Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Systemansatz aber richtig. Einsatz von Frequenzumrichtern, M. Störmer, Danfoss GmbH

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1 Energieeffizienz durch Drehzahlregelung Systemansatz aber richtig Einsatz von Frequenzumrichtern, M. Störmer, Danfoss GmbH

2 Systembetrachtung Payback-Zeit hängt von der Anwendung ab FU: Systemansatz aber richtig Dienstag, 10. Dezember

3 Nebenwirkung beachtet? Nachteile werden oft zu spät erkannt und berücksichtigt FU: Systemansatz aber richtig Dienstag, 10. Dezember

4 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 FU: Systemansatz aber richtig Dienstag, 10. Dezember

5 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 FU: Systemansatz aber richtig Dienstag, 10. Dezember

6 Beispiel: Anwendung Belüftungsanlage Lüftermotor: 5,5 kw / Betrieb: 365 Tage/24h / Benötige Luftmenge variiert (Jahreszeiten, Personenanzahl) Lastprofil 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% FU: Systemansatz aber richtig Dienstag, 10. Dezember

7 Wirkungsgrade bei Teillast Für Abschätzung der Umrichterverluste ist der Lastpunkt in Diagramm mit dem Nennwirkungsgrad des FU zu multiplizieren. Wirkungsgradverhalten: Beispiel 4 kw Motor + Umrichter Umrichter- und Motorwirkungsgrade sinken im Teillastbereich Motor hat bei FU-Betrieb mehr Verluste. Grund: Taktfrequenz, Oberschwingungen Motorwirkungsgrade sind oft nur bei Nennfrequenz bekannt FU: Systemansatz aber richtig Dienstag, 10. Dezember

8 Begrenztes Budget: Zuerst in Motor oder FU investieren? Lüftermotor: 5,5 kw / Betrieb: 365 Tage / 24h / Lastprofil Lüftermotor Kosten Motor: 260 / Kosten FU: 920 / Kosten FU Montage: 300 / Kosten kwh: 0,10. Annahme: Gleichmäßiges Lastprofil pro Monat Austausch IE 2 Motor gegen IE3 Motor: 30 Monate Austausch Drosselregelung gegen FU Regelung ohne Motortausch: 10 Monate Austausch Drosselregelung gegen FU Regelung mit Motortausch auf IE3: 9 Monate FU: Systemansatz aber richtig Dienstag, 10. Dezember

9 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 Lüftersysteme nach DIN EN ISO 5801 an der ILK Dresden FU: Systemansatz aber richtig Dienstag, 10. Dezember

10 Gleich- und Wechselrichter erzeugen Störungen Motorstrom EMV-Filter müssen nicht serienmäßig in Geräten enthalten sein. Separate Entstörung ist zulässig, bewirkt aber zusätzliche Verluste und Kosten! Motorspannung Wird in THD (Total Harmonic Distortion) bewertet Hohe THD Werte bedeuten: höhere Verluste in Transformator größere Leitungsquerschnitte Lebensdauerbeeinflussung anderer Geräte Belastet Motorisolation Erzeugt EMV-Störungen Leitungsgebunden (150 khz-30 MHz) Luftgebunden (30 MHz-1 GHz) FU: Systemansatz aber richtig Dienstag, 10. Dezember

11 Einordnung Netzfilter (Diskussionsgrundlage) Kosten Umrichter Kosten Netzfilter 12 Puls Passive Filter 10% 24 Puls 18 Puls Passive Filter 5% Active Front End 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 FU: Systemansatz aber richtig Dienstag, 10. Dezember

12 Motor für FU Betrieb Nicht-sinusförmige Spannung des FU und die Kommutierungsvorgänge beanspruchen Isolation eines Motors zusätzlich IEC / IEC definieren Anforderungen an Motorisolation Abhilfe für kritische / ältere Motoren Allpolige Sinus-Filter (ca. 60% FU Preis) Sinus-Filter (ca. 30% FU Preis) du/dt (ca. 15% FU Preis) FU: Systemansatz aber richtig Dienstag, 10. Dezember

13 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 FU: Systemansatz aber richtig Dienstag, 10. Dezember

14 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 Nachteilebeim FU-Einsatz im Bedarfsfall Experten hinzu! FU: Systemansatz aber richtig Dienstag, 10. Dezember

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