Energieeffiziente Antriebssysteme Unentdeckte Potentiale Fachforum März 2013

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 Energieeffiziens als Change,-> Innovation Energieeffiziens hilft wirtchaftlicher und umweltfreundlicher zu produzieren Schneider begleitet das Thema Energieeffiziens mit innovativen Produkten (EUP Energy using Products)

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 von 11 Kraftwerksblöcken der 400 MW-Klasse. die Hälfte des in Deutschland produzierten Stroms wird für Motoren verbraucht Potential kann mit heutigen Technologien erschlossen werden

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 related Products) Legt fest, welche Wirkungsgradklassen gem. IEC 60034-30 in Europa (inkl. Schweiz) eingesetzt werden dürfen Normen -> Empfehlungen, wie Richtlinien bzw. Gesetze einmgehalten werden können Richtlinien: Gesetz, d.h. ab den genannten Stichtagen dürfen nur noch Motoren einer bestimmten Effiziensklasse in Verkehr gebracht werden

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 Alt Eff 2 schlechter als IE1 -> weitere Wirkungsgradverbesserung möglich und sinnvoll IE4 (Super Premium), mit Käfigläufermotren nicht möglich (VDE) permanent erregte Synchronmaschinen, „Nachteil“ Frequenzumrichter , jedoch heute mehr als 25% der verkauften Niederspannungsmotoren mit Frequenzumrichter, stark steigende Tendenz außerdem führt der drehzahlgeregelte Betrieb bei vielen Applikationen zu höheren Energieeinsparung, als mit neuen Motorentechnologien denkbar IE4 von 0,1-10kW ökonomisch und technisch sinnvoll (VDE) IE1 Standard Efficiency Eff I * In Abstimmung

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

Betrachtung der Life Cycle Costs Beispiel Asynchronmotor IE2 5000

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

Energieeinsparpotentiale Antriebstechnik Auswahl eines energieeffizienten Antriebssystems Einsatz energieeffizienter Antriebskomponenten Elektronische Drehzahlregelung teillastbetriebener Maschinen Zwischenkreiskopplung Energierückspeisung Reduktion von Harmonischen Reduktion von Oberschwingungen Optimierung des Bewegungsprofils mechanische Systeme: Ersatz von Drosselklappen bei Lüfter, Ersatz von hydraulischen und pneumatischen Stellgliedern durch elektzrische, z.B. Linearachsen enrgieeffiziente Motoren: effiziente Übertragungsglieder getriebelose Antriebssysteme: Synchronmaschinen, Sonderform Torquemotoren IE3-Motoren, Reluktanzmaschinen, Permanent-Erregte Synchronmaschinen Elektronsiche Drehzahlregleung: z.B. Pumpen, Lüfter Netzoberwellen: Verschiebeblindleistung durch Einsatz von Diodengleichrichtern Optimierung Bewegungsprofil enrgieoptimales Bewegungsprofil

Vergleich Antriebslösungen Hydraulik antrieb wandelt dreimal die Energie: Pumpe elektrische Enerrgie in Bewegungsenrgie, mechanische Energie in hydraulishe Energie, hydraulishce E. in Bewegungsenergie Bei Pneumatik kommt noch die Abwärme bei Kompression der Luft als Velrlust hinzu rein energetische Betrachtung,weitere nachteile Hydraulik: Lechagen, Ölverlust, Filter des Hydrauliköls kommen 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

Vergleich Antriebslösungen Hydraulik antrieb wandelt dreimal die Energie: Pumpe elektrische Enerrgie in Bewegungsenrgie, mechanische Energie in hydraulishe Energie, hydraulishce E. in Bewegungsenergie Bei Pneumatik kommt noch die Abwärme bei Kompression der Luft als Velrlust hinzu rein energetische Betrachtung,weitere nachteile Hydraulik: Lechagen, Ölverlust, Filter des Hydrauliköls kommen Alternativ Linearachse mit Frequenzumrichter

Übertragungs- elemente Einsatz energieeffizienter Antriebskomponenten Energiequelle Umrichter elektr. Machine Übertragungs- elemente Arbeitsmaschine ηU≈97% ηM≈72-98% ηÜ≈50-98% ηges= ηU x ηM x ηÜ Übertragungselemete: z.B. Keilriemen, Getriebe etc. elektrische Maschine: Verschiedene Motorentypen, Einteilung der Motoren in Effiziensklassen Umrichter: Verluste abhängig von Taktfrequenz, Kennlinien der Hersteller beachten, auch Maßnahmen zur Reduzierung von Oberwellen betrachten z.B. Low Harmonic Drive, Netzdrossel, Filter Gesamtwirkungsgrad Worst Case: 34%!!

Wirkungsgrade Übertragungselemente 5000

Beispiel: Optimierung Motor / Getriebe mittlere Leistungsaufnahme 5000

Beispiel: Optimierung Motor / Getriebe Torquemotoren: Permanent Errgete Synchronmaschine, hohes Drehmoment Zusatznutzen: baugrößenreduzierung bis 50%!! 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) Motoren im Leistungsbereich bis 10kW haben in Summe den größten Anteil am Energieverbrauch 1) Quelle VDE „Effiziens- und Energiesparpotentiale elektrischer Energie in Deutschland“ 5000

Energieeffizienz Motoren - IE4 „Super Premium“ von 0,1-10kW ökonomisch und technisch sinnvoll (VDE) 1) 90% der heute verkauften Motoren IE1 Herstellkosten steigen pro Wirkungsgradklasse um 10-20%, d.h. von Standard zu Premium Mehrkosten von 30%=>gestzliche Vorgaben notwendig! Motoren im Leistungsbereich bis 10kW haben in Summe den größten Anteil am Energieverbrauch -> weitere Wirkungsgradverbesserung möglich und sinnvoll IE4 (Super Premium), mit Käfigläufermotren nicht möglich (VDE) permanent erregte Synchronmaschinen, „Nachteil“ Frequenzumrichter , jedoch heute mehr als 25% der verkauften Niederspannungsmotoren mit Frequenzumrichter, stark steigende Tendenz außerdem führt der drehzahlgeregelte Betrieb bei vielen Applikationen zu höheren Energieeinsparung, als mit neuen Motorentechnologien denkbar IE4 von 0,1-10kW ökonomisch und technisch sinnvoll (VDE) geberlose Regelung der Synchronmaschine - Wirkungsgradverbesserung nicht mit Käfigläufern möglich permanenterregte Synchronmaschine (PMSM) mit Frequenzumrichter 1) Quelle VDE „Effiziens- und Energiesparpotentiale elektrischer Energie in Deutschland“ 5000

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 -> weitere Wirkungsgradverbesserung möglich und sinnvoll IE4 (Super Premium), mit Käfigläufermotren nicht möglich (VDE) permanent erregte Synchronmaschinen, „Nachteil“ Frequenzumrichter , jedoch heute mehr als 25% der verkauften Niederspannungsmotoren mit Frequenzumrichter, stark steigende Tendenz außerdem führt der drehzahlgeregelte Betrieb bei vielen Applikationen zu höheren Energieeinsparung, als mit neuen Motorentechnologien denkbar IE4 von 0,1-10kW ökonomisch und technisch sinnvoll (VDE) IE1 Standard Efficiency Eff I * In Abstimmung

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

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 Erklärung Blindleistung

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 Wirkungsgradverschlechterung des direkt am Netz betriebenen ASM im Teillastbereich! Frequenzumrichter Standard, heute ist es möglich, die Synchronmaschine auch geberlos zu betreiben Energieeinsparung Synchronmotor 10% gegenüber IE2

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

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

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 %

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

Frequenzumrichter bei Pumpen & Lüftern Die 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 % ENERGIEEINSPARUNG ca. 50% Auslassventil Einlassventil FU 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Flow

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 …? Brake

Frequenzumrichter bei Pumpen & Lüftern Energieeinsparung 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.

Energie Effizienz Es ist Physik: zentrifugal Pumpen und Lüftern; Der Durchfluss ist proportional zur Drehzahl Die Leistungsaufnahme ist proportional zur 3. Potenz der Drehzahl Das sofort erreichbare Einsparpotential bei Durchflussanwendungen liegt zu ca. 1/5 bei den Motoren und ca. 4/5 durch den Einsatz von elektronischen Drehzahlregelungen bei der Hälfte des Durchflusses wird nur noch ein achter der Leistung benötigt Eine kleine Drehzahlreduzierung hat eine signifikante Reduzierung der Leistungs- Aufnahme zur Folge

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

Zwischenkreiskopplung Last treibt an –wohin mit der Energie? Mechanische Bremse-> Wärme Elektrisch Bremsen -> elektrische Leistung -> Möglichkeit 1: Wärme -> Möglichkeit 2: Antriebsenergie -> Umrichter miteinander koppeln

=S= Lösung DC Verbund VW3M7101R01 VW3M7102R15 Verschiedene Konzepte vorstellen direkt eingespeist alle über Netz und DC –Bus größter Antrieb über Netz, alle anderen DC-Bus Fremdeinspeisung, z.B. AFE

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

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

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

Energierückspeisung Last treibt an –wohin mit der Energie? Mechanische Bremse-> Wärme Elektrisch Bremsen -> elektrische Leistung -> Möglichkeit 1: Wärme -> Möglichkeit 2: Antriebsenergie -> Umrichter miteinander koppeln

=S= Lösung Energierückspeisung Netzrückspeise- modul Netzwechselrichter „Active Front End“ DC-Schiene Netz AFE‘s FUs Motoren Last treibt an –wohin mit der Energie? Mechanische Bremse-> Wärme Elektrisch Bremsen -> elektrische Leistung -> Möglichkeit 1: Wärme -> Möglichkeit 2: Antriebsenergie -> Umrichter miteinander koppeln

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

Harmonische Wie entstehen Harmonische oder Oberschwingungen? Harmonische entstehen durch nicht sinusförmige Ströme der Verbraucher wie z.B. Gleichrichter. Strom ist faul, er fließt wenn es ein Spannungsgefälle gibt. Netzspannung geht auf und ab, DC Spannung eher konstant.

=S= Lösung Harmonische ATV212 Low Harmonic Technologie 2 … der HVAC Umrichter für Gebäude Auch bei ATV61 sind bereits Drosseln zur Reduzierung der Harmonischen eingebaut

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

ATV61 Low Harmonic Motor cos j =1 Generator cos j = -1 4Q Rectifier B6- IGBT bridge Converter B6- IGBT bridge Motor cos j =1 Generator cos j = -1 Kann auch zurückspeisen

Reduktion von Harmonischen

Übertragungs- elemente Optimierung des Bewegungsprofils Energiequelle Umrichter elektr. Machine Übertragungs- elemente Arbeitsmaschine ηU≈97% ηM≈72-98% ηÜ≈50-98% Übertragungselemete: z.B. Keilriemen, Getriebe etc. elektrische Maschine: Verschiedene Motorentypen, Einteilung der Motoren in Effiziensklassen Umrichter: Verluste abhängig von Taktfrequenz, Kennlinien der Hersteller beachten, auch Maßnahmen zur Reduzierung von Oberwellen betrachten z.B. Low Harmonic Drive, Netzdrossel, Filter Gesamtwirkungsgrad Worst Case: 34%!!

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 Selbst fortschrittliche Ansätze basieren auf überholten energetischen Betrachtungen Auf Anforderungen wird die Energie-Effizienz einer Maschine analysiert, nachdem die Maschine fertig gestellt ist. Optimierung von Detaillösungen, keine generelle Optimierung des Maschinen Designs Mit SoMachine Motionen können Sie den Energy Footprint Ihrer Maschine In der Design Phase Simulieren. Und im realen Produktionsbetrieb messen und analysieren. (*) Die Qualität der Simulationsergebnisse ist abhängig davon, in welchem Umfang für Verbraucher der geplanten Maschinen Bibliotheksbausteine parametriert werden. 45 45 45

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] 600 40 100 Simulation und Optimierung Simulieren Sie beliebige Baugruppen mit Einfluss auf den Energieverbrauch! Für alle mit ECAM ausgelegten Antriebe kann der Energieverbrauch bezogen auf die Maschinentaktrate und die Last berechnet werden. Heizung, z.B. Strahler Druckluft (in Vorbereitung) Pneumatische und hydraulische Aktuatoren (in Vorbereitung) Siegeleinheiten und Leimgeräte Roboter Ebenfalls simuliert werden. Kunden haben die Möglichkeit Maschinen vor dem Kauf zu vergleichen. Und sie verfügen über die energetische optimale Auslegung der Geschwindigkeit ihrer geplanten Produktionslinie. Optimieren Sie bereits in der Design Phase! - Suche nach Alternativen für energie-intensive Prozesse. - Optimierung des Bewegungsdesign - Optimierung des geplanten Energieaustauschs über den Zwischenkreis - Optimierung durch Design von Energy Modes. Abschalten einzelner Baugruppen bzw. Drosselung der Leistung während Standby-Phasen oder anderen Sonderformen des Produktionsbetriebs 1000 Speed [cycle/min]

EEfficiency vs. Performance Mehrwert für Maschinenbetreiber EEfficiency vs. Performance Einfluss der Geschwindigkeit auf den Energieverbrauch 4,7A 22,8A double cycle time An diesem Beispiel sieht man schön, der Energieverbrauch steigt nicht linear, sondern exponentiell! Doppelte Taktrate führt zu mehr als dem doppelten Energieverbrauch Die Energiekosten pro Produkt steigt überproportional, der Gewinn sinkt 120 Takte/min 60 Takte/min 47 47

, Schneider Electric Umsatz pro Region in 2011 Milliarden Euro Umsatz (2011) Nord- amerika 23% West- europa 32% des Umsatzes in Schwellenländern Rest der Welt 18% Asien, Pazifik 27% Mitarbeiter in über 100 Ländern Umsatz nach Märkten Als weltweit tätiger Spezialist in den Bereichen Energie-Management und Automation mit Niederlassungen in mehr als 100 Ländern bietet Schneider Electric integrierte Lösungen für Energie und Infrastruktur, industrielle Prozesse, Maschinen- und Industrieausrüstung, Gebäudeautomatisierung, Rechenzentren und Datennetze sowie Wohngebäude. Mit 130.000 Mitarbeitern weltweit hat Schneider Electric im Jahr 2011 einen Umsatz von 22,4 Mrd. Euro erzielt. Erklärtes Ziel  ist es, Menschen, Organisationen und Unternehmen dabei zu unterstützen, mehr aus ihrer Energie zu machen: “Make the most of your energy”. Hinweis für den Vortragenden: Wenn Sie Zahlen durch Geschäftbereich, Markt oder Geographie hervorheben möchten, benutzen Sie bitte die Zahlen der linken Spalte. Nun, da Sie die grundlegenden Fakten zu unserem Unternehmen kennen, sehen wir uns doch an, womit SE sich beschäftigt ... Hinweis für den Vortragenden: Schwellenländer = Asien ohne Japan, Afrika und Mittlerer Osten, Osteuropa (einschl. Russland), Lateinamerika und Mexiko Energie & Infrastruktur 24% Industrie 20% Rechenzentren & Netzwerke 16% Gebäude 29% Investitionen in F&E Wohngebäude 9%

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