CET seminarie, 7 oktober, 2010 Zin en onzin van hoogrendementsmotor Kurt Stockman...

CET seminarie, 7 oktober , 2010

Zin en onzin van hoogrendementsmotor

Kurt [email protected]

Steve Dereyne, Pieter Defreyne, Heinz Vervaeke

Master opleiding Elektromechanica

CET Seminarie – 7 oktober 2010

Energie Efficiënter Aandrijven

CET seminarie, 7 oktober , 2010 2

Inhoud

• Stand van zaken rond normering en energie-efficiëntie

• Motordesign en impact op de werking

• Technisch economische analyse

• Isorendementscontouren

• Besluit

56%

44%

TWhe "Industry and Services" in Europa

Motorverbruik

1100 TWhe

Overig

850 TWhe

10%

20%

45%

25%

137TWhe besparingspotentieel

DOL

Snelheids-regeling

Nieuwedrives en motoren (PM,SRM)

Overig


Normering

• Tot voor kort: EFF 2, EFF 1 motoren

• Sinds 2008: IEC 60034-30

EPAct MEPS CEMEP EFF NEMA Premium Australische MEPS IEC 60034-30 [5]

Jaar 1992 1998 2002 2004 2008Gebruikt in VS Europa VS Australië WereldwijdAard Verplicht Vrijwillig Vrijwillig Verplicht VrijwilligFrequentie 60Hz 50 Hz 60Hz 50Hz 50Hz/ 60Hz

Motoren 2, 4 en 6 polige IM 2 en 4 polige IM 2, 4 en 6 polige IM 2, 4 en 6 polige IM 2, 4 en 6 polige IM

Vermogens 0,75 tot 150kW 1,1 tot 90kW 0,75 tot 375kW 0,55 tot 140kW 0,75 tot 370kW

Meet-standaard IEEE 112-B IEC 60034-2 IEEE 112-B IEC 60034-2 / IEC 61972 IEC 60034-2-1

Klassen 1 klasse 3 klassen 1 klasse 2 klassen 3 klassen

RendementIEC

60034-30Europa VS

Super premium IE4 / /

Premium IE3 /NEMA

Premium

Hoog IE2 EFF1 Epact

Standaard IE1 EFF2

pieter.defreyne


Waarop heeft de normering al of niet betrekking?

• IEC norm is “vertaald” naar een Europese verordening (22 juli 2009)

• Welke motoren moeten voldoen:– Driefasige kooiankermotoren net gekoppeld (50 en 60 Hz)

• 2 tot 6 polen

• Enkele snelheid

• Nominale spanning tot 1000V

• Nominaal vermogen tussen 0.75 kW en 375 kW

• Beoordeeld op continubedrijf (S1 bedrijf, terwijl IEC ook S3 bedrijf met 80% werktijd opneemt)

– Grootste aanpassingen: • Uitbreiding van de vroegere vermogenrange 1.1 kW – 90 kW

• Vroeger tot nominale spanningen van 400V


Waarop heeft de normering al of niet betrekking?

• Wat moet niet voldoen:– Motoren ontworpen om ondergedompeld te werken– Motoren die volledig in een product zijn geïntegreerd (compresoren, …)– Motoren gebruikt op plaatsen waar ontploffingsgevaar kan heersen (wel in IEC!!)– Remmotoren (wel in IEC net als motorreductoren)– Motoren ontworpen voor gebruik

• > 1000m• omgevingstemperatuur > 40°C of < -15°C (alle) of < 0°C (enkel luchtgekoeld)• koelwatertemperatuur aan ingang < 5°C of > 25°C

• Besluit?


Timing voorzien in de verordening

• MAAR:

– Wat met motoren in stock? Mogen nog gebruikt, verkocht worden

– Wat met motoren die herwikkeld worden? Zolang de kenplaat gegevens geldig blijven geen probleem.

– Controle organisme: ??


Wijzigingen in het motordesign

750 W 4 kW 18,5 kW

W%

verlies W%

verlies W%

verliesStator jouleverliezen 120,00 43,80 305,00 40,08 953,00 41,51Rotor jouleverliezen 35,00 12,77 150,00 19,71 476,00 20,73Ijzerverliezen 76,00 27,74 225,00 29,57 351,00 15,29Wrijvings en ventilatieverliezen 24,00 8,76 30,00 3,94 168,00 7,32Stray load verliezen 19,00 6,93 51,00 6,07 345,00 15,03

Totale verliezen 274,00 100,00 761,00 100,00 2296 100,00

Uitgaand vermogen 746 3730 18560

Ingaand vermogen 1020 4491 20946 Rendement (%) 73,14 83,05 88,61

Elektrisch vermogen

Luchtspleet

Jouleverliezen

Ijzerverliezen

Supplementaire verliezen

Luchtspleetvermogen

Elektromechanisch vermogen

Jouleverliezen

Ijzerverliezen

ST

AT

OR

RO

TO

R

Wrijvings- en ventilatieverliezen

Nuttig asvermogen


Optimalisatiemogelijkheden bij inductiemotoren• Doorgedreven optimalisatie

– Cu-kooi

– Blikpakket

– Langere stack

– Geringe luchtspleet

– Lagers met lagere wrijving

– Kleinere ventilator

– Andere kooivorm

– …


Impact op het motorgedrag?• Hogere nominale snelheid (kleinere slip)?

• Opgepast bij ventilatoren en centrifugaalpompen !

• Toename van de rotorinertie• Aanloop kan iets langer duren !

• Andere bouwvorm?• Uitzonderlijk

• Kleiner aanloopkoppel?• Neen want moet voldoen aan minimum waarden

• Hogere startstroom?

• Geschikt voor omvormervoeding?

• Minder opwarming dus mogelijks langere levensduur

• Iets lagere cos ?

250 kW

230/400V, 1500 rpm, 315LIE1 IE3

Tn 1603 Nm 1603 NmNn 1490 rpm 1490 rpmIn 443 A 433 A

Istart/In 7.8 8Tkip/Tn 270% 270%

Taanzet/Tn 250% 260%

Inertie J8,120 kgm²

8,388 kgm²

Cos 0,75/0,83

/0,860,73/0,82

/0,86

94,2/94,9

/94,896,2/96,6

/96,6

4 kW230/400V, 1500 rpm, 112M

IE1 IE3Tn 26,5 Nm 26,4 NmNn 1440 rpm 1450 rpmIn 8 A 8 A

Istart/In 6,2 7Tkip/Tn 210% 230%

Taanzet/Tn 250% 310%

Inertie J0,0147 kgm²

0,0187 kgm²

Cos 0,65/0,77

/0,830,62/0,74

/0,81

83,5/84,5

/84,588,7/89,1

/89,1


Inductiemotor versus permanentmagneet machine• Permanent magneet machine:

• Geen rotorstromen

• Stator moet geen magnetiseringsstroom voeren

• Geen ventilator nodig

• Klassieke uitvoering vereist omvormer

• Positieopnemer meestel vereist (encoder, resolver)

• Indien kooi aanwezig kan ook netstart gebeuren

EEMODS 2007


Techno-economische analyse

• Investeringskost versus elektrisch verbruik:

4 kW IM: 8000 u /10 jaar 4 kW IM: 4000 u /10 jaar



• Analyse via de Netto Actuele Waarde (NPV): IE1 versus IE3

Standaardmotor (IE1) P: 11kW Hoogrendementsmotor (IE3) 11kWRendement ηh: 88% (IE1) Rendement ηh: 92,2%

Bedrijfsuren h: 8000h /4000h Bedrijfsuren h: 8000h /4000hAankoopprijs Ih: €563 (excl. Btw) Aankoopprijs Ih: €801 (excl. Btw)

Elektriciteitsprijs p: 0,085€/kWhElektriciteitsindex 5% Discontovoet 10%

JaarPrijs

(€/kWh)

Jaarlijkse besparing

(€)

Jaarlijkse actuele

waarde (€)

NAW per jaar (€)

0 -238,001 0,085 387,20 € 352,00 114,002 0,089 406,56 € 336,00 450,003 0,094 426,89 € 320,73 770,734 0,098 448,23 € 306,15 1076,885 0,103 470,65 € 292,23 1369,126 0,108 494,18 € 278,95 1648,077 0,114 518,89 € 266,27 1914,348 0,120 544,83 € 254,17 2168,519 0,126 572,07 € 242,61 2411,12

10 0,132 600,68 € 231,59 2642,71

JaarPrijs

(€/kWh)

Jaarlijkse besparing

(€)

Jaarlijkse actuele

waarde (€)

NAW per jaar (€)

0 -238,001 0,085 193,60 € 176,00 -62,002 0,089 203,28 € 168,00 106,003 0,094 213,44 € 160,36 266,374 0,098 224,12 € 153,08 419,445 0,103 235,32 € 146,12 565,566 0,108 247,09 € 139,48 705,037 0,114 259,44 € 133,14 838,178 0,120 272,42 € 127,08 965,259 0,126 286,04 € 121,31 1086,56

10 0,132 300,34 € 115,79 1202,35



0,75kW IE1 100% 4kW IE1 100% 7,5kW IE1 100% 11kW IE1 100%0,75kW IE2 150% 4kW IE2 150% 7,5kW IE2 137% 11kW IE2 123%0,75kW PM 480% 4kW PM 516% 11kW IE3 142%

• Vollast en nominale snelheid

Kostprijs motoren (indicatief)

Toelaatbare meerkost ifv gewenst payback



• Voorgaande resultaten houden geen rekening met subsidies en kosten verbonden aan de vervanging of installatie van motoren!!

• Subsidiemogelijkheden (geldig tot eind 2010 !!)

• Premie hoogrendementsmotoren: 4 euro / kW en max 50% factuur• Enkel voor 1.1 kW – 90 kW

• Aantal draaiuren op te geven

• Bewijs van fabrikant nodig en plaatsing door gekwalificeerd personeel

• Premie voor snelheidsregelaars: • Vb: 1 – 10 kW: 80 euro/kW

• Max. premie € 30.000,00 per aanvraag

• Meer info op de websites van de distributienetbeheerders (vb Eandis)

CET seminarie, 7 oktober , 2010 15Toerental (% nominaal)

Kop

pel (

% n

omin

aal)

88

8786

85

84

82

7975

7061

4834

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

25

50

75

100

125

150

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Beschikbare data voor bepalen van totaal rendement van een toepassing• Enkele vaststellingen:

– Motorcatalogi geven alleen data bij nominale motorsnelheid en enkele discrete koppelwaarden (100%, 75% en 50%)

– Veel motoren werken in sterke deellast

– Impact van omvormervoeding wordt niet vermeld

– Weinig bruikbare gegevens over rendementen van permanent magneet motoren

• Conclusie:– Onvoldoende gegevens beschikbaar voor een grondige analyse!

– Oplossing: isorendementscontouren IE3, 11 kW, 1500 rpm, 400V, IMIE3, 11 kW, 1500 rpm, 400V, IM


Een typische machinebouwtoepassing

16

),(

)()(

),(

)()(

T

ttT

T

tPtP mech

elec

dtPEend

start

t

t

elecelec


Verrekening volgens belastingsprofiel:

17


Besluit• Aangepaste normering: streven naar hogere rendementen

• Optimalisatie van inductiemotoren: bovengrens = IE3 ?

• IE4 enkel voor machines met permanenten magneten?

• Onvoldoende data ter beschikking om een aandrijving met wisselende koppels en snelheden grondig te analyseren

• Opstellen van isorendementscontouren biedt hier een antwoord

• Studiedag: “Energie-efficiëntie in de machinebouw”donderdag 18 november, HOWEST

www.energie-efficientie.be


Besluit

www.energie-efficientie.be

IEC 60034-31: Guide for the selection and application of energy-efficient motors including variable-speed applications (2009).

CET seminarie, 7 oktober, 2010 Zin en onzin van hoogrendementsmotor Kurt Stockman...

Documents

Transcript of CET seminarie, 7 oktober, 2010 Zin en onzin van hoogrendementsmotor Kurt Stockman...