Energieoptimierte Antriebstechnologien - Entwicklungstrends und Einsatzfelder - Ulrich Stöppler Leroy-Somer
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Energieoptimierte Antriebstechnologien
- Entwicklungstrends und Einsatzfelder
Ulrich Stöppler
Leroy-Somer
LEROY-SOMER Eine Weltweite Gruppe
Spezialisten für Energieerzeugung und Antriebssysteme
1292 million € Umsatz
9,742 Mitarbeiter, 50 Nationen
32 Produktionsstandorte: Europa, Nord
America,
Mexico, Indien, China
470 Zentren f. Vertrieb u. Unterstützung
Elektrischer Energieverbrauch in Europa
Europäischer Motormarkt
1950 Neuanlagen
TWh 70%
1100
TWh Ersatz
30%
139
TWh
2006 Europäischer Motoren Einspar-
Elektrischer Potential
2008 Volumem :
Elektrizitätsbedarf
In Industrie u. Dienstleistg. Energieverbr. Bis 2020 6,5 Millionen Einheiten pro Jahr
(Bg 80 to 500)
Quellen : EuP Directive, Eurostat, IMS Research
Hocheffiziente Motor
& Umrichter Lösungen
Einsparpotential im Vergleich zu
Motoren fester Drehzahl und niedriger Effizienz
35 to 45%
25 to 30%
ŋ
Neue geregelte
5 to 10% Technologien
Drehzahlgeregelte
Ungeregelte Induktionsmotoren
Hocheffiziente
Motoren
PM Motoren
Geschaltet
PM Reluktanz
Energieintensive Produkte (ErP)
Directive Roadmap
Efficienz-
klasse
IE4
Für OEMs und Endkunden
müssen alle neu installierten Druck hin zu noch
Motoren > 7,5kW der IE3 oder höheren Effizienz-
I. d. R. IE2 + FU genügen. werten IE4 oder gar
IE5
Endkunden
IE3
FREIWILLIG OEM’s & Endkunden (0.75 bis Für OEMs und Endkunden
375 Kw) müssen für alle neu müssen alle neu installierten
installierten Motoren der IE2 Motoren > 0,75kW der IE3 oder
Keine genügen, IE2 + FU genügen.
Mindestanforderungen
IE2 an die Motoreffizienz,
außer der Freiwilligen Obligatorsisch
Verpflichung des
Motorherstellers auf
EFF2 von vormals EFF3
in 1998
IE1
OEMs & Endkunden
16 Juni 2011 Januar 2017
Zeit
Januar 2015
ErP & IEC Standards
Direktive ErP 2009/125/CE & Ecodesign Anforderung (CE) 640/2009
Gilt für : Gilt nicht für :
2, 4 & 6 polig Komplett in eine Anwendung integrierte
Motoren
Un ≤ 1000V 50 & 50/60 Hz
Spezifisch konstruierte Motoren für:
Pn von 0.75 to 375 kW
Umgebungstemperaturen > 40°C
Alle Einbauvarianten
Aufstellhöhen > 1000 m
IP : alle
ATEX, Bremsm., Brandgas > 400°C
Dauerbetrieb
am bord motoren : LDW, Bahn, Boote,
Flugzeuge….
Kalender :
IE3 (oder IE2 + FU) von 01/01/2015 für Leistungen ≥ 7.5 kW
IE3 (oder IE2 + FU) von 01/01/2017 für Leistungen ≥ 0.75 kW
Neue Motortechnologien
Zunehmende Verbreitung der Drehzahlregelung in Industriellen Prozessen: Pumpen , Mixer,
Separatoren, Transportsbänder, Kompressoren, Chiller, Lüfter, ...
Permanentmagnet maschinen haben günstige Leistungsdaten: Effizienz, Kompaktheit,
weniger Rohmaterialien…
LEROY SOMER hat viele mögliche Strukuren von PM machine untersucht
… und den Originalentwurf des
radial permanentmagnet
durchfluteten Motors patentiert
Spezielle Statorblechpakete
South Permanentmagnete
North
South
Magnetpole aus
North
Magnetischem Stahl
Neue Motortechnologien: Optimierungsresultate
Optimierungsbeispiel: Drehmomentmaximierung in Abhängikeit der Nuten- und Polzahl
bei gegebener Menge an Rohmaterial
6 poles 6 poles 8 poles 8 poles 12 poles 12 poles
/36 slots /54 slots /48 slots /72 slots /72 slots /108 slots
Torque 243 Nm 297,9 Nm 320,3 Nm 341,7 Nm 313 Nm 319,3 Nm
DT 80 °K 80 °K 80 °K 80 °K 80 °K 80 °K
(Tamb=40°)
Output power 78,7 kW 96,4 kW 103,7 kW 110,5 kW 101,2 kW 104 kW
Effizienz 0,953 0.956 0.954 0.952 0.941 0.943
Hmag c-c 813 kA/m 742 kA/m 802 kA/m 786 kA/m 860 kA/m 858 kA/m
Stator Innen- 0,214 0,209 m 0,224 m 0,223 m 0,241 m 0,242 m
durchmesser
Neue Motortechnologien: Optimierungsresultate
Drehmomentmaximierung bei fester Drehzahl und gegebener Menge von Rohmaterial
Maximization of the torque for a constant speed and a fixed raw materials content
Leis-
Moment Mech Leistung Spannung Strom Efficienz
tungs-
(N.m) (kW) (V) (A) (%)
faktor
Initial
206.9 65 345.1 137.2 95.2 0.850
Machine
Optimization
253.5 79.6 340.0 169.8 95.4 0,851
1
Optimization
274.1 86.1 340.0 167.7 95.3 0.937
2
Ausgangsenwurf 1. Optimierung 2. Optimierung
22% Drehmomenterhöhung 32% Drehmomenterhöhung
Fortschgeschrittene Frequenzumrichter
Induktionsmotoren
Schlupfbasierte ‘natürliche’
L1 Synchronisation
U
L2 V Xf s
L3 W Rs
Rr/ g
+ Vs Xm E
µController
Umrichter Fortschritte PM Motoren
Schnellere Mikrokontroller zur :
•Zuverlässigen synchronisation von EMK und strom,
•Geberloser Betrieb für viele Drehmoment-
charakteristiken
EMF
Neue Leistungshalbleiter : Current
• geringere Verluste , geringere Abmessungen
10Optimierung als Entscheidungshilfe
Trade-off Kurve Effizienz über Gewicht (inklusive
Umrichter) “Pareto” Diagram - Gewicht & Effizienz
Front de Pareto : Masse-Rendement
0.96
0.955
0.95
Rendement
Effizienz
0.945
0.94
0.935
20 25 30 35 40 45
Gewicht [kg]
Masse [kg]Effizienzunterschiede zwischen PM und IE2 motor
Gegenüberstellung geregelte PM und IE2
Induktionsmotoren
2 Punkte
95,00%
55 kW
90,00%
motor
9 Punkte
Efficiency (%)
85,00%
Inverter-fed IE2 Induction motor
80,00% Inverter-fed PM motor
75,00%
70,00%
100 300 500 700 900 1 100 1 300 1 500
Speed (min-1)
PM MOTOR
INDUKTIONSMOTOR
• Ca. 20 to 25% aller Verluste entfallen auf • Geringe Eisen- und gar keine Rotorverluste
die Rotorverluste • Begrenzte Effizienzverluste bei geringen
• Die Effiezienz abhängig von Belastung und Drehzahlen
DrehzahlLSRPM Anwendungsbeispiel:
Kälteverdichter
Herkömmliche Lösung :
- 315 LD 2-Pol Induktionsmotor, 280 kW de-klassiert
wegen Umrichterbrieb
VARIABLE DREHZAHL
PM TECHNOLOGIE
COP / ESEER
VARIABLE DREHZAHL
ASYNCHRON
TECHNOLOGIE & HIGH
SPEED
FESTDREHZAHL
HIGH EFFICIENCY
Kälteleistung
*COP =
(coefficient of performance) Elektrischer Energieverbrauch
*ESEER = A*EER100% + B*EER75% + C*EER50% + D*EER25%
(European Seasonal Energy Efficiency Ratio)
A=3%, B=33%, C=41%, D=23%Kältetechnik :
Signifikantes Potential für variable Drehzahl
Energieverbrauch ist mit abstand der größte Saisonbedingte Kälteanforderung
Kostenfaktor einer Kälteinerichtung. (Außentemperatur & Aktivität)
Industry Sector Energy used for Refrigeration
Cold Storage 85%
Frozen food 60%
Chiled ready meals 50%
Confectionery 40%
Breweries 35%
Liquid milk processing 25%
Winter Spring Summer Autumn
Significantes Potential für variable
Drehzahl Boom für Anwendungen mit variabler
Drehzahl
No VSD motors
VSD motors
100
50
0
2005 2007 2010 2012LSRPM Anwendungsbeispiel:
Kälteverdichter
Herkömmliche Lösung :
- 315 LD 2-Pol Induktionsmotor, 280 kW de-klassiert
wegen Umrichterbetrieb
Leroy-Somer Lösung:
LSRPM 280 MD / 260 kW / 3000 Reihe
Vorteile
Verbesserter Verdichterwirkungsgrad
Kompakte Verdichtereinheit
Verbesserte Emergieeffizienz gegenüber geregeltem
Induktionsmotorinduction motor solution
Reduziertes Gewicht 900 kg to 380 kgLSRPM Anwendungsbeispiel:
Kälteverdichter
LSRPM Vorteile gegenüber
Asynchronmotor
Energieersparnis
ROI : 1,42 yearPermanent Magnet Motor
Power/Weight Ratio
bis
3 Baugrößen
kleiner
PM MOTOR
INDUKTIONSMOTOR
Geringe Leistungsdichte Kompaktheit & Höchste Leistungsdichte
• Elektromagnetische Kraft wird über den •Elektromagnetische Kräfte geht von Seltenen Erden
Aluminiumkäfig des Rotors gebildete Permanentmagneten aus
• Leistungsdichte: 1.5 bis 3 gegenüber AC InduktionsmotorNeue Motorsysteme :
kommerzielle & Industrielle Anwendungen
Kältever- Mixer
Industrielle dichter
Pumpen Lüfter
0.75 to 600 kW / 375 to 5500 min-1
Separatoren
Luftkompressoren
Förderbänder ChillerGegenwärtige Magnetmotor Technologie (auße Servo-
motoren)
500
• NdFeB magnete
• 8 polig
• Konzentrische Wicklungen
Power [kW]
50 • Verteilte Wicklungen
• Alle Anwendungen, Katalog.
30
10
LSRPM® and HPM®
0
0 2 6 10 15
Drehzahl [x 1000 rpm]Zukünftige permanent Magnet Motor Technologien
(ohne Servomotoren)
500
PM Reluktanzkraft
HSM
Hybrid
Ferrit Magnete
Synchronous 4 to 8 poles
Motor
Verteilte Wicklung
HPM-F
Leistung [kW]
Ferrit Magnete
50
16 to 32 polig
Konzentrische Wicklung
30
PM Reluktanzkraft
10 NdFeB magnets
HIM
Hybrid
4 to 8 poles
Interior Distributed winding
Magnet
0
0 2 6 10 15
Drehzahl [x 1000 rpm]Electrische motoren:
der Kern der erneuerbaren Energietechnologien
vom Hauptgenerator
abgesehen, sind viele weitere
Elektromotoren zur steigerung
der Effizienz der Windturbine
im Einsatz.
Hydroelektrizität
Wind
Solar
Photovoltaik
GezeitenenergeiPermanentmagnet Motor
Eco Design Ansatz
Produktion & Einsatz Lebensende
Rohamterial Distribution Recycling
PM Motoren verwenden weniger Rohmaterialterial als Induktionsmotoren und sind
effizienter, d. h. sie verbrauchen weniger Energie.
Alle Bestandteile (Sator und Rotor) können wie bei herkömmlichen Induktionsmotoren
zerlegt und weiterverwertet werden.Thank you very much!
Sie können auch lesen
