Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe

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1 Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe Status und Ausblick aus Sicht der Forschung Dipl.-Ing. Christoph Weißinger Fachgebiet Energiewandlungstechnik

2 Übersicht Potenzialabschätzung Wirkungsgrad und Effizienz Wachstumsgesetze elektrischer Maschinen Hebel zur Wirkungsgradverbesserung Zusammenfassung Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 2

3 Potenzialabschätzung Prof. Binder, TU Darmstadt: Bei einer durchschnittlichen Erhöhung des Wirkungsgrades von 4 % bei der Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie durch den Einsatz von wirkungsgradgesteigerten Motoren für 50 % der deutschlandweit installierten Industrieantriebe wird eine Energieeinsparung von 1,4 % des industriellen elektrischen Energieverbrauchs p. a. erzielt A. Binder, Energiesparen mit moderner Antriebstechnik Potentiale und technische Möglichkeiten, Internationaler ETG-Kongress, Karlsruhe, Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 3

4 Potenzialabschätzung Stromverbrauch 2011 in Deutschland *) nach Sektoren PJ TWh **) % Gesamt Industrie Haushalte GHD ***) Verkehr *) Quelle: BMWi, Energie in Deutschland, Februar 2013 **) 1 TWh = 1 Mrd. kwh ***) Gewerbe, Handel, Dienstleistungen Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 4

5 Potenzialabschätzung Stromverbrauch 2011 in Deutschland *) im Sektor Industrie PJ TWh % Gesamt Mechanische Energie Wärme & Kälte **) Beleuchtung IKT ***) *) Quelle: BMWi, Energiedaten vom **) Prozess- und Raumheizwärme/Kälte, ***) Informations- und Kommunikationstechnik Einsparpotential (1,4 %): 0,654 TWh = 654 Mio. kwh Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 5

6 Wirkungsgrad und Effizienz Begriffsdefinitionen Wirkungsgrad: Verhältnis von abgegebener zu aufgenommener Leistung in einem Betriebspunkt: Effizienz: Verhältnis von abgegebener zu aufgenommener Energie über einen Zeitraum (Lastspiel): Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 6

7 Effizienzklassen Beispiel: Vierpolige Asynchronmaschinen IE3 IE2 / EFF 1 IE4 IE1 / EFF 2 EFF 3 Quelle: Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 7

8 Wirkungsgrad und Effizienz Wirkungsgradkennfeld einer stromrichtergespeisten ASM Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 8

9 Wachstumsgesetze elektrischer Maschinen Kühlung Sättigungszustand Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 9

10 Wachstumsgesetze elektrischer Maschinen Auswirkungen eines größeren Rotorvolumens Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 10

11 Hebel zur Wirkungsgradverbesserung Verlustanteile *) einer Asynchronmaschine (P N > 10 kw) Statorstromwärmeverluste 1 5 % Rotorstromwärmeverluste 0,5 6 % Eisenverluste 0,5 3 % Reibungsverluste 0,5 1,5 % Zusatzverluste 0,5 % Gesamt 3 16 % *) Alle Angaben in Prozent der Nennleistung W. Schröppel, Technologische Optionen zur Erschließung der Stromeffizienzpotentiale in der Industrie, Vortrag DENA, Berlin, 2006; SEW Eurodrive Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 11

12 Hebel zur Wirkungsgradverbesserung Verluste senken (Konstruktion) Stromwärmeverluste Geteilte Wickelköpfe Einzahnwicklung (nicht für ASM) Kupferkäfig (Mehrpreis, Mehrgewicht, höhere Trägheit) Dünnere Isolierstoffe ( mehr Leiterquerschnitt) Eisenverluste Bessere Blechqualitäten Minimierte Eisenwege (Design, Simulation) Pulververbundwerkstoffe (SMC) Permanenterregung (für Synchronmaschinen) Lagerreibung Projektierung und Betrieb Wahl des richtigen Antriebs Optimierte Betriebsstrategie des WR Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 12

13 PMSM mit Einzahnwicklung Bilder: Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 13

14 ASM mit Druckguss-Kupferkäfig Al Cu Quelle: Siemens Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 14

15 Bessere Blechqualität Weichmagnetische Kobalt-Eisen-Legierungen B sat = 2,35 T rd. 4 W/kg *) 50 % CoFe 17 % CoFe 3 % Si-Fe 99,9 % Fe Quelle: Vacuumschmelze *) Verlustziffer bei 1,5 T, 50 Hz Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 15

16 Transversalflussmaschine Quelle: IMAB, TU Braunschweig; IEM, RWTH Aachen Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 16

17 Hebel zur Wirkungsgradverbesserung Beispiel für einen 1,1 kw Asynchronmotor Bessere Lager und Lüfter + 0,3 % Zwei- statt Einschichtwicklung + 0,6 % Geteilter Wickelkopf + 1,2 % Mehr Aktivvolumen (+ 10 %) + 0,9 % Mehr Kupfer im Stator (+ 10 %) + 1,0 % Kupfer- statt Alukäfig + 2,5 % Bessere Blechqualität + 1,4 % Kombination von Kupferkäfig und + 4,4 % besserem Blech W. Schröppel, Technologische Optionen zur Erschließung der Stromeffizienzpotentiale in der Industrie, Vortrag DENA, Berlin, 2006; SEW Eurodrive Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 17

18 Hebel zur Wirkungsgradverbesserung Projektierung und Betrieb Wahl des richtigen Antriebs ASM am starrem Netz M D [Nm] Wirkungsgrad % Drehmoment Wirkungsgrad Drehzahl [U/min] Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 18

19 Hebel zur Wirkungsgradverbesserung Projektierung und Betrieb Wahl des richtigen Antriebs ASM am starrem Netz M D [Nm] Wirkungsgrad % Drehmoment Wirkungsgrad Drehzahl [U/min] Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 19

20 Hebel zur Wirkungsgradverbesserung Projektierung und Betrieb Wahl des richtigen Antriebs ASM am starrem Netz M D [Nm] Drehmoment Wirkungsgrad Drehzahl [U/min] Wirkungsgrad % Wärmeeintrag in den Rotor je Einschaltvorgang: E vrotor = E rot E rot = 1 J ω Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 20

21 Hebel zur Wirkungsgradverbesserung Projektierung und Betrieb Wahl des richtigen Antriebs ASM mit Wechselrichter M D [Nm] Wirkungsgrad % 40 Nenndrehmoment Wirkungsgrad mit WR E vrotor E rot Drehzahl [U/min] Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 21

22 Hebel zur Wirkungsgradverbesserung Projektierung und Betrieb Wahl des richtigen Antriebs ASM PMSM Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 22

23 Hebel zur Wirkungsgradverbesserung Klassische Betriebsstrategie des WR (U/f = const.) Systemwirkungsgrad [%] Drehmoment [Nm] WR U/f = const M/G Drehzahl [U/min] Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 23

24 Hebel zur Wirkungsgradverbesserung Optimierte Betriebsstrategie des WR (Ziel: Optimaler Maschinenwirkungsgrad) Systemwirkungsgrad [%] Drehmoment [Nm] WR η M optimal M/G Drehzahl [U/min] Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 24

25 Hebel zur Wirkungsgradverbesserung Optimierte Betriebsstrategie des WR (Ziel: Optimaler Systemwirkungsgrad) Systemwirkungsgrad [%] Drehmoment [Nm] WR η Syst optimal M/G Drehzahl [U/min] Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 25

26 Zusammenfassung Volllastwirkungsgrade elektrischer Maschinen bereits auf sehr hohem Niveau Effizienz von tatsächlichem Lastspiel abhängig Life Cycle Cost entscheidend zur Beurteilung von Investitionen in hocheffiziente Maschinen Höchste Effizienz ASM mit Kupferkäfig SM mit Einzahnwicklung und Permanenterregung Weitere Einsparpotentiale durch (maschinen-) verlustminimierte Steuerverfahren Abstimmung im Gesamtsystem Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 26

27 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Christoph Weißinger Fachgebiet Energiewandlungstechnik Theresienstraße 90, D München Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 27

28 Stromrichtergespeiste Asynchronmaschine Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 28

29 Permanenterregte Synchronmaschine Optimierter Einsatz elektrischer Antriebe (Ch. Weißinger) 29