM in P CDM out P MOT in M P MOT out = M x ω V CDM = P CDM in P CDM out V MOT = P MOT in P MOT out PDS V PDS = V CDM + V MOT = P CDM in - P MOT out Vorteil: Liefert auch brauchbare Ergebnisse bei sehr kleiner Ausgangsleistung (sehr kleiner Drehzahl) Nachteil: Schlechte Vergleichbarkeit bei unterschiedlichen Ausgangsleistungen Page 13 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

14 Mit 8 Betriebspunkten können alle Applikationskennlinien abgebildet werden Page 14 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

15 Das wirklich große Potential zum Energiesparen liegt in der bedarfsgerechten Drehzahlregelung der Arbeitsmaschine Beispiel: Umwälzpumpe bei 50% Fördermenge Energieersparnis durch Drehzahlregelung in % der 100%-Leistung 87,5% Energieeinsparung durch Drehzahlanstatt Drosselregelung ca. 66% 12,5% Fall 1: Gegenüber ungedrosselt: 87,5% Fall 2: Gegenüber Drossel: ca. 66% Page 15 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

16 Die EN wird bei Siemens nicht nur auf Frequenzumrichter sondern auch auf komplette Power Drive Systems angewandt Die EN bezieht sich auf: AC-AC Frequenzumrichter/CDM ohne Rückspeisefunktionalität Motoren mit integriertem Umrichter/CDM (ein Produkt) Anschlussspannung: 100 V 1000 V Leistungsbereich: 0,12 kw 1000 kw Unabhängig von der Motorentechnologie Siemens wendet die EN an für: SINAMICS V20 SINAMICS G110- Familie SINAMICS G120- Familie SINAMICS G130 SINAMICS G150 SINAMICS G180 EN kann auch angewandt werden für: rückspeisefähige AC AC Frequenzumrichter/CDM AC DC Umrichter/CDM DC AC Umrichter/CDM Geräte anderer Leistungs- und Spannungsklassen Beliebige Kombinationen von PDS (CDM und Motor) Siemens wendet die EN an für: SIMOTICS FD & SINAMICS G120P SIMOTICS GP/SD VSD10-Line & SINAMICS G120 SIMOTICS GP/SD VSD4000-Line & SINAMICS G120 Page 16 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

17 Siemens Integrated Drive Systems (IDS) setzt bereits seit Jahren das Konzept der der EN um IES 2 SIMOTICS SD VSD10-Line SINAMICS G120 SIMOTICS FD SINAMICS G & S SIMOTICS GP VSD4000-Line SINAMICS G120 & S120 Investitionsoptimiertes Antriebssystem mit geringem Energiebedarf (bis 200 kw) Leistungsstarkes System mit hoher Energieeffizienz (ab 200 kw) Höchst effizientes System mit innovativer Synchron- Reluktanz-Technologie (bis 200 kw) Page 17 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

18 Höchst effizientes Antriebsystem in allen Betriebs-punkten mit innovativer Synchron-Reluktanz-Technologie SIMOTICS GP/SD VSD4000-Line und SINAMICS G120 Antriebssystem mit höchster Energieeffizienz Höchste Effizienz durch Synchron- Technologie Modernste Regelalgorithmen für beste Effizienz besonders im Teillastbetrieb Energieeinsparung durch Fangen drehender Lasten Ein wirtschaftliches System Optimierte Systemkosten durch auf Reluktanz Technologie abgestimmte Standard Power Module Hohe Regeldynamik im geberlosen Betrieb Einfachste Inbetriebnahme durch Wegfall der Reglerparametrierung + System Effizienzklasse IES 2 + Höchste Energieeffizienz in der IES 2 Klasse Niedrigste Life-Cycle-Kosten (Energiekostenreduzierung) Universal einsetzbar Eignung für alle Lastmomente Spezielle Synchronmotoren Regelung ermöglicht hohe Anfahr- und Beschleunigungsdrehmomente Garantierte Motorleistung bei Betrieb am Umrichter Daten auf Typenschild sind systemgetestet Page 18 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

19 Wie unterstützt Sie Siemens? Verluste der Komponenten auf Datenblättern PDS: Verluste, Variantenvergleich und Amortisation mit SINASAVE CDM Verluste auf Datenblätter CDM Verluste sind auf den Datenblätter im DT-Konfigurator verfügbar ( Übersicht der CDM Verluste CDM Verluste gemäß EN sind auf der SIOS Seite verfügbar hier PDS Energieeffizienz und Amortisation Analysesoftware SINASAVE SIOS: Siemens Industry Online Support ROI: Return on investment Page 19 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

20 Integrated Drive System hat EN inside! Nutzen Sie die Vorteile! DE: EN: Page 20 Elektromotoren Fachtagung, Wien, am

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Hermann Agis PD Large Drives Siemensstraße Wien Telefon: Mobil: Elektromotoren Fachtagung, Wien, am