energieeffizienz elektrischer antriebe ck geht es noch besser? · elektrische maschinen wandeln mit...
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Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 1 Transformation des Energiesystems
Ringvorlesung Transformation des Energiesystems
Energieeffizienz elektrischer Antriebe – Geht es noch besser?
Prof. Dr. Bernd Ponick, Leibniz-Universität Hannover
Übersicht:
1. Einführung
2. Grundlagen
3. Verlustmechanismen
4. Effizienzklassifizierung
5. Technische Perspektiven
6. Einsparpotentiale
7. Zusammenfassung
Üb
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Bild: SKF
Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 2 Transformation des Energiesystems
Arten und Aufgaben elektrischer Maschinen
Elektrische Maschinen wandeln mit Hilfe eines magnetischen Felds
mechanische Energie elektrische Energie: Generatoren
elektrische Energie mechanische Energie: Motoren
elektrische Energie elektrische Energie: Transformatoren
Ein
füh
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Werkbild Cummins
Werkbild Areva
Werkbild VEM
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4.6.2014 – Ponick 3 Transformation des Energiesystems
Duncan 1890
Brown 1891
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Elektrische Maschinen – 150 Jahre kontinuierlicher Verbesserungen
Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 4 Transformation des Energiesystems
Der Leistungsbereich elektrischer Antriebe erstreckt sich über 15 Größenordnungen
Mikromotor
(PN = 1 µW, FN = 1,5 nNm)
Ständer eines Grenzleistungs- Turbogenerators (PSN = 1500 MVA, MN = 3800 kNm) (Werkbild Siemens)
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4.6.2014 – Ponick 5 Transformation des Energiesystems
Ca. 60% der erzeugten elektrischen Energie wird von elektrischen Antrieben verbraucht
Haushaltsgerät (Eismaschine)
Gerüstantriebe
in einem Walzwerk
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Nacke, E
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4.6.2014 – Ponick 6 Transformation des Energiesystems
Elektrische Antriebstechnik – eine Schlüsseltechnologie
... z. B. für:
Automobilindustrie
Werkzeugmaschinenbau
Anlagenbau
Haushaltsgerät (Eismaschine)
Gerüstantriebe in einem Walzwerk
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4.6.2014 – Ponick 7 Transformation des Energiesystems
Dynamische Entwicklung aufgrund ... ... sich ändernder Rahmenbedingungen
Windpark
Elektromobilität
Photovoltaik
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4.6.2014 – Ponick 8 Transformation des Energiesystems
Dynamische Entwicklung aufgrund ... ... neuer Technologien
Leistungselektronische Bauelemente und Mikroelektronik
Trennschliff durch einen mikrotechnisch hergestellten Linearantrieb mit
Strukturen im µm-Bereich
Mikromotor für medizintechnische
Anwendungen
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Weltweit kleinster elektromagnetischer
Motor
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4.6.2014 – Ponick 9 Transformation des Energiesystems
Dynamische Entwicklung ... ... durch Einsatz von Leistungselektronik Leistungselektronik verleiht Antrieben Intelligenz ... ... durch exakte Steuerung und Regelung von z. B.
• Fahrantrieben
• Positionierantrieben
• mechatronischen Aktoren
• Stromversorgungen
... und spart Energie durch Substitution verlustbehafteter mechanischer Stellglieder
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4.6.2014 – Ponick 10 Transformation des Energiesystems
Dynamische Entwicklung aufgrund ... ... Verdrängung mechanischer Antreiber
Magnetgelagerter Turbokompressor- Direktantrieb mit 23 MW bei 6300 /min
Gasturbine
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4.6.2014 – Ponick 11 Transformation des Energiesystems
Dynamische Entwicklung aufgrund ... ... Integration der Antriebskomponenten
Motor mit integriertem Umrichter für Spezialanwendung
Erzrohrmühle mit Ringmotor
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Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 12 Transformation des Energiesystems
Eigenschaften und Grenzen
Stärken elektrischer Antriebe:
Sehr robust
Abgesehen von der Lagerung praktisch wartungsfrei
Sehr hoher Wirkungsgrad
Hohe kurzzeitige Überlastbarkeit
Abhängig von Ansteuerung sehr gute Dynamik
Eigenschaften weitgehend durch Regelung anpassbar
In verschiedensten Geometrien ausführbar
Schwächen elektrischer Antriebe:
Elektrische Energie erforderlich
Vergleichsweise niedrige zulässige Temperatur
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4.6.2014 – Ponick 13 Transformation des Energiesystems
Kraft F auf einen stromdurchflossenen Leiter mit der Länge l im Magnetfeld B:
Ständer (Stator)
Läufer (Rotor)
BIlF
Drehmoment = Kraft • Hebelarm:
rFM
Für 2 Leiter ergibt sich
BIlrM 2
Für z Leiter ergibt sich BIlrzM
Entstehung eines Drehmoments
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Φ
F
B
I
F
B
I
N
S Das kann geschrieben werden als
MM k I
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4.6.2014 – Ponick 14 Transformation des Energiesystems
Prinzipieller Aufbau
Ein Maschinenteil erzeugt das Magnetfeld mit Hilfe eines Permanentmagneten oder einer stromdurchflossenen Wicklung.
Auf dem anderen Maschinenteil befindet sich eine stromdurchflossene Wicklung, die vom Magnetfeld durchsetzt wird.
Der Strom in dieser Wicklung muss seine Richtung zyklisch ändern.
Das Magnetfeld wird durchweg in weichmagnetischem Material (i. Allg. Eisen) geführt, da dieses einen sehr geringen magnetischen Widerstand besitzt.
Wenn sich das Magnetfeld zeitlich ändert, muss das weichmagnetische Material in dünne, gegeneinander isolierte Bleche unterteilt werden (sog. Blechpaket)
Die Wicklungen umfassen ausgeprägte Pole oder sind in Nuten des Blechpakets untergebracht.
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4.6.2014 – Ponick 15 Transformation des Energiesystems
• Der Läufer trägt Permanentmagneten oder eine von Gleichstrom durchflossene Erregerwicklung
• Beim Synchronmotor erzeugt die Ständerwicklung ein Drehfeld, das den Läufer hinter sich her zieht.
• Beim Synchrongenerator induziert das Magnetfeld des Läufers bei Drehung in der Ständerwicklung ein Drehspannungssystem der Frequenz f = n p (f = Frequenz der Ständerströme, p = Zahl der Polpaare, n = Drehzahl).
• Die Drehzahl einer Synchronmaschine ist immer die sog. synchrone Drehzahl n1 = f / p .
• Abhängig von der Höhe des Erregergleichstroms können Synchronmaschinen für das Netz wie eine Kapazität (übererregt) oder wie eine Induktivität (untererregt) wirken.
Funktionsprinzip von Synchronmaschinen
Gru
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4.6.2014 – Ponick 16 Transformation des Energiesystems
Servomotoren Werkbild SEW
Ausführungen von Synchronmaschinen
Wasserkraftgenerator Werkbild ABB
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4.6.2014 – Ponick 17 Transformation des Energiesystems
• Induktionsmotoren (auch als Asynchronmotoren bezeichnet) haben im Ständer und im Läufer eine mehrsträngige Wicklung, im Läufer meist als Käfigwicklung
• Der Ständer von Induktionsmotoren ist identisch dem von Synchronmotoren.
• Die Drehzahl von Induktionsmotoren weist gegenüber der synchronen Drehzahl einen Schlupf s auf. Definition:
mit n = Läuferdrehzahl und n1 = f/p = synchrone Drehzahl
• Induktionsmotoren benötigen zum Aufbau ihres Magnetfelds immer induktive Blindleistung aus dem Netz.
1
1 1
1n n n
sn n
Käfigläufer (ohne Blech- paket dargestellt)
Stab
Kurzschluss- ring
Welle
Funktionsprinzip von Induktionsmaschinen
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Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 18 Transformation des Energiesystems
• Die Ständerwicklung erzeugt wie bei der Drehstrom-Synchronmaschine ein Drehfeld.
• Das Drehfeld induziert in den kurzgeschlossenen Maschen der Läuferwicklung eine Spannung, welche einen Strom treibt.
• Die Frequenz des Läuferstroms ist f2 = s f (Schlupffrequenz).
• Der Läuferstrom hat drei Wirkungen: - Er erzeugt in Wechselwirkung mit dem Ständerfeld ein Drehmoment. - Er erzeugt ein Magnetfeld, welches dem Feld der Ständerwicklung entgegenwirkt (das Ständerfeld wird abgedämpft). - Er verursacht Stromwärmeverluste in der Läuferwicklung.
• Genähert gilt: - Die Läufer-Stromwärmeverluste betragen das s-fache der aufgen. Leistung. - Die erzeugte mechanische Leistung ist das (1-s)-fache der aufgen. Leistung. Induktionsmaschinen lassen sich wirtschaftlich nur bei kleinem Schlupf betreiben!
• Läuferstrom, Drehmoment und Ständerstrom sind stark vom Schlupf abhängig; beispielsweise ist der Ständerstrom im Leerlauf ca. 1/3 des Stroms bei Volllast und im Stillstand das 3- bis 7-fache des Stroms bei Volllast.
Funktionsprinzip von Induktionsmaschinen
Gru
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Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 19 Transformation des Energiesystems
Normmotor Werkbild VEM
Ausführungen von Induktionsmaschinen
großer Käfigläufer Werkbild Siemens
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Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 20 Transformation des Energiesystems
Leistungsfluss bei Induktionsmaschinen
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Pvu: Ummagentisierungsverluste Pvw1: Ständerwicklungsverluste Pvz: Zusatzverluste Pvw2: Läuferwicklungsverluste Pvrb: mechanische Verluste
Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 21 Transformation des Energiesystems
Verlustaufteilung bei Induktionsmaschinen und Hebel zur Verlustreduktion
a) Technologie:
Erhöhung des Kupfer-Füllfaktors
Kupferguss für Käfig
b) Material:
Verbesserung der Blechqualität
Mehr Material!
c) Entwurf:
Verringerung der zusätzlichen Verluste
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Quelle
: IS
R-U
C, Pro
f. d
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Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 22 Transformation des Energiesystems
Marktanteile der CEMEP-Wirkungsgradklassen
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Quelle
: CEM
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Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 23 Transformation des Energiesystems
Einsatz energieeffizienter Motoren
Amortisationsrechnungen für die Anschaffung eines IE2-Motors (h = 89%) anstelle eines IE1-Motors (h = 84,2%) für 1-, 2- oder 3-Schicht-Betrieb; Randbedingungen: 6% Kapitalzinsen, 0,08 €/kWh Energiekosten
4 kW, 100% Last 4 kW, 75% Last Amortisationszeit: Amortisationszeit: 9 Monate bis 3 Jahre 1,5 Jahre bis 5 Jahre
Quelle: SEW Eurodrive
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Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 24 Transformation des Energiesystems
Länder mit Wirkungsgradklassifizierung 2007
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Quelle
: D
KE K
311, Pro
f. D
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Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 25 Transformation des Energiesystems
Internationale Normung von Wirkungsgradklassen
Normung von IE1 bis IE4 in IEC 60034-30-1
60-Hz-Werte sind identisch zu DOE-EPACT bzw. NEMA Premium
50-Hz-Werte basieren auf CEMEP: EFF2 IE1, EFF1 IE2
Gilt nur für netzgespeiste Maschinen mit U < 1000 V und P < 1000 kW
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Quelle
: IS
R-U
C, Pro
f. d
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IE-Grenzkurven für 4polige Motoren
Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 26 Transformation des Energiesystems
Gesetzliche Regelung in der EU
EU-Verordnung 640/2009 schreibt für Induktionsmaschinen vor:
IE2 ab 16. Juni 2011
IE3 oder IE2 mit Umrichter für PN > 7,5 kW ab 1.1.2015
IE3 oder IE2 mit Umrichter für PN > 0,75 kW ab 1.1.2017
Aber:
Geltungsbereich weicht z. T. von IEC 60034-30-1 ab
Geforderte Leistungsschildangaben übersteigen Vorschriften aus IEC 60034-1
Sehr unterschiedliche Reaktionen am Markt:
Umgehung der Verordnung durch Bemessung für andere Betriebsart
Nachfrage nach IE4 und IE5 (obgleich noch gar nicht genormt)
Nachfrage nach anderen Motorarten mit IE-Klassifizierung
Für weitergehende Vorschriften fehlt bisher die normative Grundlage:
EU-Mandat M/470 EN beschreibt geforderte Aktivitäten für Motoren
EU-Mandat M/476 EN beschreibt geforderte Aktivitäten für Umrichter / System
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Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 27 Transformation des Energiesystems
Permanentmagnete:
Physikalische Grenze in Bezug auf maximale Energiedichte bereits zu 70% erreicht
Weichmagnetische Werkstoffe:
Sättigungsmagnetisierung gängiger Elektrobleche: 1,5 und 2,0 T
Physikalische Grenze: FeCo50 mit 2,36 T
Fahrmotor (VW)
Weiterentwicklung hart- und weichmagnetischer Werkstoffe
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Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 28 Transformation des Energiesystems
Vergleich von Wirkungsgradkennfeldern bei identischer Motorgeometrie:
Höheres Drehmoment
Gleichzeitig besserer Wirkungsgrad
Aber: Höhere Sättigungspolarisation im Läufer ggf. unerwünscht
Beispiel: Einsatz von FeCo50 bei hoch ausgenutztem PM-Synchronmotor
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M250-50A FeCo50-35
Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 29 Transformation des Energiesystems
Erhöhung von Kupferfüllfaktor und Nutfläche durch
Gussspulen:
- Profilkupfer besser als Runddraht, aber Rechtecknut
- Gussspulen: höhere Nutfläche durch
parallelflankige Zähne
Erhöhung der Stromdichte durch intensivere Kühlung:
- Verdoppelung durch Wassermantelkühlung
- Vervielfachung durch direkte Leiterkühlung
Möglichkeiten zur Erhöhung der Drehmomentdichte
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Bilder: Fraunhofer IFAM
Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 30 Transformation des Energiesystems
Einsparpotential bei Industrieantrieben
Quelle: ZVEI „Energiesparen mit elektrischen Antrieben“, April 2006
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Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 31 Transformation des Energiesystems
Einsatz geregelter Elektroantriebe anstelle pneumatischer Antriebe
Weite Verbreitung pneumatischer Antriebe in Handhabungstechnik sowie Maschinen- und Anlagenbau
Gesamtwirkungsgrad nur ca. 10%
Gesamtwirkungsgrad geregelter Elektroantriebe: 70 bis 90%
Pauschale Betrachtung: p. a. lassen sich 85,7% bis 88,9% der Energiekosten einsparen
Quelle: Gloor, Energieeinsparungen bei Druckluftanlagen in der Schweiz; BfE 2000
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Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 32 Transformation des Energiesystems
Einsatz geregelter Elektroantriebe anstelle von Antriebs-Gasturbinen
Elektroantrieb für Erdgas-Kompressor, Wirkungsgrad 98%
Kompressoren zum Transport von Erdgas werden in der Regel durch Industrie-Gasturbinen angetrieben
CO2-Emissionen der deutschen Gasversorger entsprechen 1% des gesamten deutschen Gasverbrauchs E
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Industrie-Gasturbine, Wirkungsgrad 25 ... 38%
Minimale Energiekosten für Elektromotor bei Nutzung als Regelleistung im EV-Netz
Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 33 Transformation des Energiesystems
Einsparungen bei Haushaltsgeräten
Bohrmaschine: kleinere Leistung unverkäuflich
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Staubsauger: heute 2000 W morgen 250 W
Leibniz-Universität Hannover Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
4.6.2014 – Ponick 34 Transformation des Energiesystems
Fazit
Elektrische Antriebe = sehr guter Wirkungsgrad
Begrenzte technische Möglichkeiten zur weiteren Wirkungsgraderhöhung der Motoren selbst
Hohe Energieeinsparungen im Gesamtprozess erreichbar
Energieeffizienz – in der Regel wirtschaftlich!
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