6. Dezember 2013 Energieeffizienz im mittleren Leistungsbereich Motortechnologien und Potenziale Hermann Agis Siemens AG 2013. Alle Rechte vorbehalten. siemens.com/large-drives
Energieeffizienz Niederspannungsmotoren Was treibt den Motor? 2 Normen für Energieeffizienz 8 Gesetze für Energieeffizienz 14 Motortechnologien 18 Applikationshinweise 26 SinaSave 36 Seite 2
Industriemotoren im Widerstreit der Anforderungen Nennbetrieb optimieren Nennstrom, eta, cosφ Teillastbetrieb und Überlastfähigkeit optimieren Preis und Kosten reduzieren Pzu Wirkungsgrad η= Pab Pzu Anlauf optimieren Strom, Moment Pab Standardisieren Bauformen, Schutzarten, Betriebsarten, Betrieb am Frequenzumrichter V Geräusche u. Schwingungen reduzieren Gewicht u. Abmessungen reduzieren Lebensdauer u. Verfügbarkeit maximieren Serviceaufwand minimieren Seite 3
Zunehmende Sensibilisierung für Energieeffizienz Weltweit anhaltende Megatrends: Globalisierung, Urbanisierung, demographischer Wandel, Klimawandel Schwindende Ressourcen Steigende Energiekosten Steigender Energiebedarf Steigende Umweltbelastungen Ölproduktion Energiepreis Energieverbrauch CO 2 Ausstoß Klimaschutzmaßnahmen Versorgungsengpässe Kostensteigerung Energie: Eine knappe Ressource erfordert nachhaltiges Handeln. Seite 4
Antriebe verbrauchen ca. 70% der elektrischen Energie in der Industrie *) Beispiel Deutschland Elektrische Energie Industrie 43% 70% Industrie ca 17% noch einsparbar Elektrische Antriebe Gebäude, etc. 27% Haushalt 27% 30% Elektrowärme, Beleuchtung, IT, etc. Verkehr *) Quelle: Energie Agentur NRW (2010) Seite 5
Minimierung der Gesamtkosten durch Senkung des Energieverbrauches Lebenszykluskosten [%] Statistische Motorlebensdauer in Jahren* Kaufpreis Installationsund Wartungs- Kosten Energie- Kosten *statistische Motorlebensdauer DKI Info-Broschüre 09/99 Nennleistung [kw] Total Cost of Ownership der Energieverbrauch macht den bei Weitem dominierenden Teil der Lebenszykluskosten aus!!! Dies interessiert vorrangig aber nur den Endverbraucher. Seite 6
Wege des elektrischen Antriebs vom Hersteller zum Endkunden Endkunde Anlagenbauer Maschinenbauer (OEM) Händler Hersteller (Motoren, Frequenzumrichter) Der Endkunde nimmt nur bei einem kleinen Teil der Motoren, direkt Einfluss auf die Spezifikation des Wirkungsgrades Seite 7
Energieeffizienz Niederspannungsmotoren Was treibt den Motor? 2 Normen für Energieeffizienz 8 Gesetze für Energieeffizienz 14 Motortechnologien 18 Applikationshinweise 26 SinaSave 36 Seite 8
Vergleich der Energieeffizienz-Normen ALT - NEU ALT CEMEP IEC 60043-2 NEU IE-Code: IEC 60034-30 Test: IEC 60034-2-1 IE3 IE2 IE1 Premium Efficiency High Efficiency Standard Efficiency Seit 16.06.2011 müssen alle in der EU verkauften 2-, 4-, 6-poligen Motoren mit 0,75 375 kw & <1000V & Betriebsart S1 mindestens IE2 entsprechen. Seite 9
Neue Methode zur Wirkungsgradmessung gemäß IEC 60034-2-1 Im Oktober 2007 veröffentlicht, die Übergangszeit endete im Oktober 2010 Zusatzverluste werden nun genauer ermittelt (früher: Pauschalwert lt. Norm möglich) Grundlage für die Nenn-Effizienzwerte in IEC 60034-30 Vergleich EFF1 mit IE2 Wirkungsgrad ƞ [%] EFF1 Messmethode IEC60034-2-1 (alt) Zus.-Verluste 0,5 % der Einspeiseleistung Nom. 91,8 % IE2 Messmethode IEC60034-2-1 (neu) Zusatzverluste 1,2 % der Einspeiseleistung (Mittelwert) Nom. 90,6 % Differenz zur Messung der Zusatzverluste Andere Verluste (z. B. Ständer, Läufer, i 2 R, Reibung, Eisen ) Gleiche Messmethode in IEEE 112 15 kw, 4-polig FS 160L 50 Hz Die angegebenen Wirkungsgrade sind jetzt aufgrund der vorgeschriebenen neuen Ermittlungsmethode kleiner als früher. (Differenz ist ca. 0,5% - 2,5%, auch bei identischen Motoren, macht den Wirkungsgradvergleich mit alten Motoren schwierig) Seite 10
Effizienzklassifizierung gemäß IEC 60034-30 Veröffentlicht im Oktober 2008 Definition der Effizienzklassen IE1, IE2 und IE3 für Dreiphasen-Motoren mit Käfigläufer Geltungsbereich: Niederspannungsmotoren < 1000 V (50/60 Hz) bei Netzbetrieb (direkt am Netz angeschlossen) 0,75 375 kw; 2-, 4-, 6-polig Betriebsarten S1 und S3 mit > 80 % Einschaltdauer Auch anwendbar für Motoren mit Bremsen, Getriebemotoren, und explosionsgeschützte Motoren Geeignet für direktes Einschalten am Netz Aufstellhöhe < 1000m DIN (aus IEC 60034-1, Abschnitt 6) Umgebungstemperaturbereich von -15 C.. 40 C Referenz auf die EU-Verordnung 640/2009/EG (EBPG, EuP) Seite 11
IEC 60034-30 E-Effizienzklassen für Netzmotoren Erweiterung ist als Entwurf verfügbar! Teil -1 Teil - 2 Netzmotoren veröffentlicht 2007-09 IEC 60034-2 Standardmethoden zur Bestimmung der Verluste und des Wirkungsgrads aus Prüfungen Spezialmotoren veröffentlicht 2010-03-16 IEC 60034-30 Effizienzklassen (IE-Klassen) Teil -1 Netzmotoren Ausgabe 1 0,12 bis 1000 kw - bis 8-polig Teil - 2 Motoren für Drive Controller Speisung (vorrauss. 2014) M/470 Wichtigste Änderungen durch Teil - 1: Motor-Leistungsbereich erweitert von 0,12 kw auf bis zu 1000 kw Genaue Beschreibung zum Ausschluss zahlreicher Ausnahmedefinitionen, z. B. Temperaturbereich, Motoren mit Haltebremse Erweitert auf 8-polige Motoren IE4-Klasse wird in die Norm aufgenommen Einschränkung auf nur dreiphasige Käfigläufermotoren gilt nicht mehr Seite 12
Energieeffizienzklassen für Motoren am Frequenzumrichter und Umrichter-Motor-Systeme IEC 60034-2 Standardmethoden zur Bestimmung der Verluste und des Wirkungsgrads aus Prüfungen Teil -1 Teil - 2 Festdrehzahl- Motoren veröffentlicht 2007-09 Sonder- Motoren veröffentlicht 2010-03-16 Teil - 3 (TS) Motoren für VSD (vorrauss 2014 M/470 Entwurf 60034-2-3 Messung der Verlustleistung der Motoren im Betrieb am Umrichter IEC 60034-30 Effizienzklassen (IE-Klassen) Teil - 1 Teil - 2 Netzversorgung Ausgabe 1 0,12 bis 1000 kw - bis 8-polig Motoren für Drive Controller Speisung (vorrauss. 2014) Entwurf IEC 60034-30- 2 erwartet Energieeffizienz-klassen für Motoren, die am Umrichter betrieben werden Neue Norm IES -System, für Effizienzklassen für das gesamte System (Motor und Umrichter) ist geplant für 2014 Seite 13
Energieeffizienz Niederspannungsmotoren Was treibt den Motor? 2 Normen für Energieeffizienz 8 Gesetze für Energieeffizienz 14 Motortechnologien 18 Applikationshinweise 26 SinaSave 36 Seite 14
Was wird gültig und wann in Europa? EU-Verordnung 640/2009 Änderung ab ca. 2 HJ 2014 erwartet 2011-2012 2013-2014 2015-2016 2017-2018 2019-2020 16.06.2011 IE2 0,75-375kW IE3 für Mot IE2 wenn FU 7,5 375kW IE3 für Mot IE2 wenn FU 0,75 375kW IE2 minimaler Wirkungsgrad für Asynchronmotoren, 0,75 kw 375 kw IE2 minimum efficiency for induction motors, 0.75 kw 375 kw 01.01.2015 (Beachte definierte Ausnahmen in der Verordnung) IE3 für Motoren 7,5 kw 375 kw oder Umrichter + IE2-Motor 01.01.2017 Wie oben, aber ab 0,75 kw Seite 15
Produktgesetz für Energieverbrauch (EuP 640/2009/EG) Fordert minimale Wirkungsgrade für eintourige Käfigläufer-Induktionsmotoren. Bezieht sich auf das in Verkehr bringen von Motoren und deren Inbetriebnahme in der EU auch wenn sie in andere Produkte integriert sind. Geltungsbereich: bis 1000 V 50/60 Hz 2-, 4- und 6-polig 0,75 kw... 375 kw Betriebsart S1 Ausnahmen: Motoren gemäß ATEX (94/9/EC) Motoren für Aufstellungshöhen > 1000 m oder TUmgeb < 15 o C oder > 40 o C Brandgasmotoren >400 o C Flüssigkeitsgekühlte Motoren mit Tin < 5 o C Motoren, die vollständig in einer Maschine integriert sind und deren Wirkungsgrad nicht unabhängig von dieser Maschine gemessen werden kann Motoren, die ganz in einer Flüssigkeit eingetaucht betrieben werden Bremsmotoren Seite 16
Änderungen in (EuP - 640/2009/EG) Nachbesserungen bezüglich der Verordnung 640/2009 werden voraussichtlich ab 2. Halbjahr 2014 verbindlich Ausnahmen für: Aufstellungshöhen Maximale Umgebungstemperatur Maximale Umgebungstemperatur (Brandgasmotoren) Minimale Umgebungstemperaturen werden eingeschränkt (weniger Ausnahmen). (c)motoren [spezifiziert/entwickelt] ausschließlich für den Betrieb: (i) in Aufstellungshöhen > 4000 m über NN Die Nachbesserungen (ii) bei Umgebungstemperaturen werden ca. ab Mai 2014 > in 60 Kraft o C treten (iii)bei maximaler Betriebstemperatur > 400 o C (iv)bei Umgebungstemperaturen < 3020 o C für alle Motoren oder < 0 o C für Motoren mit Wasserkühlung Seite 17
Energieeffizienz Niederspannungsmotoren Was treibt den Motor? 2 Normen für Energieeffizienz 8 Gesetze für Energieeffizienz 14 Motortechnologien 18 Applikationshinweise 26 SinaSave 36 Seite 18
Future Standards New Energy Efficiency Class IE4 Bei IE4 kommen konventionelle Motor-Technologien an ihre Grenze. => Neue Konzepte sind notwendig. Diese sind auch abhängig von Applikation und Kundenerfordernissen. Seite 19
Motortechnologien für Netzbetrieb Asynchronmotor (ASM) Das Drehmoment entsteht durch den vom Schlupf induzierten Rotorstrom. Rotorkupferverluste IE4 erfordert mehr Aktivmaterial mehr und hochwertiges Eisen mehr Kupfer für Statorwicklung Kupferläufer + für alle relevanten Anwendungen und Leistungen geeignet IE4 ist für < 3 kw schwierig erreichbar PM Line-Start Motor (LPSM) Kombiniert das Prinzip der Synchron- mit der Asynchronmaschine Asynchroner Anlauf am Netz möglich und Betrieb als Synchronmaschine keine Rotorverluste im Betrieb + Eingeführte Technologie Siemens 1FU8 (since ~1960) + für alle relevanten Anwendungen und Leistungen geeignet (außer Schweranlauf) Permanentmagnetmaterial notwendig Seite 20
Motortechnologien für nur Umrichterbetrieb (kein Anlauf am Netz möglich) Synchr. Reluctance Motor (RSM) Drehmomentbildung durch das Bestreben des Rotors sich wegen seiner magnetischen Achsigkeit im vom Stator erzeugten Magnetfeld auszurichten. keine Rotorverluste Leistungsdichte kleiner als bei PSM + für alle relevanten Anwendungen und Leistungen geeignet Größerer Statorstrom wegen schlechterem cos phi Synchr. PM Motor (PSM) Drehmomentbildung wie bei RSM, hier aber ein zusätzliches Magnetfeld vom Rotor durch Permanentmagnete erzeugt keine Rotorverluste + höchste Leistungsdichte + für alle relevanten Anwendungen und Leistungen geeignet Permanentmagnetmaterial nötig Seite 21
Permanentmagnetmotor SIMOTICS HT-direct Vorteile des HT-direct im Vergleich zu Asynchronmotor mit Getriebe ASM mit Getriebe Kein Getriebe notwendig => nur eine Kupplung, nur ein Fundament, keine Ölversorgung, Platzbedarf ca. 50% Energieeinsparung Maschine HT-direct Niedrigere Betriebskosten Geringerer Lärmpegel Präzise Kontrolle ohne Spiel Arbeitsmaschine HT-direct SINAMICS Seite 22
Permanentmagnetmotor SIMOTICS HT-direct fremdbelüftet (IC 416) wassermantelgekühlt (IC 71W) Drehmoment 6.000 23.000 Nm 7.500 42.000 Nm Leistungsbereich 151 kw 1.257 kw 196 kw 2.073 kw Drehzahl, Polzahl Bauform/Schutzart Betrieb Typische Applikationen 200 800 UpM, 16polig, IM B3, IM B35, IP55 Nur am Umrichter Papiermaschinen, Servopressen, Schiffshauptantriebe, Bugstrahlruder, Extruder, Zucker- Zentrifugen, Querschneider, Winschen, Ölbohrtürme, Textilmaschinen Seite 23
Applikationsbeispiel Pumpstation Energieeinsparung mit SIMOTICS HT-direct Konventionelle Lösung Direktantrieb mit HT-direct Komponenten Wirkungsgrad Komponenten Wirkungsgrad Motor: 96.2% 1RN44504HM00-Z 1500 rpm, 1300kW, 8kNm Umrichter: 98.0% Sinamics S120CM Getriebe: 98.0%* Übersetzung 1:3.3 Motor: 97.3% 1FW4 507-1HD70-1AA0-Z 446 rpm, 1300kW, 28.4kNm Umrichter: 98.0% Sinamics S120CM KEIN Getriebe: 100% Systemwirkungsgrad 92.4% Systemwirkungsgrad 95.4% Jährliche Energieeinsparung für 3 Antriebssysteme 585 MWh (bei 5000 Betriebsstunden p.a.) EUR 41,000 p.a. (bei EUR 0.07 per kwh) *typical efficiency of spur gear Seite 24
Integrated Drive System wird zunehmend wichtiger Vertical Horizontal Commissioning Sales Life Cycle Optimierung des gesamten Antriebsstranges Development Configuration von Netzeinspeisung über Umrichter und Motor bis Arbeitsmaschine und Total Integrated Automation unter Einbeziehung von Engineering bis Life-Cycle-Services eröffnet große Einsparungspotentiale für den Betreiber. Seite 25
Energieeffizienz Niederspannungsmotoren Was treibt den Motor? 2 Normen für Energieeffizienz 8 Gesetze für Energieeffizienz 14 Motortechnologien 18 Applikationsbeispiele 26 SinaSave 36 Seite 26
Wege zur höheren Energieeffizienz Elektrische Energie intelligent einsetzen Energie mit hohem Wirkungsgrad wandeln Energierückspeisung nutzen Energiebedarf am Verbraucher senken und Verschwendung vermeiden Bedarfsgerechte Dimensionierung und Regelung Betrieb am Umrichter Komponenten mit hohem Wirkungsgrad einsetzen (Arbeitsmaschine, Kupplung, Getriebe, Motor, Frequenzumrichter, Kabel, Anspeisung) Frequenzumrichter mit Energierückspeisung ins Netz und/oder gemeinsamen Zwischenkreis Derzeitige Kosten 24,000 /a (bei 0.0873 /kwh) Seite 27
Wichtige Optimierungsfelder Die richtige Investition in energieeffiziente Antriebstechnik amortisiert sich meist bereits in kurzer Zeit. Dies gilt vor allem für: Antriebe mit hoher Betriebsstundenzahl Anlagen, die auch mit Teillast betrieben werden. Strömungsmaschinen (Pumpen, Lüftern, Gebläse, Kompressoren, etc.) Fördereinrichtungen (Förderbänder) Anlagen, bei denen Lasten oder Schwungmassen oft gebremst werden. Seite 28
Einsparpotential durch Systemoptimierung am Beispiel eines Abluftgebläses Derzeitige Kosten 24,000 /a (bei 0.0873 /kwh) Seite 29
Einsparpotential durch Systemoptimierung am Beispiel eines Abluftgebläses Schritt 1: Austausch gegen einen IE2-Motor Schritt 2: Einsatz eines Umichters Schritt 3: Weitere Optimierung 35 30 25 20 15 10 kw 5 0 Abgasfilter: Energieverbrauch Ventilator Motor 31,3 Alter Stand vor der Effizienzprüfung -2 % 30,7 mit effizientem IE2-Motor -66 % 10,3 9 mit effizientem IE2-Motor und Umrichter insgesamt -71 % ~ 17.000-13 % (erwartet) mit effizientem IE2-Motor, Umrichter und incl. Systemoptimierung Seite 30
Regelung prozessbedingt notwendig Beispiele Klimaanlage / Trockner unterschiedliche Menge Frischluft Druckluftversorgung Wasserversorgung unterschiedlicher Verbrauch Chemie, Prozesstechnik unterschiedlicher Rohstoff unterschiedliche Temperatur unterschiedliche Konzentration unterschiedliche Endprodukte p Einsatz eines mechanischen Stellgliedes (z.b. Drossel) Drehzahlregelung spart Energie gegenüber Drosselung Seite 31
Permanente Drosselung von Anlagen wegen Überdimensionierung, Beispiele Überdimensionierung P N vorsichtshalber (Planungssicherheit) unerwünschte Sekundäreffekte (Kavitation, Gasförderung, Druckbelastung...) Wartung t Wartung P N Pumpe Zusetzen von Filtern und Sieben Laufradverschleiß (Spaltverluste) Ablagerungen in Rohrleitungen P N Erweiterung t Einsatz eines mechanischen Stellgliedes (z.b. Drossel) Wasserversorgung geplante Erweiterung des Netzes Spülen Spülen t Pumpe Durchspülen von Leitungen, Sieben P N t Erhebliche Verschwendung von elektrischer Energie auch wenn auf den ersten Blick nicht gedrosselt wird Seite 32
Konsequenzen des höheren Motorwirkungsgrades Bei Austausch von Motoren IE1 => IE2 => IE3 ist zu beachten: Höheren Wirkungsgrad => kleinere Verluste => weniger Abwärme Andere Typenbezeichnung (Anlagen-/Maschinendokumente ändern) Auch sonst geänderte Daten (meist nur geringfügig) Kleinerer Schlupf Cos φ, Nennstrom Anlaufstrom und Anlaufmoment Mehr u. teureres Aktivmaterial => Höhere Herstellkosten => höherer Preis Größere Masse Eventuell größere Abmessungen Seite 33
Energieeinsparung durch Drehzahlregelung Beispiel Umwälzpumpe für Q = 50% Energieeinsparung durch Drehzahlregelung in % der 100%-Leistung: 87,5% ca. 66% Energieeinsparung durch Drehzahlanstatt Drosselregelung 12,5% Fall 1: Gegenüber ungedrosselt: 87,5% Fall 2: Gegenüber Drossel: ca. 66% Seite 34
Für ehrliche Energieoptimierung ist es notwendig das Gesamtsystem zu beachten Beispiel Gebläseantrieb im Betrieb direkt am Netz IE1-Motor 11 kw, 4-polig soll durch IE3-Motor ersetzt werden. Motoren mit folgenden Nenndaten im Vergleich: IE1-Motor: 11kW, 1460rpm, eta = 87,6%, => Motorverluste = 1,557 kw (12,4%) IE3-motor: 11kW, 1475rpm, eta = 91,4%, => Motorverluste = 1,035 kw (8,6%) Bei einer Belastung des Motors an der Welle von 11kW wäre die daraus vermutete Energieeinsparung: 0,522 kw Aber: Bei Betrieb direkt am Netz hat der bessere Motor eine höhere Drehzahl: IE3-Drehzahl / IE1-Drehzahl = 1,0103 Dadurch steigt die Leistung an der Gebläsewelle um ca. 3%. Das entspricht ca. 0,33 kw, was die Energieeinsparung durch den besseren Motor zum Teil zunichte macht, wenn die größere Förderleistung nicht genutzt wird! Seite 35
Energieeffizienz Niederspannungsmotoren Was treibt den Motor? 2 Normen für Energieeffizienz 8 Gesetze für Energieeffizienz 14 Ausblick auf neue Motoren 18 Applikationsbeispiele 26 SinaSave 36 Seite 36
SinaSave zeigt Einsparpotenziale für verschiedene Antriebssysteme im Vergleich zueinander berechnet die Amortisationszeit für kundenspezifische Betriebsbedingungen bietet Hilfe bei der Entscheidung über Investitionen in energieeffiziente Technologien unterstützt technische Entscheidungsträger bei der Auswahl energieeffizienter Antriebe Vergleichsmöglichkeiten: Motoren: IE3 / IE2 / IE1 / NEMA Regelung durch: Drehzahl / Drossel / Drall bei Pumpen, Gebläse, Kompressoren www.siemens.de/energiesparen Seite 37
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