Vortrag herunterladen - OSMO Technologieforum

Herzlich Willkommen
zum
Technologieforum OSMO
am 16. & 17.09.2015
Elektronische Drehzahlregelung
Energieeinsparung durch Frequenzumrichter
OSMO Technologie- Forum 2015
2 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
www.vlt.de
Agenda
• Vorteile Drehzahlregelung
• Aktuelle Motortechnologien am
Frequenzumrichter
• Integration in die Anlage
• Einsatzmöglichkeiten in der
Anwendung
3 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Vorteile Drehzahlregelung
4 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
www.vlt.de
Wer braucht die
Energie?
• Hauptantriebe
• Förderbänder
36%
• Heber
•…
Hauptantriebe
64%
• Hilfsantriebe
• Pumpen
• Lüfter
Hilfsantriebe
(Pumpen, Lüfter, Kompressoren)
Durchschnittswert verschiedener Quellen
(Fraunhofer Institut, Energieagentur Österreich, EUP
Lot 11 Motors Final Report)
5 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
• Kompressoren
•…
Anlaufstrom
Drehstromasynchronmotor
(Quadratische Last)
I/IN
[%]
Anlauf von
Elektromotoren
800
• Prinzipbedingt benötigten
Drehstromasynchronmotoren einen
hohen Anlaufstrom
700
600
1
500
• EVU erlaubt direkten Netzanlauf bis
ca. 4 / 7,5 kW
400
3
300
200
2
100
• Stern-Dreieck Anlauf benötigt
geeignete Motoren
4
0
0
12,5
25
37,5
50 Hz
fRotor
1) Direkter Start am Netz
2) Stern-Dreieck Anlauf
3) Softstarter
4) Frequenzumrichter
6 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
• Softstarter ist bis in MW-Bereich
verfügbar
• Frequenzumrichter reduziert
Anlaufstrom und ermöglicht
Drehzahlregelung
Drehmoment [Nm]
Einsparungen bei
konstanten Lastmoment
Leistung [W]
Arbeitspunkt
Im Arbeitspunkt
benötigte Energie
• Viele Hauptantriebe haben einen
konstanten Lastmomentbedarf
(Pmech ~ M * n)
• Last- und Schlupfausgleich moderner
Regler passen Leistungsaufnahme
optimal an Last-bedarf an
• Drehzahlregelung ermöglicht:
Drehzahl [min-1]
• Prozessoptimierung
• Energieeinsparung
• Günstige Übersetzungsverhältnisse
• Geringeren mechanischen Verschleiß
7 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Einsparungen bei
quadratischem Lastmoment
Druck [bar]
Pumpenkennlinie
Anlagenkennlinie
• Leistungsaufnahme hängt kubisch von
der Drehzahl ab
Im Arbeitspunkt
benötigte Energie
Arbeitspunkt
• Lüfter und viele Pumpen haben einen
quadratischen Lastverlauf
Drehzahlregelung
Durchfluss [Q]
8 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
• Drehzahlregelung führt bei
Anwendungen mit quadratischem
Moment fast immer zu erheblichen
Kosteneinsparungen
• Beispiel: 20% weniger Drehzahl
resultiert in ca. 50% Energieeinsparung
Beispiel: Anwendung Belüftungsanlage
Lüftung: 5,5 kW / 365 Tage/24h / Luftmenge variiert (Jahreszeiten, Personenanzahl)
Lastprofil (Indien)
Energieverbrauch pro Jahr
berechnet mit Danfoss EnergyBox 2.0
• Einsparung durch Drehzahlregelung > 30%
• Einsparung durch besseren Motor: 3% und 7% (abhängig vom installierten Motor)
9 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Aktuelle Motortechnologien
am Frequenzumrichter
10 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
www.vlt.de
Drehstromasynchronmotor am FU
• Technologie
• Höhere Wirkungsgrade durch mehr
aktives Material
• IE3 und IE4 erreichbar
• Vorteile
• Robust und bewährt
• Direkter Anlauf am Netz möglich
• Nachteile
• Höhere IE Klassen bauen teilweise
größer/länger als IE 1 Motoren
• Umrichterbetrieb
• Problemlos
11 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Motor mit Kupferrotor
am Frequenzumrichter
• Technologie
• Aufbau wie IM aber sehr geringe
Rotorverluste durch Kupferwicklung
• IE3 und IE4 erreichbar
• Vorteile
• „Kompatibel“ zu IE1 Bauform
• Erhöhtes Anlaufmoment
• Nachteile
• Höherer Preis (Kupfer & Fertigung)
• Auslegung Schutzorgane
• Umrichterbetrieb
• Problemlos
12 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
PM-Motor
am Frequenzumrichter
• Technologie
• Magnete im Rotor: IPM
• Magnete auf dem Rotor: SPM
• IE4 erreichbar
• Vorteile
• Keine Verluste im Rotor
• Nachteile
• Höherer Preis durch Seltene Erden
• Umrichterbetrieb
• Benötigt geeignetes Regelverfahren
• Benötigt ggfs. Rückführungen
13 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Line Start PM-Motor
am Frequenzumrichter
• Technologie
• Wie DASM mit Magneten im Rotor
• IE3 und IE4 am Netz erreichbar
• Vorteile
• Direkter Anlauf am Netz möglich
• Nachteile
• Läuft beim Start auch mal kurz
rückwärts
• Momentspitzen beim Start (7–17 fach)
• Umrichterbetrieb
• Problemlos
• ca. 6-10% schlechter Wirkungsgrad
14 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Synchronreluktanzmotor (SynRM) am FU
• Technologie
• Rotordesign führt den mag. Fluss
und erzeugt Reluktanzmoment
• IE3 und IE4 erreichbar
• Vorteile
• Hoher Wirkungsgrad, auch im
Teillastbereich (größere Leistungen)
• Nachteile
• Schlechter cos φ
( eventuell größerer FU)
• Umrichterbetrieb
• Benötigt geeignetes Regelverfahren
15 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Drehstromasychnronmotor
Kupferrotor
Unterstützte Motoren
von Danfoss
• Danfoss Umrichter unterstützten alle
gängige Motortechnologien
PM-Motor
• DASM und PM werden bereits von
allen Geräten unterstützt
PM-Motor
• SynRM ist in VLT® AutomationDrive
FC 302 verfügbar. Implementierung
in VLT® AQUA Drive und VLT® HVAC
Drive bis Ende 2014
(Oberflächen montierte Magnete)
(Vergrabene Magnete)
Line Start PM-Motor
Synchronreluktanzmotor
16 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Wirkungsgrad FU bei Teillast
Wirkungsgrad[%]
100%
75%
50%
25%
System
Motor
Umrichter
0%
0%
25%
50%
75%
100%
Drehzahl[%]
Für Abschätzung der Umrichterverluste ist der
Lastpunkt in Diagramm mit dem Nennwirkungsgrad
des FU zu multiplizieren.
Wirkungsgradverhalten:
Beispiel 7,5 kW Motor + Umrichter
bei konstanter Last
• Umrichter- und Motorwirkungsgrade sinken im Teillastbereich
• Motor hat bei FU-Betrieb mehr Verluste. Grund: Taktfrequenz, Oberschwingungen
17 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Wirkungsgradvergleich
ASM:
PM:
SynR DOL:
SynR old:
SynR:
Drehstromasynchronmotor
PM-Motor
SynRM mit zusätzlicher Kurzschlußwicklung
Altes, nicht Energie optimiertes Design
Neues Design
Graphen zeigen das PRINZIPIELLE Verhalten bei kleineren Leistungen
18 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Motor Inbetriebnahme
am Umrichter
• Umrichter benötigt grundlegende
Typenschilddaten zum Betrieb und
SCHUTZ des Motors
• Eingabe erweiterter Motordaten
(Widerstände etc.) ermöglicht den
bestmöglichen Betrieb
• Danfoss: Automatische
Motoranpassung (AMA) ermittelt
nach Eingabe der Typenschilddaten
die erweiterten Motordaten für
• Drehstromasynchron
• PM
• Synchronreluktanz
19 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Broschüre
Motortechnologien
• Beschreibt die gängigsten
Motortechnologien
Drehstromasynchron
Kupferläufermotor
PM-Motor
EC_Motor
Line Start PM
Synchronreluktanzmotor
• Vor und Nachteile der unterschiedlichen
Technologien
• Verfügbar als Download (www.vlt.de)
und als gedruckte Ausgabe
20 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Integration in die Anlage
21 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
www.
Störungen durch Gleich- und Wechselrichter
Motorspannung
Motorstrom
• Bewertung in THD
(Total Harmonic Distortion)
• Hohe THD Werte bedeuten:
• Belastet Motorisolation
• Erzeugt EMV-Störungen
• höhere Verluste in Transformator
• Leitungsgebunden
• größere Leitungsquerschnitte
• Luftgebunden
(150kHz-30MHz)
(30 MHz-1 GHz)
• Lebensdauerbeeinflussung anderer Geräte
• EMV-Filter müssen nicht serienmäßig in Geräten enthalten sein.
• Separate Entstörung ist zulässig, bewirkt aber zusätzliche Verluste und Kosten !
22 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Netzstrom und Netzspannung
Netzbelastung
• Gleichrichter belasten das Netz mit
Oberwellen
• Einfache Abhilfe:
Konventioneller Zwischenkreis
Geringe Beeinflussung der Netzspannung
• AC-Drosseln vor dem Gerät
• DC-Drosseln im Zwischenkreis
• Teure Abhilfe: Aktive Filter
• Problem: Schlanker Zwischenkreis
• Verschiebt Oberwellen in nicht
genormten Bereich
• Reduzierte Ausgangsspannung
Schlanker Zwischenkreis
Stromaufnahme „verzerrt“ Netzspannung
23 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
EMV-Filter
EN 55011
(Umgebung)
EN 61800-3
(Produktnorm)
Klasse B
(Wohnbereich)
Umgebung 1
(Wohnbereich)
Gruppe 1+2
Kategorie C1
Gruppe 2
(HF Extern)
Kategorie C2
Umgebung 2
(Industriebereich)
Kategorie C3
Kategorie C4
Grenzwerte der EN 55011 und der EN 61800-3
24 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
• Unzureichende Filtermaßnahmen sind
oft erst spät erkennbar.
• Nachträgliche Maßnahmen
verursachen höhere Kosten als in der
Planungsphase.
Klasse A
(Industriebereich)
Gruppe 1
(HF Intern)
• Zur Reduzierung von EMV-Störungen
sind Filter verfügbar
• Empfehlung
• Wohn-/Gewerbeumgebung
EN 55011 - Klasse B
(Grenzwerte EN 61800-3 C1)
• Industrieumgebung
EN 55011 - Klasse A1
(Grenzwerte EN 61800-3 C2)
Ausgangsfilter
• dU/dt-Filter
• Reduziert die elektrische Belastung
der Motorisolation
• Häufig genutzt bei Motoren mit
älterer Isolation
• Sinus-Filter
• Reduziert die elektrische Belastung
der Motorisolation z.B. bei
Nassläuferpumpen
• Verbesserung der EMVEigenschaften
• Nutzung abgeschirmter Kabel
25 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Aggressive Umgebung
• Hohe Schutzarten ermöglichen den
Einbau in kritischen Bereichen
• Auf Schaltschränke kann ggfs.
verzichtet werden.
• Eingebaute Hauptschalter
ermöglichen Abschaltung vor Ort
• Beschichtung der Platinen gibt
zusätzlichen Schutz gegen Gase
• Übliche Beschichtungen nach IEC
60721-3-3
• 3C1 = Standard Anforderung
• 3C2 = Erhöhte Anforderungen
• 3C3 = Hohe Anforderungen
26 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
EEx Motoren am
Frequenzumrichter
• Betrieb von EEx d Motoren ist möglich
• EEx e unter bestimmten Bedingungen
möglich
• Motorhersteller muss thermische
Stützpunkte zur Verfügung stellen
• Umrichter muss Motorstrom auf
Basis der Stützpunkte begrenzen
(z.B. VLT® AutomationDrive FC 302)
• EEx zertifiziertes Auslösegerät muss
Motortemperatur überwachen
27 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Umrichterpreis wird
bestimmt durch…
Einordnung Netzfilter
Kosten Netzfilter
(Diskussionsgrundlage)
24 Puls
Optimale
Lösung
Active
Front
End
Active
18 Puls Filter
12 Puls
Passive
Filter
5%
Passive
Filter
10%
• Leistung
• Lebensdauer
• Schutzart
• Netz- und EMV-filter
(15-20% FU Preis)
• Technologie Funktionen
• Schnittstellen (z.B. Modbus)
AC+DC
Drossel
DC
Drossel
• u.v.w.
Quasi
12 Puls
• “Versteckte” Kosten:
Keine
Drossel
• Bedarf für Schaltschrank &
Installation
Slim
DC Link
• Eventuell externe Filter
Performance
(gesamtes Frequenzspektrum)
28 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
• Zusätzlich Klimatisierung
Wichtig ist ein effizientes System!
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
• Effiziente Komponenten sind kein Garant für eine effizientes System
• Jede Anwendung benötigt die eine individuelle Abstimmung der Komponenten
29 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Planerfibeln
• Zwei Teile
• Grundlagen für den Praktiker
• Hinweise zur Planung und
Projektierung in 4 Schritten
• Ideal für Fachkräfte und - planer und
(MSR/Elektro) in allen Bereichen
• Ingenieurbüros
• Behörden
• Ämter
• Anlagenbauer
• Schaltschrankbauern
• Verfügbar als Download (www.vlt.de)
und als gedruckte Ausgabe
30 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Einsatzmöglichkeiten in der Anwendung
Beispiel: Abwasseranlage
31 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
www.vlt.de
Kostenaufteilung
Kosten in der
Abwasserbehandlung
Personal
46%
Energie
28%
Chemikalien
4%
• Etwa 25-40% der Gesamtkosten
entfallen auf den Energiebedarf
Feststoffentfernung
12%
Sonstiges
7%
Wartung 3%
• Moderne Antriebstechnik ermöglich
die Reduzierung der Kosten in allen
Bereichen
• Hebestation
Energieaufteilung
• Vorbearbeitung
• Primärbehandlung
Belebtschlamm
55%
• Sekundärbehandlung
Sonstiges
15%
• Schlammbehandlung
• Schlammentsorgung
Rohrwasser- Entwässerbehandlung ung 8%
4%
32 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Erwärmung
8%
Primäres
Klärbecken
10%
• Tertiärbehandlung
FU in der Vorbehandlung
Entfernen von Feststoffen, die Pumpen gefährden könnten
Hebestation
• Leistungsbereich: 15-750 kW
• Minimiert Ablagerungen
• Vermindert unregelmäßigen Durchfluss
• Eliminiert Wasserschläge
• Reduziert Start/Stoppvorgänge
Exemplarisch wird nur eine Anwendung des Prozesses beschrieben
33 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Primärbehandlung
Entfernung von organischen/anorganischen Sedimenten und Feststoffen
Schlammentzugspumpe
• Ermöglicht den Entzug von Schlamm mit
minimalem Restwasserinhalt
• Sanftes starten + stoppen
• Reduziert Energie und Wartungskosten
Exemplarisch wird nur eine Anwendung des Prozesses beschrieben
34 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Sekundärbehandlung
Biologischer Abbau von Schwebstoffen + aufgelösten organischen Feststoffen
Belüftungstank
• Prozessverbesserung durch
genauere Kontrolle des
Sauerstoffgehaltes
• Reduzierte Belastung + Verschleiß
• Reduzierter Energiebedarf
Exemplarisch wird nur eine Anwendung des Prozesses beschrieben
35 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Entwässerung und Schlammbearbeitung
Entwässerung
• Leistungsbereich:15-400 kW
• Optimale Schlammeinspeisung
• Optimale Drehzahl der Zentrifuge
• Höhere Effizienz der Entwässerung
• Trockeneres Filtrat
Exemplarisch wird nur eine Anwendung des Prozesses beschrieben
36 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
37 | Danfoss Power Electronics – VLT Drives
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