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Energieeffizienz elektrischer Antriebe ck Geht es noch besser? · Elektrische Maschinen wandeln mit...

Date post: 22-Sep-2019
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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 Überblick Bild: SKF
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Page 1: Energieeffizienz elektrischer Antriebe ck Geht es noch besser? · Elektrische Maschinen wandeln mit Hilfe eines magnetischen Felds mechanische Energie elektrische Energie: Generatoren

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

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Bild: SKF

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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

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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

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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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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

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F

B

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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.

Gru

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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

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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.

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1 1

1n n n

sn n

Käfigläufer (ohne Blech- paket dargestellt)

Stab

Kurzschluss- ring

Welle

Funktionsprinzip von Induktionsmaschinen

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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

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4.6.2014 – Ponick 19 Transformation des Energiesystems

Normmotor Werkbild VEM

Ausführungen von Induktionsmaschinen

großer Käfigläufer Werkbild Siemens

Gru

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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

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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

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C, Pro

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4.6.2014 – Ponick 22 Transformation des Energiesystems

Marktanteile der CEMEP-Wirkungsgradklassen

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Quelle

: CEM

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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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4.6.2014 – Ponick 24 Transformation des Energiesystems

Länder mit Wirkungsgradklassifizierung 2007

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Quelle

: D

KE K

311, Pro

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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

Eff

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Quelle

: IS

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C, Pro

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IE-Grenzkurven für 4polige Motoren

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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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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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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

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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

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4.6.2014 – Ponick 30 Transformation des Energiesystems

Einsparpotential bei Industrieantrieben

Quelle: ZVEI „Energiesparen mit elektrischen Antrieben“, April 2006

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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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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

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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

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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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