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Energieeffiziente Antriebssysteme Unentdeckte Potentiale Fachforum März 2013.

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Präsentation zum Thema: "Energieeffiziente Antriebssysteme Unentdeckte Potentiale Fachforum März 2013."—  Präsentation transkript:

1 Energieeffiziente Antriebssysteme Unentdeckte Potentiale Fachforum März 2013

2 Schneider Electric 2 - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Warum Energieeffizienz? Ökonomisch Steigende Energiekosten Reduzierung des Energie- - bedarf wachsender Einfluss auf das Betriebsergebnis Umwelt/ Klimawandel CO 2 Ausstoß Grünes Image Gesetzgebung EUP Richtlinie (EUP Energy using Products) Quelle ZVEI 2009

3 Schneider Electric 3 - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Energie- Einsparpotentiale (Deutschland): 5,5 Milliarden KWh oder 3,4 Millionen Tonnen CO 2 durch den vermehrten Einsatz von Energiesparmotoren. 22 Milliarden KWh oder 13,5 Millionen Tonnen CO 2 durch den vermehrten Einsatz von Frequenzumrichtern zur elektronischen Drehzahlregelung. Das entspräche einer Einsparung von 11 Kraftwerksblöcken der 400 MW-Klasse. Energieeffizienz Elektrische Antriebe

4 4 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Effizienzstandards und Wirkungs- grade für Drehstrommotoren IEC Definiert die Vorgehensweise bei der Bestimmung der Wirkungsgrade IEC Definiert die Wirkungsgradklassen neu und vereinheitlicht die bisher unterschiedlichen Ländervorschriften ErP-Richtlinie 2009/125/EG (Energie related Products) Legt fest, welche Wirkungsgradklassen gem. IEC in Europa (inkl. Schweiz) eingesetzt werden dürfen

5 5 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Energieklassifizierung In der IEC wurden die neuen Effizienzklassen festgelegt (IE = International Efficiency) Wirkungsgrad Eff I IE1 Standard Efficiency IE2 High Efficiency IE3 Premium Efficiency NEMA Energy Efficient NEMA Premium IE4* Super Premium Efficiency * In Abstimmung

6 6 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz 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) IE2 für alle Motoren von 0,75 kW bis 375kW IE3 für alle Motoren von 7,5 kW bis 375kW (oder IE2 mit Frequenzumrichter) IE3 für alle Motoren von 0,75 kW bis 375kW (oder IE2 mit Frequenzumrichter)

7 7 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz 5000 Betrachtung der Life Cycle Costs Beispiel Asynchronmotor IE2

8 8 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz 5000 Investitionszuschüsse zum Einsatz hocheffizienter Querschnittstechnologien im Mittelstand - Elektrische Motoren und Antriebe förderfähig je Antragsteller Broschüre

9 9 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz 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 10 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Vergleich Antriebslösungen 1)RAVEL Bundesamt für Konjunkturfragen 3003 Bern, Mai )Ch.Pohl, J. Hesselbach,Substitution von Druckluft in der Produktion, Industrie Management 27(2011) 6, GTI Verlag 3)Schneider Electric

11 11 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Vergleich Antriebslösungen

12 12 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Einsatz energieeffizienter Antriebskomponenten EnergiequelleUmrichter elektr. Machine Arbeitsmaschine Übertragungs- elemente η Ü50-98% η M72-98% η U97% η ges = η U x η M x η Ü

13 13 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz 5000 Wirkungsgrade Übertragungselemente

14 14 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz 5000 Beispiel: Optimierung Motor / Getriebe

15 15 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz 5000 Beispiel: Optimierung Motor / Getriebe

16 16 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz 5000 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

17 17 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz 5000 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

18 18 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Energieklassifizierung In der IEC wurden die neuen Effizienzklassen festgelegt (IE = International Efficiency) Wirkungsgrad Eff I IE1 Standard Efficiency IE2 High Efficiency IE3 Premium Efficiency NEMA Energy Efficient NEMA Premium IE4* Super Premium Efficiency * In Abstimmung

19 19 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Wirkungsgradklassen nach IEC vs. Synchronmotor Quelle: ZVEI

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

21 21 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz 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 22 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz 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 23 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz elektr. Drehzahlregelung EnergiequelleUmrichter elektr. Machine Arbeitsmaschine Übertragungs- elemente

24 24 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz 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 Ventilation 13 % Kompressoren 30 % Pumpen 20 % Sonstiges 37 %

25 25 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Wie werden diese Applikationen betrieben und geregelt? Konventionell über Drosselklappe oder Drallregler Ressourcen schonend über Frequenzumrichter LüfterKompressorPumpen Was sind Durchfluss-Anwendungen ?

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

27 27 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz 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 …? Brake Konventionell aufgebaute Applikation

28 28 Schneider Electric- Christian von Ehrenstein - Energy Efficiency19/01/2010 Frequenzumrichter bei Pumpen & Lüftern Energieeinsparung Durch Frequenzumrichter werden die Energiekosten um ca. 50% gesenkt… …obwohl der Frequenzumricht er selber einen schlechteren Wirkungsgrad hat, im Vergleich zu einem direkt über das Netz versorgten Motor.

29 29 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz 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 30 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Zwischenkreiskopplung EnergiequelleUmrichter elektr. Machine Arbeitsmaschine Übertragungs- elemente

31 31 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Zwischenkreiskopplung

32 32 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz =S= Lösung DC Verbund VW3M7101R01 VW3M7102R15

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

34 34 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz FU ~ DS Mot 3 FU ~ DS Mot 3 FU ~ DS Mot 3 FU ~ DS Mot 3 FU ~ DS Mot 3 FU ~ DS Mot 3 FU ~ DS Mot 3 FU ~ DS Mot 3 3 RBRB RBRB Alt 2 Bremswiderstände je 3KW Neu 1 Bremswiderstand 2KW Ersatz der 1 phasigen Umrichter durch 3 phasige Umrichter In der Bremsphase, ca. 20s mind. 3-4KW im Mittel weniger Leistungs- aufnahme Applikation Antriebsverbund 3 3 3

35 35 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Energierückspeisung EnergiequelleUmrichter elektr. Machine Arbeitsmaschine Übertragungs- elemente

36 36 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Energierückspeisung

37 37 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz =S= Lösung Energierückspeisung DC-Schiene Netz AFEs FUs Motoren NetzwechselrichterActive Front End Netzrückspeise- modul

38 38 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Reduktion von Netzoberschwingungen EnergiequelleUmrichter elektr. Machine Arbeitsmaschine Übertragungs- elemente

39 39 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Wie entstehen Harmonische oder Oberschwingungen? Harmonische entstehen durch nicht sinusförmige Ströme der Verbraucher wie z.B. Gleichrichter. Harmonische

40 40 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz =S= Lösung Harmonische 2 ATV212 Low Harmonic Technologie … der HVAC Umrichter für Gebäude

41 41 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Angebot besteht aus: LH Drive System von 55 bis 630kW ATV61EXCN4H 400V, 50/60Hz Schutzart IP23 und IP54 =S= Lösung Harmonische

42 42 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz ATV61 Low Harmonic 4Q Rectifier B6- IGBT bridge Converter B6- IGBT bridge Generator cos = -1 Motor cos =1

43 43 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Reduktion von Harmonischen

44 44 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Optimierung des Bewegungsprofils EnergiequelleUmrichter elektr. Machine Arbeitsmaschine Übertragungs- elemente η Ü50-98% η M72-98% η U97%

45 45 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz 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 Der Ansatz von Schneider Electric für Mid- & High Performance- Maschinen (*) Die Qualität der Simulationsergebnisse ist abhängig davon, in welchem Umfang für Verbraucher der geplanten Maschinen Bibliotheksbausteine parametriert werden.

46 46 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Mehrwert für Maschinenbetreiber Speed [cycle/min] Energy [kW] 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

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

48 48 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Schneider Electric Wohngebäude 9% Energie & Infrastruktur 24% Industrie 20% Rechenzentren & Netzwerke 16% Gebäude 29% Umsatz pro Region in 2011 Umsatz nach Märkten Nord- amerika 23% Asien, Pazifik 27% Rest der Welt 18% West- europa 32% Milliarden Euro Umsatz (2011) des Umsatzes in Schwellenländern Mitarbeiter in über 100 Ländern Investitionen in F&E,

49 49 Schneider Electric - elektr. Antriebstechnik Jürgen Spiertz Ende


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