Energiesparen am Antriebsstrang. Markus Mandel, Anwendungstechnik

Transkript

1 Energiesparen am Antriebsstrang Markus Mandel, Anwendungstechnik

2 ABLAUF Gesetze der Energieeffizienz Ausgangssituation / Motivation weltweite Normen Energie- Einsparpotenziale Prozess Getriebe Motor Frequenzumrichter Energiespar- Konzept

3 Ausgangssituation / Motivation Steigender Energieverbrauch Steigende CO 2 -Emission Gesetzliche Vorgaben Steigende Energiekosten

4 Weltweiter pro Kopf Strom-Verbrauch

5 Strompreise für Haushalte in Europa

6 Die kantonalen Strompreise im Vergleich

7 Globaler Elektrizitätsverbrauch nach Anwendungszweck Elektrischer Energieverbrauch CH nach technischer Anwendung

8 Energiesparmotoren - weltweite Wirkungsgrade CSA C390 IE1/IE2/IE3 (ErP) GB EPAct REELS NBR MEPS

9 Europäische Wirkungsgrade Europa (EU) - IEC weltweit übereinstimmende Effizienzklassen

10 Energie- Einsparpotentiale Vermehrter Einsatz 10% Energiesparmotoren Hocheffiziente Motoren Elektronische 30% Drehzahlregelung Energiesparfunktion Mechanische 60% Systemoptimierung Der Konstrukteur

11 Komponenten - Inhalt Wo treten Verluste auf, und wieso? Wie wird der Wirkungsgrad verbessert?

12 Gesamtsystem - Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten Wirkungsgrad P Aufwand h Gesamt = P Nutzen P Aufwand P Nutzen FU Motor Getriebe h FU h Motor h Getriebe h Prozess Gesamtwirkungsgrad h gesamt

13 Wirkungsgrade - am Prozess FU Motor Getriebe h FU h Motor h Getriebe h Prozess

14 Prozess- Wirkungsgrad - Kraftübersetzung In vielen Fällen kommen zusätzliche Riemen oder Ketten zum Einsatz Keilriemen sollten wegen des niedrigeren Wirkungsgrades vermieden werden Bei Ketten ist besonders auf gute Schmierung zu achten Reduktion des Lastmoments durch Einsatz von starren Übertragungsgliedern Die Kraftübertragung erfolgt idealer Weise mittels starrer Kupplung Es treten praktisch keine weiteren Verluste auf

15 Prozess- Wirkungsgrad - Kundenprozess Reibung minimieren - z.b. von Gleitreibung zur Rollreibung Regeln statt Steuern - tatsächlichen Energiebedarf ermitteln und regeln - z.b. bedarfsgerechte Drucklufterzeugung Prozesse abschalten - Muss das Band durchgehend laufen, auch wenn es leer ist?

16 Wirkungsgrade - Getriebe FU Motor Getriebe h FU h Motor h Getriebe h Prozess

17 Getriebe- Wirkungsgrad - Verluste P Loss P Verluste = P Aufwand - P Nutzen P Out P In Durch Wirkungsgrad der verschiedenen Komponenten entstehen im Getriebe Verluste Die Verlustleistung P V wird in Form von Wärme an den Schmierstoff und über die Gehäusewand an die Umgebung abgegeben

18 Getriebe- Wirkungsgrad - Einflussfaktoren auf die Verlustleistung lastunabhängige Verluste lastabhängige Verluste Planschverluste Leerlaufverluste der Lager Leerlaufverluste der Dichtungen Verluste der Lager Verluste der Verzahnungen Drehzahl Art der Schmierung Rauhigkeit der Welle Schmierstoff und Viskosität Schmierstoff und Viskosität Eintauchtiefe Lagerart Vorspannung Lagerart Art der Verzahnung Schmierstoff und Viskosität Schmierstoff und Viskosität Schmierstoff und Viskosität Belastung Belastung Bauform (Lager-) Drehzahl (Wellen-) Drehzahl Flankenspiel Gehäuseform Lagereinstellung (Vorspannung) Dichtringwerkstoff

19 Getriebe- Wirkungsgrad - Einflussfaktoren auf die Verlustleistung Umfangsgeschwindigkeit der Zahnräder die Umfangsgeschwindigkeit der Zahnräder führt zu Reibungsverluste im Ölbad Eintriebsdrehzahlen größer /min sind Schmierstoff - kritisch Getriebebauform und Eintauchtiefe Die Getriebebauform ist massgebend, da mit ihr die Ölmenge festgelegt wird kritische Bauformen sind: vertikal M2, M4 - maximale Ölfüllmenge - Zahnräder haben grösste Eintauchtiefe

20 Getriebe- Wirkungsgrad - Einflussfaktoren auf die Verlustleistung Gehäuseform bestimmt die Anordnung der Bauteile im Getriebe und den Ölfluss Ölfluss hat Einfluss auf die Verlustleistung Öltemperatur und Viskosität über die Öltemperatur und die Viskosität wird die Zähigkeit des Öles festgelegt je zäher (viskoser) das Öl, desto grösser ist das erforderliche Moment, um das Rad zu bewegen je höher die Öltemperatur, desto dünnflüssiger ist das Medium und desto geringer ist die Verlustleistung Lager und Wellendichtringe das Reibmoment der Lager ist von Last und Drehzahl abhängig das Reibmoment der Dichtringe wird vom Wellendichtringsitz als variable Grösse und der Drehzahl beeinflusst

21 Getriebe- Wirkungsgrad - Richtwerte Der Wirkungsgrad von Getrieben wird beeinflusst von der Abdichtung zwischen Motor und Getriebe sowie den Verlusten innerhalb des Getriebes Je höher die eintreibende Drehzahl desto höher die Verluste in den Lagern und die Planschverluste im Öl Die richtige Ölmenge und Ölsorte sorgt für minimale Verluste und langen verschleissarmen Betrieb Pauschalangaben: die wichtigen Einflussfaktoren finden nur ansatzweise Berücksichtigung (Wirkungsgrade pro Untersetzungsstufe) Quelle: Energiesparen mit elektrischen Antrieben, ZVEI Broschüre, April

22 Getriebe-Wirkungsgrad - Vergleich Schneckenrad - Kegelrad Wirkungsgradvergleich Wirkungsgrad in % 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 55% 50% K37 S Untersetzung i

23 Wirkungsgrade - von Motoren FU Motor Getriebe h FU h Motor h Getriebe h Prozess

24 Motor- Wirkungsgrad - Verluste am Asynchronmotor Widerstandsverluste ~ I² R Eisenverluste ~ U, f + Zusatzverluste Reibungsverluste ~ n, n³

25 Energiesparmotoren - Wege zur Wirkungsgraderhöhung Erreichbar durch Besseres Material mit geringerem Widerstand Vergrösserung der Aktivteildimensionen P ~ D² Rotorkäfig aus Kupfer anstelle Aluminium Rotorkäfig mit vergrabenen Permanentmagneten Grösserer Motor für gleiche Leistung verwenden P e P e P a Verluste

26 Energiesparmotoren - Standard vs. Energiesparmotor: Massenträgheit und Wirkungsgrad P P a P kin Bewegung in drei Abschnitten Beschleunigung (I) Konstantfahrt (II) Bremsen (III) P c t a t c t b =t a P b P kin t Wird diese Energie nicht genutzt, so wird sie in Form von Wärme abgeführt (I) (II) (III)

27 Energiesparmotoren - Standard vs. Energiesparmotor P P a Zusätzlicher Energiebedarf aufgrund des höheren Massenträgheitsmoments Bewegung in drei Abschnitten Beschleunigung (I) P kin Konstantfahrt (II) Bremsen (III) P c t a t c t b =t a P kin t P b (I) (II) (III) Zusätzliche Verluste aufgrund der höheren Massenträgheit

28 Wirkungsgrade - am Frequenzumrichter FU Motor Getriebe h FU h Motor h Getriebe h Prozess

29 Frequenzumrichter- Wirkungsgrad - Verluste P Out = P In - P Loss P Loss Verluste im Motor durch Oberschwingungen (bis 10%) P In P Out In den Frequenzumrichter wird die benötigte Einspeiseleistung P In eingebracht Der Wirkungsgrad eines Frequenzumrichters liegt im Bereich zwischen 92% und 98% Die Angaben beziehen sich auf die im Umrichter entstehenden Verluste bzw. die Verlustleistung P Loss

30 Frequenzumrichter - Wirkungsgrad - Verluste Die Verluste des Umrichters lassen sich auf drei Bereiche aufteilen: eingangsseitiger Gleichrichter Durchlassverluste (leistungsabhängig) ausgangsseitiger Wechselrichter Durchlassverluste und Schaltverluste (leistungs- und frequenzabhängig) Spannungsversorgung für die Elektronik Verluste durch Oberschwingungen der Umrichter- Ausgangsspannung: durch den Oberschwingungsgehalt der nicht sinusförmigen Speisungsspannung (gepulste Betriebsweise) werden im Motor zusätzliche Verluste erzeugt in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz können zusätzliche Verluste von bis 10% entstehen (VDE 0530 Bbl. 2) zu

31 Frequenzumrichter - Energiesparfunktion Energiespareigenschaften eines Frequenzumrichters Prozessanpassung / Drehzahlregelung Zwischenkreiskopplung der generatorischen Energie Netzrückspeisung der generatorischen Energie Energie-Speichermodul

32 Energiespar- Konzept Reduktion der Verluste Optimierung des Leistungsbedarfs Nutzung freiwerdender Energie Erhöhung des Getriebewirkungsgrads Erhöhung des Motorwirkungsgrads Verbesserung des Umrichterwirkungsgrads Verzicht auf unnötige Funktionen Bedarfsgerechte Dimensionierung Reduktion des Lastmoments Starre Übertragungsglieder Gegengewicht Minimierte Reibung im Prozess Energiesparmodi (z.b. autom. Abschalten) Reduktion der Abtriebsdrehzahl direkte Nutzung in weiterer Achse Rückspeisung der Bremsenergie Energiespeicher nicht benötigte Energie ist die effektivste Lösung - E = + CHF Weniger Verbrauch gleich Gewinn

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!