Energieeffiziente Antriebssysteme

1. Energieeffiziente Antriebssysteme Unentdeckte Potentiale Fachforum März 2013

2. Warum Energieeffizienz? • Ökonomisch • Steigende Energiekosten • Reduzierung des Energie-- bedarf • wachsender Einfluss auf das Betriebsergebnis • Umwelt/ Klimawandel • CO2 Ausstoß • Grünes Image • Gesetzgebung • EUP Richtlinie Quelle ZVEI 2009 (EUP Energyusing Products)

3. Energieeffizienz Elektrische Antriebe • Energie- Einsparpotentiale (Deutschland): • 5,5 Milliarden KWh oder 3,4 Millionen Tonnen CO2 durch den vermehrten Einsatz von Energiesparmotoren. • 22 Milliarden KWh oder 13,5 Millionen Tonnen CO2 durch den vermehrten Einsatz von Frequenzumrichtern zur elektronischen Drehzahlregelung. • Das entspräche einer Einsparung von11 Kraftwerksblöcken der 400 MW-Klasse.

4. Effizienzstandards und Wirkungs-grade für Drehstrommotoren IEC 60034-2-1 Definiert die Vorgehensweise bei der Bestimmung der Wirkungsgrade IEC 60034-30 Definiert die Wirkungsgradklassen neu und vereinheitlicht die bisher unterschiedlichen Ländervorschriften ErP-Richtlinie 2009/125/EG (Energie relatedProducts) Legt fest, welche Wirkungsgradklassen gem. IEC 60034-30 in Europa(inkl. Schweiz) eingesetzt werden dürfen

5. Energieklassifizierung • In der IEC 60034-30 wurden die neuen Effizienzklassen festgelegt (IE = International Efficiency) IE4* Super Premium Efficiency Wirkungsgrad IE3 Premium Efficiency NEMA Premium IE2 High Efficiency NEMA Energy Efficient IE1 Standard Efficiency Eff I * In Abstimmung

6. Normen und gesetzliche Grundlagen Standardisierung der Energieeffizienz Motoren in Europa • Verordnung EG 640/2009 zur Durchführung der EuP Richtlinie 2005/32/EG (EuP = Energy using Product) 01.01.2015 IE3 für alle Motoren von 7,5 kW bis 375kW (oder IE2 mit Frequenzumrichter) 16.06.2011 IE2 für alle Motoren von 0,75 kW bis 375kW 01.01.2017 IE3 für alle Motoren von 0,75 kW bis 375kW (oder IE2 mit Frequenzumrichter) 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

7. Betrachtung der Life Cycle Costs Beispiel Asynchronmotor IE2 5000

8. Investitionszuschüsse zum Einsatz hocheffizienter Querschnittstechnologien im Mittelstand • Elektrische Motoren und Antriebe förderfähig • 5.000€ - 30.000€ je Antragsteller http://www.bafa.de/bafa/de/energie/querschnittstechnologien/index.html Broschüre 5000

9. Energieeinsparpotentiale Antriebstechnik Auswahl eines energieeffizienten Antriebssystems Einsatz energieeffizienter Antriebskomponenten Elektronische Drehzahlregelung teillastbetriebener Maschinen Zwischenkreiskopplung Energierückspeisung Reduktion von Harmonischen Reduktion von Oberschwingungen Optimierung des Bewegungsprofils

10. Vergleich Antriebslösungen • RAVEL Bundesamt für Konjunkturfragen 3003 Bern, Mai 1995 • Ch.Pohl, J. Hesselbach,Substitution von Druckluft in der Produktion, Industrie Management 27(2011) 6, GTI Verlag • Schneider Electric

11. Vergleich Antriebslösungen

12. Einsatz energieeffizienter Antriebskomponenten Energiequelle Umrichter elektr. Machine Übertragungs-elemente Arbeitsmaschine ηU≈97% ηM≈72-98% ηÜ≈50-98% ηges= ηU x ηM x ηÜ

13. Wirkungsgrade Übertragungselemente 5000

14. Beispiel: Optimierung Motor / Getriebe 5000

15. Beispiel: Optimierung Motor / Getriebe 5000

16. Energieeffizienz Motoren • Motoren verbrauchen die Hälfte der insgesamt erzeugten elektrischen Energie 1) • Motoren im Leistungsbereich bis 10KW haben in Summe den größten Anteil am Stromverbrauch 1) 1) Quelle VDE „Effiziens- und Energiesparpotentiale elektrischer Energie in Deutschland“ 5000

17. Energieeffizienz Motoren - IE4 „Super Premium“ von 0,1-10kW ökonomisch und technisch sinnvoll (VDE) 1) - Wirkungsgradverbesserung nicht mit Käfigläufern möglich permanenterregte Synchronmaschine (PMSM) mit Frequenzumrichter 1) Quelle VDE „Effiziens- und Energiesparpotentiale elektrischer Energie in Deutschland“ 5000

18. Energieklassifizierung • In der IEC 60034-30 wurden die neuen Effizienzklassen festgelegt (IE = International Efficiency) IE4* Super Premium Efficiency Wirkungsgrad IE3 Premium Efficiency NEMA Premium IE2 High Efficiency NEMA Energy Efficient IE1 Standard Efficiency Eff I * In Abstimmung

19. Wirkungsgradklassen nach IEC 60034-30 vs. Synchronmotor Quelle: ZVEI

20. IE3 oder IE2 mit Frequenzumrichter Vergleich Netz zu Umrichterbetrieb Messung cosφ • Ergebnis • cosφ verändert sich massiv im Teillast Bereich • cosφ ist somit lastabhängig! • Angaben auf dem Typenschild gelten für den Nennbetriebspunkt

21. Energieeffizienz ATV32+ BMP-Motor BMP + FU Permanentmagnet Motor Getriebelos Wirkungsgrad >0,90 Leerlauf: 15 Watt Bemessungslast: 100 Watt • Asynchronmotor Netzbetrieb • Getriebe: i = 17 • Wirkungsgrad 0,40 • Leerlauf: 110 Watt • Bemessungslast :180 Watt • Last • Drehmoment: 3,1 Nm • Drehzahl 180 U/min • Bemessungsleistung: 64 Watt

22. Energieeffizienz ATV32 + BMP-Motor Synchronmotor Hoher Wirkungsgrad Getriebelos Kein Öl Kompakt Leise Weniger Wartung Weniger Lärm Kleinere Bauform Häufig spez. Bauformen Teurer Nur Umrichterbetrieb möglich • Asynchronmotor mit Getriebe • Niedriger Wirkungsgrad • Getriebe • Öl • groß • Laut • Lüfter • billig • Standard – Motor • Netzbetrieb möglich

23. elektr. Drehzahlregelung Energiequelle Umrichter elektr. Machine Übertragungs-elemente Arbeitsmaschine

24. Sonstiges 37 % Kompressoren 30 % Ventilation 13 % Pumpen 20 % Entdecken Sie Ihre Möglichkeiten • Reduktion der benötigten Energie • Ein Großteil der benötigten Energie (275 Mrd. kWh)wird für den Betrieb von Motoren verwendet • 63% dieser benötigten Energie (183 Mrd. kWh) wird für «Durchfluss - Anwendungen» von Medien wie Wasser oder Luft aufgewendet

25. Pumpen Kompressor Lüfter Was sind „Durchfluss-Anwendungen“ ? • Wie werden diese Applikationen betrieben und geregelt? • Konventionell über Drosselklappe oder Drallregler • Ressourcen schonend über Frequenzumrichter

26. ENERGIEEINSPARUNG ca. 50% Frequenzumrichter bei Pumpen & LüfternDie Leistungskurve (Lüfter) Installation Frequenzumrichter : - Veränderung des Durchflusses durch Änderung der Motorgeschwindigkeit Durchflussregelung : 80% des Nenndurchfluss • Auslassventil Die Leistungsaufnahme beträgt 98% der Nennleistung • Frequenzumrichter Die Leistungsaufnahme beträgt <50% der Nennleistung Leistung 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % • Auslassventil • Einlassventil • FU 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Flow

27. Brake Konventionell aufgebaute Applikation • Drosseln, Klappen und Ventile zur Durchflussregelung funktionieren nach folgendem Prinzip: Angenommen Sie regeln die Geschwindigkeit ihres Autos, indem Sie mit Ihren rechten Fuß immer auf das Gaspedal voll durchtreten, während Sie mit dem linken Fuß das Bremspedal betätigen, um die Schnelligkeit zu regulieren. Fahren Sie so Auto …? • Genau dies passiert aber in konventionell aufgebaute Applikation! Die durch Pumpen und Lüfter mit konstanter Drehzahl teuer erzeugte Strömungsenergie wird durch Drosseln, Klappen und Ventile teilweise wieder vernichtet. Macht das Sinn …?

28. Frequenzumrichter bei Pumpen & LüfternEnergieeinsparung Durch Frequenzumrichter werden die Energiekosten um ca. 50% gesenkt… …obwohl der Frequenzumrichter selber einen schlechteren Wirkungsgrad hat, im Vergleich zu einem direkt über das Netz versorgten Motor.

29. Energie Effizienz • Es ist Physik: zentrifugal Pumpen und Lüftern; • Der Durchfluss ist proportional zur Drehzahl • Die Leistungsaufnahme ist proportional zur 3. Potenz der Drehzahl Eine kleine Drehzahlreduzierung hat eine signifikante Reduzierung der Leistungs- Aufnahme zur Folge

30. Zwischenkreiskopplung Energiequelle Umrichter elektr. Machine Übertragungs-elemente Arbeitsmaschine

31. Zwischenkreiskopplung

32. =S= Lösung DC Verbund VW3M7101R01 VW3M7102R15

33. Applikation - Antriebsverbund Ski Poliermaschine Bis zu 11x FUs in einer Maschine über EtherCat Sicherheitstechnik und Feldbuskommunikation Kompakte Bauform DC Verbund Schaltschrank

34. Applikation Antriebsverbund RB RB 3 ~DS Mot 3 ~DS Mot 3 ~DS Mot 3 ~DS Mot 3 ~DS Mot 3 ~DS Mot 3 ~DS Mot 3 ~DS Mot 3 3 3 1 1 3 1 3 3 3 3 Alt 2 Bremswiderstände je 3KW Neu 1 Bremswiderstand 2KW Ersatz der 1 phasigen Umrichter durch 3 phasige Umrichter +- +- +- +- +- +- +- +- FU1 FU2 FU4 FU6 FU7 FU3 FU5 FU8 In der Bremsphase, ca. 20s mind. 3-4KW im Mittel weniger Leistungs-aufnahme 3 3 3 3 3 3 3 3

35. Energierückspeisung Energiequelle Umrichter elektr. Machine Übertragungs-elemente Arbeitsmaschine

36. Energierückspeisung

37. Netz AFE‘s DC-Schiene FUs Motoren =S= Lösung Energierückspeisung Netzrückspeise-modul Netzwechselrichter„ActiveFront End“

38. Reduktion von Netzoberschwingungen Energiequelle Umrichter elektr. Machine Übertragungs-elemente Arbeitsmaschine

39. Harmonische Wie entstehen Harmonische oder Oberschwingungen? Harmonische entstehen durch nicht sinusförmige Ströme der Verbraucher wie z.B. Gleichrichter.

40. 2 =S= Lösung Harmonische ATV212 Low Harmonic Technologie … der HVAC Umrichter für Gebäude

41. =S= Lösung Harmonische • Angebot besteht aus: • LH Drive System von 55 bis 630kW “ATV61EXC●●●N4H” • 400V, 50/60Hz • Schutzart IP23 und IP54

42. ATV61 Low Harmonic 4Q RectifierB6- IGBT bridge Converter B6- IGBT bridge Motor cos j =1 Generator cos j = -1

43. Reduktion von Harmonischen

44. Optimierung des Bewegungsprofils Energiequelle Umrichter elektr. Machine Übertragungs-elemente Arbeitsmaschine ηU≈97% ηM≈72-98% ηÜ≈50-98%

45. Der Ansatz von Schneider Electric für Mid- & High Performance-Maschinen • Bestimmen sie den Energy Footprint Ihrer Maschine! • In der Design-Phase: • Simulation* des Energieverbrauchs mit Bibliotheksbausteinen, ohne angeschlossene Geräte oder Antriebe! • Im realen Produktionsbetrieb: • Messung des Energieverbrauchs mit integrierter Messtechnik, online Monitoring mit Bibliotheksbausteinen/Energy-Dashboard (*) Die Qualität der Simulationsergebnisse ist abhängig davon, in welchem Umfang für Verbraucher der geplanten Maschinen Bibliotheksbausteine parametriert werden.

46. Mehrwert für Maschinenbetreiber • Mit Simulation kann vor Bau der Maschine ein geschwindig- keitsabhängiger Energy-Footprint bestimmt werden • Kunden haben die Möglichkeit, Maschinen vor Kauf zu vergleichen • Kunden verfügen über Daten für die energetische optimale Auslegung der Geschwindigkeit ihrer geplanten Produktionslinie Energy [kW] 100 40 600 1000 Speed [cycle/min]

47. EEfficiency vs. Performance Mehrwert für Maschinenbetreiber Einfluss der Geschwindigkeit auf den Energieverbrauch 4,7A 22,8A double cycle time 120 Takte/min 60 Takte/min

48. Ende