1 | Energieeinsparen mit Frequenzumrichtern wichtige Hinweise zur Projektierung in der Wassertechnik Industrial Forum HMI2016 www.vlt.de
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Energieeinsparen mit Frequenzumrichtern wichtige Hinweise zur Projektierung in der Wassertechnik
Industrial Forum HMI2016
www.vlt.de
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Agenda
• zukunftssicher und energieeffizient
durch die richtige Wahl der
Motortechnologie
• IE/IES Klassen nach EN50598, mit
dem ecoSmart Tool sicher und
einfach kalkulieren
• Energieeinsparpotenziale im
Gesamtsystem
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Ecodesign
• Die Ecodesign Direktive ist der gesetzliche Rahmen in Europa zur Reduzierung des Energiebedarfs von Produkten
• Konkrete Maßnahme erlangen durch Verordnungen Gesetzeskraft
• Technische Details der Verordnungen beruhen oft auf technischen Standards (Normen)
• Verordnungen schreiben einzuhaltende „Mindestwirkungsgrade“ fest (Englisch: Minimum Efficiency Performance Standards)
Produkt Verordnung
(Gesetz)
Verordnung In Vorbereitung
VSD MEPS
Verordnung 640/2009/EC
Motor MEPS
Europäische Kommission
Ecodesign Direktive 2009/125/EC
Auch ErP (Energy Related Products) genannt.
Ersetzt (Energy Using Products) Direktive.
Norm bzw. Standard (Freiwillig)
Standard IEC/EN
60034-30-1
Standard EN 50598-2
In die Gesetze werden nur Teile der Standards übernommen!
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Termin Leistung MEPS MEPS Alternative
16.06.2011 0,75 – 375 kW IE2 -
01.01.2015 0,75 – 7,5 kW IE2 -
7,5 – 375 kW IE3 IE2 + Umrichter
01.01.2017 0,75 – 375 kW IE3 IE2 + Umrichter
Zeitplan der MEPS Einführung Motoren
Die Verordnung (EG) Nr. 640/2009 legt fest, ab welchem Zeitpunkt in der EU nur noch Motoren mit einem Mindestwirkungsgrad in Verkehr gebracht werden dürfen:
Seit 1.1.2015 müssen Kennzeichnungen auf IE2-Motoren auf den vorgeschriebenen Betrieb mit
Frequenzumrichter hinweisen.
IE/IES-Klassen für Umrichter und Umrichter + Motor gemäß EN 50598-2 sind NICHT relevant für die Alternative “IE2 + Umrichter”
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Mit dem Hintergrund der Energieeffizienz werden die neuen Motortechnologien immer interessanter
www.Danfoss.com
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Motortechnologien Gängige Motortechnologien:
• Induktionsmotor
• Kupferläufermotor
• PM-Motor
• Line Start-PM-Motor
• Synchron-Reluktanzmotor
Abhängig von Motortechnologie und IE-Klasse können sich
• Motorabmessungen,
• Start-, Anlauf- und Nennmoment,
• Nenndrehzahl,
• Anlaufstrom,
• Verhalten am Umrichter
unterscheiden
Die Danfoss Broschüre beschreibt Vor- und Nachteile der gängigsten Motortechnologien
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Praxis Problem I Abmessungen
• Hoch effiziente Motoren können unterschiedliche Baugrößen haben
• Induktionsmotoren können
• länger oder eine Baugröße größer
werden
• PM- und Kupferrotormotoren sind oft in einer Baugröße kleiner verfügbar
Originalmotor Neuer Motor
Originalmotor Neuer Motor
Kleinerer Motor
Längerer Motor
Originalmotor Neuer Motor
Größerer Motor
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Praxis Problem II Momente und Ströme Unterschiedliche Motortechnologien bedeuten verschiedene Drehmoment-, Strom- und Drehzahlcharakteristiken
Kupferläufermotoren haben oft
• höheren Anlaufstrom
• höheres Anlaufmoment
Line Start-PM-Motoren haben oft starke
Momentstöße während des Anlaufs
Beim Wechsel der Motortechnologie die
elektrische und mechanische Auslegung
(Momente, Sicherung, Kabel,…) prüfen!
Abhilfe: Frequenzumrichter
Beispiel zur Illustration: Anlaufverhalten Line Start PM Motor (LSPM) im Vergleich mit einem Induktionsmotor (IM)
Zeit [ms] 0 100 50 150 200 250 300
0
25
50
75
100
125
150
175
Moment [Nm]
IM
-25
LSPM
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Praxis Problem III Energieeffizienz
Angegebene Wirkungsgrade können selten im Feld nachvollzogen werden:
• Messungenauigkeiten
• Fertigungstoleranzen
• Höhere Wirkungsgrade führen oft zu höheren Nenndrehzahlen
• Höhere Drehzahl resultiert in höherer Leistung
• Höhere Leistung resultiert aus unterschiedlichen Wirkungsgrad
Abhilfe: Frequenzumrichter
• Motoren laufen nur sehr selten mit Nennlast
Änderung der Drehzahl beeinflusst Leistungsaufnahme.
Drehzahl [UPM] 0 750 1500 2250 3000
0
25
50
75
100
125
Original- motor
Neuer Motor
Leistung [%]
Beispiel: Anwendung mit variablen Lastmoment
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Wie stellen sie die passenden Abmessungen, Drehzahlen und hohe Energieeffizienz in neuen Anlagen, bzw. im Retrofit- oder Servicefall sicher?
www.Danfoss.com
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Frequenzumrichter von Danfoss unterstützen alle gängigen Motortechnologien
Drehstromasychnron- motor
Kupferrotor
PM-Motor (Oberflächen montierte Magnete)
PM-Motor (Vergrabene Magnete)
Line Start PM-Motor
Synchronreluktanzmotor
verfügbar in den Serien FC 102, FC 202 und FC302
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Einfacher Motorwechsel mit Danfoss
• SPS Programmierung kann unverändert bleiben
• Nur Anpassung der Motorparameter am Umrichter nötig
• Automatische Motoranpassung passt den Umrichter optimal an den neuen Motor, unter Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen und der Motorkabellänge an.
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• Sie bleiben flexibel bei Kundenvorgaben und neuen technologischen Trends
• Einfacher Wechsel des Motorlieferanten bei Lieferengpässen und begrenzter regionaler Verfügbarkeit
• Keine Herstellerbindung durch besondere Motorbauformen
• Einfacher Retrofit auch bei engen Einbauverhältnissen
Ihr Nutzen durch die Motor-Unabhängigkeit
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Ihr Nutzen durch die Motor-Unabhängigkeit
• Wirtschaftliche Ersatzteilhaltung durch wenige VLT® Varianten
• Hohe regionale und globale Verfügbarkeit
• Geringer Schulungsaufwand durch einheitliches VLT® Bedienkonzept
• Effizienter Betrieb durch AMA - berücksichtigt Motorleitungslänge - kompensiert Fertigungstoleranzen
• Einfacher Wechsel des Motors
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Erweitertes Produkt
Motorsystem
Antriebssystme (PDS)
Definitionen und Geltungsbereiche gemäß EN 50598
Motorstarter (Schalter, Sanftanlaufgerät,…)
Über-setzung
Anwendung
Last-maschine
Netz & Zuleitung
Vollständiges Antriebsgerät (CDM)
(Frequenzumrichter (FU))
Einspeise- abschnitt
Hilfs- einrich-tungen
Antriebs-grund-modul (BDM)
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Ecodesign für Motoren
• Die Verordnung (EG) 640/2009 und deren Ergänzung (EU) 4/2014 definiert MEPS für Elektromotoren
Betroffen sind die meisten Motoren die folgende Kriterien erfüllen:
• Leistungsbereich 0.75 – 375 kW
• Nennspannung bis 1000 V (3~)
• Betriebsart S1 oder S3 (ED > 80%)
• 2 bis 6 Pole
• Aufstellhöhe bis 4000 m
• Umgebungstemperatur bis 60°C
• Umgebungstemperatur bis -30°C bzw. 0°C für Wasser gekühlte Motoren
Scope der EU MEPS
IEC/EN 60034-30-1 IE-Klassen für Motoren
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Definition IE-Klassen FU
IE-Klasse gemäß EN 50598-2
• IE0 – Unter technischen Standard
• IE1 – Technischer Standard
• IE2 – Über technischen Standard
Verluste der Klasse IE1 wurden als Referenz definiert
• +25% Verluste IE0
• -25% Verluste IE2
Verluste von Zubehör (externe EMV-Filter, Drosseln,…) fließen NICHT in die IE-Klasse ein, müssen aber dokumentiert sein, wenn sie
• 0,1% der Umrichternennleistung und
• 5W überschreiten
IE1 = Referenz
+25% Verluste
-25% Verluste
EN 50598-2 IE-Klassen für Umrichter
Danfoss VLT®
Danfoss erfüllt IE2 mit eingebauten EMV-Filtern!
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Definition IES-Klasse FU+Motor
IES-Klasse gemäß EN 50598-2
• IES0 – Unter technischen Standard
• IES1 – Technischer Standard
• IES2 – Über technischen Standard
Verluste der Klasse IES1 wurden als Referenz definiert
• +20% Verluste IES0
• -20% Verluste IES2
EN 50598-2 IES-Klassen für FU+Motor
IES1 = Referenz
+20% Verluste
-20% Verluste
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Bestimmung IES-Klassen FU+Motor
• IES kann nicht aus dem IE-Klassen von Umrichter und Motor abgeleitet werden: IE2Motor + IE2FU ≠ IES2
• IES-Klasse kann anhand der Verluste der Einzelkomponenten (Umrichter und Motor) bestimmt werden
• Umrichter- und Motorhersteller müssen die Verluste im Nennpunkt angeben
VerlusteMotor
VerlusteFU
VerlusteFU+Motor IES
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Beispiele IES-Klasse (7,5 kW “System”)
Motor leistung IES0 IES1 IES2
3 kW > 1138 W 758 W - 1138 W < 758 W
4 kW > 1397 W 931 W - 1397 W < 931 W
5.5 kW > 1754 W 1170 W - 1754 W < 1170 W
7.5 kW > 2161 W 1441 W - 2161 W < 1441 W
11 kW > 2851 W 1901 W - 2851 W < 1901 W
15 kW > 3596 W 2398 W - 3596 W < 2398 W
• IES Verluste können gemessen oder berechnet werden
• Berechnung ermöglicht den Vergleich von Antriebssystemen, die aus Komponenten eines oder mehrerer Hersteller zusammengestellt sind.
Motor A 1045 W
+ FU B 675 W
System B 1710 W
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Teillastverluste
• Aus den Teillastverlusten des Motors und des Umrichters können die Teillastverluste des System bestimmt werden
• Interpolation Methoden sind im Standard beschrieben
• Die Bereitstellung der Teillastverluste der einzelnen Komponenten ist freiwillig
Relatives Drehmoment[%]
0% 0% 100%
100%
50%
25%
50%
Relative Drehzahl [%]
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Einfach smart – Danfoss ecoSmart
• neues Tool zur Berechnung von IE- bzw. IES- Klassen gemäß EN50598-2
• Daten zu Teillastverlusten unserer Frequenzumrichter
• Erstellung von Zertifikaten zu IES – Klassen mit unabhängigen Motorfabrikat
• Möglichkeit zur Berechnung benutzerdefinierter Lastpunkte
www.VLT.de http://ecosmart.danfoss.com/
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Zeitplan & Marktrelevanz
• Der Standard EN 50598 wurde auf Anforderung von “Ecodesign” erstellt. Die Veröffentlichung erfolgte Ende 2014.
EN 50598 definiert Effizienzklassen für
• Frequenzumrichter (FU)
• „Frequenzumrichter + Motor“ Systeme
Ecodesign MEPS
• FU: IE1 erwartet in 2018 (Danfoss wird IE2 erfüllen)
• FU+Motor: noch kein fester Zeitplan
EN 50598 wird in den globalen Standard IEC 61800-9 überführt (Ziel: 2016)
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Ecodesign Broschüre
• Grundlegende Erklärung von Ecodesign
• Ecodesign Anforderungen für
• Motoren
• Frequenzumrichter
• Frequenzumrichter + Motor
• Zusammenfassung von Definitionen der relevanten Standards
• Einfluss auf Kundenanwendungen
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In der Antriebstechnik
• Nur eine Betrachtung des Gesamtsystems ermöglicht die Abschätzung aller Vor- und
Nachteile
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Energiesparpotentiale im Gesamtsystem Unsere Spezialisten beraten Sie gern in Ihrer Gesamtapplikation. Halle 14, Stand H30
www.Danfoss.com
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Effiziente Lösungen für die Kältetechnik
Chiller plate heat Microchannel heat exchanger
Inverter Drives to optimize condensation for maximum part-load efficiency
Electronic controls
High efficiency fixed speed Scrolls
High efficiency Inverter Scrolls
EXVs & TXVs
Line components
to ensure safe operation
Pressure control and regulation
Solenoid valve
Pressure Independent Balancing Valves
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Drehstromasynchron-motor 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
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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
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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
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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
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Synchronreluktanz- motor (SynRM) am FU
Technologie
• Rotordesign führt den mag. Fluss und erzeugt Reluktanzmoment
• IE3 und IE4 erreichbar
Vorteile
• Hoher Wirkungsgrad, auch im Teillastbereich
Nachteile
• Schlechter cos φ ( eventuell größerer FU)
Umrichterbetrieb
• Benötigt geeignetes Regelverfahren
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Details IE-Klassen FU • IE-Klasse wird bei 90% Statorfrequenz
und 100% Drehmoment bildenden Strom definiert
• Umrichter wird gemessen wie geliefert
• Kein Testmodus erlaubt
• Alle eingebauten Optionen werden mit gemessen (EMV-Filter, SPS,…)
• Verluste von Zubehör (externe EMV-Filter, Drosseln,…) fließen NICHT in die IE-Klasse ein, müssen aber dokumentiert sein, wenn sie
• 0,1% der Umrichternennleistung und
• 5W
überschreiten
Relativer Drehmoment
bildender Strom [%]
Relative Stator-
frequenz [%]
0% 0%
100%
90%
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Details IES-Klassen FU+Motor • IES-Klasse wird bei 100% Drehzahl
und 100% Drehmoment definiert
• Teillastpunkte sollen angegeben werden, sind aber nicht vorgeschrieben
• Rahmenbedingungen für Tests sind vorgeschrieben
• Abweichungen von den Testbedingen sind zulässig, müssen aber dokumentiert werden. Beispiels:
• Längere/kürzere Kabel
• Geschirmte/ungeschirmte Kabel
• Optimierte Programmierung
• Angepasste Taktfrequenz
Relatives Drehmoment [%]
Relative Drehzahl [%] 0%
0%
100%
100%
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Zusammenfassung & Ausblick • IE- und IES-Klassen ermöglichen eine
erste Abschätzung der Energieeffizienz von FU und FU+Motor Kombinationen
• IE- und IES-Klassen ermöglichen keinen detaillierten Vergleich
• Reale Lastverhältnisse und
• Herstellertoleranzen
müssen berücksichtigt werden
• Kunden sind bis 2018 NICHT verpflichtet IE/IES Klassen oder Teillastdaten anzugeben
• Überführung der EN 50598 in die IEC 61800-9 wird die Akzeptanz der IE/IES Klassen weltweiterhöhen
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Vergleich Gesetz und Standard Merkmale Gesetz Standard / Norm
Ausrichtung Regulierung und Überwachung des Marktgeschehens
Repräsentiert den aktuellen Stand der Technik
Urheber/Autor Erstellt durch Anwälte, Rechtsexperten Erstellt von Ingenieuren und Technikern
Verwendung Die Anwendung ist gesetzlich verpflichtend Die Anwendung ist nicht verpflichtend
Verfügbarkeit Kostenfrei verfügbar und erhältlich Der Verkauf erfolgt durch IEC, CENELEC etc. um die Kosten für die Erstellung und Verwaltung zu decken
Basis Technische Aussagen und Vorgaben basieren im Allgemeinen auf aktuellen technischen Standards
Die technischen Standards basieren auf bestätigten
Ergebnissen der Wissenschaft, Technik sowie Erfahrungswerten
Beispiele
EU Verordnung 640/2009 definiert die MEPS für Motoren bei 50 Hz. Verbindliche Klassen: IE1-IE3
IEC/EN 60034-30-1 definiert Effizienzklassen für Motoren bei 50 und 60 Hz: IE1-IE4