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2. Informationsveranstaltung „Volle Kraft. Halbe Kosten.“
Reduzierung des Energieverbrauchs durch den
Einsatz von Synchron-Reluktanz-Antriebssystemen:
Vorteile aus Anwendersicht
Dr. Sven Kellner, Siemens AG
© Arqum 2015
Vorteile aus Anwendersicht
Reduzierung des Energieverbrauchs durch
Synchron-Reluktanz-Antriebssysteme
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siemens.de/reluktanzantriebssystem
• Einführung
2
• Steigende Konzentration auf
Energieeffizienz
• Synchrone Reluktanz
3
5
• Energie-Effizienz
10
• Kosten-Effizienz
14
• Weitere Eigenschaften
19
• Zusammenfassung
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10.06.2015
Dr. Sven Kellner
siemens.de/reluktanzantriebssystem
Steigende Konzentration auf Energieeffizienz
Globale Trends
Antriebstechnologie
• Unabhängigkeit von EnergieImporten
• 2/3 des industriellen
Stromverbrauchs
entfallen auf mit
Elektromotoren
angetriebene
Maschinen1)
Daraus folgen unter anderem
neue Energieeffizienz-Normen
• Nur ca. 1/5 der Neuantriebe 2012 waren
drehzahlgeregelt2)
Erhöhung der Energieeffizienz
ist vor allem politisch getrieben
• Stoppen der globalen Erwärmung
• Energieeffizienzklassen für AC/ACFrequenzumrichter (IE)
• Energieeffizienzklassen für
Antriebssysteme (IES)
• Norm zur Angabe der Verluste von
Umrichtermotoren in Vorbereitung
• Die Energiekosten
machen ca. 97 %*
der Lebenszykluskosten eines
Elektromotors aus3)
Lösungen
Permanentmagnet-erregte
Synchronmotoren
• ressourcenintensiv
(Seltene Erden)
• Preisentwicklung Seltene Erden
kaum vorhersehbar
Synchron Reluktanzmotoren
• energieeffizient
• kostenoptimiert, einfacher Aufbau
• hochdynamische Regelung
realisierbar
1)
Bundesministerium für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (BMZ), Mai 2013, In Zusammenarbeit mit ZVEI
Energieeffizienz mit elektrischen Antrieben, ZVEI – Zentralverband Elektrotechnik- und Elektroindustrie e.V., Frankfurt,
April 2014
3) Normen und gesetzliche Anforderungen an die Energieeffizienz von Niederspannungs-Drehstrommotoren, ZVEI –
Zentralverband Elektrotechnik- und Elektroindustrie e.V., Frankfurt, Dezember 2010
* Bei 4000 Betriebsstunden pro Jahr
2)
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• Einführung
3
• Synchrone Reluktanz
4
• Vergleich unterschiedlicher
Techniken
5
• Abgrenzung
6
• Funktionsweise
7
• Drehmomentbildung
8
• Energie-Effizienz
10
• Kosten-Effizienz
14
• Weitere Eigenschaften
19
• Zusammenfassung
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Vergleich von Motorausführungen bei Betrieb mit
Frequenzumrichter
Performance/Effizienz
Permanentmagneterregt Synchron
SynchronReluktanz
+ Effizient
+ Hohe Dynamik
+ Geringe Kosten
+ Robust
+ Kostengünstig
+ Effizient
+ Höchste Dynamik
- Kostenintensiv
Für spezielle
Anwendungen
Für Netzbetrieb
mit Nennleistung
Asynchron
+ Einfache
Regelung
- Kosten- und
wartungsintensiv
Für innovative Lösungen
im allgemeinen Maschinenbau
Gleichstrom
Für spezielle
Anwendungen
Kosten
Die Synchron-Reluktanztechnik ist immer dann sowohl energie- als auch
kosteneffizient, wenn Antriebe mit Frequenzumrichter erforderlich sind!
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Positionierung von Synchron-Reluktanzmotoren
innerhalb des Motorenspektrums
AsynchronMotor
ReluktanzMotoren
Switched
Reluctance
SynchronReluktanzMotoren
Alter Blechschnitt
Permanentmagneterregter
Synchronmotor
TransversalflussReluktanz
Neuer Blechschnitt
mit Flusssperrendesign
• Ständer des
Asynchronmotors
(verteilte Wicklung)
• Läuferblechpaket mit
Flusssperren
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Theoretischer Hintergrund:
Wie funktioniert das überhaupt?
Bei Synchronmotor allgemein gilt
• id: verantwortlich für magnetisches Feld
Im Normalbetrieb wird magn. Feld durch Magnete
erzeugt
 id=0 (außer bei Feldschwächung)
• iq: verantwortlich für Drehmoment
• Reluktanzeffekte sind insbesondere bei
Servomotoren meist unerwünscht
Mi 
3p
 piq  Ld  Lq  id  iq 
2
Magneteinfluss
Reluktanzeinfluss
kleiner magn. Widerstand
hoher magn. Widerstand
Speziell Reluktanzmotor: Keine Magnete!
 hohes Reluktanzmoment
 Drehmoment nur aufgrund der Reluktanzeffekte
 Rotor muss so unsymmetrisch wie möglich sein
 Ein spezielles Rotordesign ist erforderlich
Der Synchron-Reluktanzmotor entspricht physikalisch einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, nur eben ohne Permanentmagnete
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Drehmomentbildung anschaulich erklärt
1. Schritt
2. Schritt
2. Schritt
Ständerfluss bis auf den Luftspalt
ausschließlich durch das Eisen
Ständerfluss hat sich verändert, muss lange
Wege durch die Luftspalte gehen
• Rotor dreht sich in die Lage
von Schritt 1
•
geringer magnetischer Widerstand
•
hoher magnetischer Widerstand
•
geringste „Systemenergie“
•
erhöhte Systemenergie
• Bei einem umlaufenden
Ständerfeld muss sich der
Rotor damit kontinuierlich
drehen
Daraus resultiert ein Drehmoment, das in
Richtung der Minimierung der Systemenergie
wirkt
• Die Rotorfrequenz entspricht
der Ständerfrequenz, allerdings
sind Rotor und Ständer
„phasenverschoben“
q
d
•
Vergleichbar mit zwei „aneinander
haftenden“ Magneten
•
Vergleichbar mit zwei aufeinander
zufliegenden Magneten
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• Einführung
3
• Synchrone Reluktanz
5
• Energie-Effizienz
9
• Wirkungsgrade allgemein
10
• Verlustleistungsvergleich
11
• Lastspiel Blauer Engel
12
• Kosten-Effizienz
14
• Weitere Eigenschaften
19
• Zusammenfassung
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Wirkungsgrad von Synchron-Reluktanz ist in jedem
Betriebspunkt höher als bei Asynchron
1. Realisierung höherer Energieeffizienzklassen als IE3
ist mit Standard-Asynchronmotoren aufwändig
Wirkungsgrad
System mit
Synchron-Reluktanzmotor
System mit
Asynchronmotor
1
kW
5,5
7,5
11,0
15,0
18,5
22,0
30,0
Reluktanz*
91,9
92,6
93,5
93,9
94,2
94,5
94,9
IE4*
90,7
91,5
92,3
93,0
93,3 93,7
94,1
IE3*
88,0
89,0
90,1
90,9
91,5 92,0
92,6
IE2*
85,9
87,0
88,4
89,2
89,9 90,3
91,1
*)
2
Mindestwirkungsgrad nach IEC 60034-30-1.
Umgerechnet auf Umrichterbetrieb gemäß DIN EN
50598-2 (Kapitel 5.3.2.6: Oberschwingungsabhängige
Zusatzverluste)
2. Synchrone Reluktanzmotoren haben einen höheren Wirkungsgrad
im Teillastbereich als Standard-Asynchronmotoren
0,5 · PNenn
PNenn
Leistung
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Energieeffizienz im Nennpunkt und Teillastbereich
am Beispiel eines 15-kW-Systems
13,43
PDS1) relatives
Drehmoment in %
15,94
21,60
57%
57%
6,79
5,76
63%
8,01
Zahlenwerte
beschreiben die
prozentualen
Verluste bezogen
auf die SystemNennleistung
100
6,91
8,66
61%
12,18
66%
2,67
2,97
69%
3,77
50
Referenzsystem nach Norm
6,82
5,33
SIMOTICS 1LE1 VSD10
SIMOTICS 1LE1 IE2
74%
69%
25
1,65
SIMOTICS 1LE1 IE3
1,77
SIMOTICS 1LE1 IE4
SIMOTICS 1FP1
1)
PDS (Power Drive System)
= System bestehend aus Umrichter+Motor
50
100
PDS1) relative
Drehzahl in %
Das Synchron-Reluktanz-System hat im gesamten Betriebsbereich geringere
Verluste als ein IE4-Asynchron-System
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10.06.2015
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siemens.de/reluktanzantriebssystem
Systemeigenschaften
Systemvergleich Lastspiel Pumpe „Blauer Engel“
Energieeinsparung und Amortisation für einen drehzahlveränderbaren Antrieb an SINAMICS G120
Reluktanzmotor
15 kW, 1.500 min-1
Asynchronmotor in IE4
Vergleich Antrieb mit synchronem Reluktanzmotor gegenüber Antrieben
mit Asynchronmotoren
Einsparung p.a.
in kWh
Einsparung p.a.
in EUR
73
916
Asynchronmotor in IE3
Asynchronmotor in IE2
Umrichtermotor VSD10
Amortisationszeit
in Monaten
1.106
Invest < ASM IE4 !
5
100
1.420
11
114
153
1.912
13
Lastspiel „Blauer Engel“
Weitere Annahmen
10 % der Zeit fördert die Pumpe mit 100 %,
30 % der Zeit mit 75 %,
40 % der Zeit mit 50 %, und
20 % der Zeit mit 25 % Durchfluss.
• Zweischichtbetrieb, d.h. 3880 Stunden im Jahr.
• Die Energiekosten betragen 8 ct/kWh.
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siemens.de/reluktanzantriebssystem
• Einführung
3
• Synchrone Reluktanz
5
• Energie-Effizienz
10
• Kosten-Effizienz
13
• Systemvorteile
14
• Leistungssteigerung
15
• Geringe Eigenträgheit
16
• Weitere Eigenschaften
19
• Zusammenfassung
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Optimiertes Investment durch abgestimmtes System
und einfache Inbetriebnahme
Motorzuordnung
• Synchron-Reluktanz-Motoren haben bei gleicher Wellenleistung
die selben mechanischen Abmessungen wie NormAsynchronmotoren.
Umrichter–Motor-Zuordnung

• Die Power Modules PM240-2 sind in der Lage, SynchronReluktanzmotoren mit der gleichen Wellenleistung wie NormAsynchronmotoren zu betreiben.
• Gleiche Umrichterleistung wie bei Asynchronmotoren.
Inbetriebnahme
• Einfache Inbetriebnahme durch Anwahl der Code-Nummer des
Motors durch im Umrichter hinterlegte Motordaten.
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Dauerhafte Überlastung des Systems möglich
Thermische
Grenze
Hohe zusätzliche Überlast
• Dauerhafte Überlastung mit 20 % möglich (SF 1,2)
Das Motoren-Design der synchronen Reluktanzmotoren ist auf
höchste Energieeffizienz ausgelegt, nicht auf maximale
thermische Ausnutzung.
Thermische Ausnutzung
bei Bemessungsleistung
ASM
SRM
Auslegung auf maximale Überlast
Auslegung
Asynchron
Auslegung
SynchronReluktanz
• In vielen Anwendungen wie z. B. der Gebäudetechnik ist die
maximale Leistung nur an wenigen Tagen im Jahr notwendig
• Der synchrone Reluktanzantrieb wird in dieser Zeit im
Überlastbereich mit leicht reduzierter Effizienz betrieben. Die
restliche Zeit arbeitet er im hocheffizienten Bereich.
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siemens.de/reluktanzantriebssystem
Hohe Dynamik
Niedriges Eigenträgheitsmoment
Rel. Eigenträgheitsmoment1)
180%
160%
Niedrigeres
Eigenträgheitsmoment
im Vergleich zu
Asynchronmotoren in
IE2/IE3/IE4
140%
120%
100%
80%
+
60%
40%
Höhere Dynamik mit
Vektorregelung
20%
0%
Reluktanzmotor
Asynchronmotor IE4
Asynchronmotor IE3
Asynchronmotor IE2
Umrichtermotor VSD10
1) Durchschnittswerte 5,5 kW bis 30 kW
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siemens.de/reluktanzantriebssystem
Hohe Dynamik
Niedriges Eigenträgheitsmoment: Beispiel
Automobilindustrie: Heber/Senker
-M
M
3
~
M -M1
3
~
Dauer
in sec
1,0
Anfang
in rpm
0
Ende
in rpm
M Last M total M total M total M total
in Nm
1FP1
1LE1
1LE1
1LE1
IE2
IE3
IE4
1522
93
99
100
106
108
Um die gleiche Dynamik zu erreichen, müsste im Vergleich zum SynchronReluktanz-System der Umrichter bei IE4-Asynchrontechnik größer gewählt werden
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10.06.2015
Dr. Sven Kellner
siemens.de/reluktanzantriebssystem
• Einführung
3
• Synchrone Reluktanz
5
• Energie-Effizienz
10
• Kosten-Effizienz
14
• Weitere Eigenschaften
18
• Systemeigenschaften
19
• Zusammenfassung
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10.06.2015
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siemens.de/reluktanzantriebssystem
Systemeigenschaften
Betriebsverhalten
Betriebsverhalten
• Pollageidentifikation innerhalb von 50 ms durch den Umrichter
vermeidet Ausrichten vorwärts/rückwärts beim Zuschalten des
Motors
• Anfahren aus dem Stillstand gegen 150 % Gegenmoment beim
SINAMICS G120
• Schnelles Ausregeln von Laststößen
Taktfrequenz Umrichter
• Im Teillastbereich können die Motoren mit 8 kHz Taktfrequenz
betrieben werden, was zu fast nicht hörbaren Motorgeräuschen
führt.
• Bei Belastung im Bereich der Nennleistung wird die
Taktfrequenz unter gewissen Randbedingungen automatisch auf
4 kHz oder 2 kHz abgesenkt.
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10.06.2015
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siemens.de/reluktanzantriebssystem
• Einführung
3
• Synchrone Reluktanz
5
• Energie-Effizienz
10
• Kosten-Effizienz
14
• Weitere Eigenschaften
19
• Zusammenfassung
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• Siemens-Lösung
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• Verdrängt der Reluktanzmotor die
Asynchronmaschine?
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siemens.de/reluktanzantriebssystem
Höchst effizientes Antriebsystem in allen Betriebspunkten mit innovativer Synchron-Reluktanztechnik
Sehr hoher
+
36 Monate
+
Synchron-Reluktanz
+
Hohe
Motorwirkungsgrad im
Volllast- und Teillastbereich
= minimierte Lebenszykluskosten
Einfache + schnelle
Gewährleistung auf den
Synchron-Reluktanzmotor
Inbetriebsetzung durch
Übertrag des Motorcodes an
den Frequenzumrichter
Garantierte
Motorleistung bei Betrieb
am Umrichter
+
+
Technik ohne Permanentmagnete für geberlose
Antriebsaufgaben
Betriebssicherheit und
Verfügbarkeit durch hohe
Überlastfähigkeit
+
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10.06.2015
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siemens.de/reluktanzantriebssystem
Verdrängt der Synchron-Reluktanzmotor die
Asynchronmaschine?
ASM
Performance
SRM
GM
Zeit
Die Standard-Asynchronmaschine wird auch in
Zukunft weiterhin eine hohe Relevanz am Markt
haben
• Viele Kunden kaufen Motor und Umrichter
getrennt voneinander
 Synchron-Reluktanzmotoren benötigen
immer einen dazu passenden Umrichter
• Auch in Zukunft wird es viele Applikationen
geben, in denen Netzmotoren ohne Umrichter
die energieoptimale Lösung sind
 Synchron-Reluktanzmotoren müssen
immer am Umrichter betrieben werden,
bei Netzbetrieb sind Asynchronmotoren
die erste Wahl
Auch in Zukunft gibt es die unterschiedlichen Motorentechniken mit ihren
jeweiligen Vor- und Nachteilen nebeneinander!
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10.06.2015
Dr. Sven Kellner
siemens.de/reluktanzantriebssystem
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Dr. Sven Kellner
Produktmanagement SINAMICS
Digital Factory / Motion Control
E-Mail:
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10.06.2015
Dr. Sven Kellner
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