ErP richtlijnen energie-efficiëntie en wat te doen. 2015 Eaton Corporation. All rights reserved
Energiebesparing In het kader van het initiatief 20/30/20-20 heeft de Europese Unie zich het aan het volgende verplicht: - Het verhogen van het aandeel duurzame energie tot 20% - In 2020 een vermindering van broeikasgassen met 30% - Verbetering van de energie- efficiëntie met 20% 2
Energieverbuik in Nederland In het totale industriële energieverbruik hebben elektrisch aangedreven systemen een aandeel van ongeveer 70%. Een aandrijfsysteem bestaat uit de elektromotor, transmissie, regeling en het aangedreven apparaat, zoals een compressor, ventilator, pomp of een apparaat voor processen als mengen, verkleinen of intern transport. De kosten van een elektromotor over zijn hele levensduur bestaan voor 95% tot 99% uit energiekosten. De overige kosten zijn de aanschaf- en onderhoudskosten. Bij investeringsbeslissingen over elektromotor(systemen) zijn dan ook de energiekosten over de gehele levensduur relevant, terwijl de aanschafkosten marginaal blijven. Een deel van het elektriciteitsverbruik van (bestaande) elektromotorsystemen is onnodig, omdat veel motoren: oud en inefficiënt zijn, over gedimensioneerd zijn; omdat het rendement bij deel last lager is betekent dit onnodige verliezen, een aan/uit schakeling ontberen, waardoor ze continu draaien, ook als er geen vraag naar prestatie is. 3
Energy related Products ErP (IE norm) DIRECTIVE 2009/125/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 21 October 2009 establishing a framework for the setting of ecodesign requirements for energy-related products Vanaf 16 juni 2011 moeten alle fabrikanten van elektromotoren minimaal voldoen aan het IE2 niveau. D.w.z. voorraad bij machinehandel e.d. mag nog verkocht worden, maar nieuwe productie van elektromotoren mag dan niet meer in efficiëntie 1/2/3.(Oude normering) Vanaf 1 januari 2015 moeten elektromotoren met een vermogen van 7,5kW tot 375kW (2-, 4- en 6-polig) minimaal voldoen aan IE3 niveau of IE2 in combinatie met een frequentieomvormer. Vanaf 1 januari 2017 moeten elektromotoren met een vermogen van 0,75kW tot 375kW minimaal voldoen aan IE3 niveau of IE2 in combinatie met een frequentieomvormer. Concreet houd dit in dat alle motorenfabrikanten dienen te optimaliseren, dit gebeurt o.a. d.m.v. hogere blikkwaliteit in stator en rotor, andere nemen weer koperrotorstaven maar ook een kleinere luchtspleet kan dit realiseren waardoor de motoren mechanisch hoogwaardiger worden. Dit kan een hogere aanschafprijs geven. Verwachting is 10-20% duurder, dit wordt echter snel terugverdiend door een lagere energierekening. (ErP= Energyrelated Product) 4
Welke motoren vallen onder de ErP richtlijn? De IE-classificering is vastgelegd in de standaard IEC 60034-30-1:2014 (opvolger van de versie uit 2008). Zie bijlage I voor een specificatie van de IE-klassen en rendementen naar motorvermogen. Voor de elektromotor in de Richtlijn geldt de volgende definitie: Een elektrische driefase kooianker-motor van 50 Hz of 50/60 Hz met vast toerental die: 2, 4 of 6 polen heeft; een nominale spanning Un tot 1000 V heeft; een nominaal vermogen Pn tussen 0,75 kw en 375 kw heeft; wordt beoordeeld op basis van continubedrijf. 5
Welke motoren vallen NIET onder de ErP richtlijn? De ErP-richtlijn geldt niet voor motoren die: ontworpen zijn voor omgevingen met explosiegevaar (ATEX); er zijn echter wel IE2- en IE3-motoren leverbaar die aan de ATEX-richtlijn voldoen. ingezet worden bij een omgevingstemperatuur boven de 60 ºC en/of maximum bedrijfstemperatuur van meer dan 400 ºC. ingezet worden in zeer koude omgevingen: bij een omgevingstemperatuur onder de -30 ºC (voor alle motoren), of van minder dan 0 ºC (voor watergekoelde motoren). watergekoeld zijn met een ingangstemperatuur lager dan 0 ºC of hoger dan 32 ºC. ingezet worden in een omgeving hoger dan 4.000 meter boven de zeespiegel. ontworpen zijn om ondergedompeld in een vloeistof te werken. de functie van remmotor hebben. volledig in een ander product geïntegreerd zijn en waarvan de efficiëntie niet afzonderlijk bepaald kan worden. 6
Wat is het verschil tussen IE3 en IE2 motoren? Rendement (%) IE4 Super-Premium Efficiëntie IE3 Premium efficiënte IE2 Hoge efficiëntie IE1 Standaard efficiëntie 0,75 kw 2017 7,5 kw 2015 Motorvermogen (kw) Bron: Rijksdienst voor Ondernemend Nederland 7
Wat is het verschil tussen IE3 en IE2 motoren? Dikkere wikkelingen in de stator reduceren de ohmse weerstand en daarmee de stroom-warmteverliezen. Dit is een belangrijke maatregel voor hogere efficiëntie. Dunner blik verkleint de wervelstroomverliezen Langere stator zorgt voor een lagere magnetische flux dichtheid en dus lagere warmteverliezen in het ijzer. Bovendien kan meer warmte worden afgevoerd via de behuizing. Dikkere rotorstaven en kortsluitringen reduceren de ohmse weerstand en daarmee de stroomwarmteverliezen in de rotor. Geoptimaliseerde vleugelvorm van de koelvin zorgt voor meer koellucht en is energieefficiënter. Nauwkeurigere blikpakketten reduceren de magnetische strooiverliezen en bieden meer plaats voor de statorwikkelingen. Hoogwaardig blikmateriaal reduceert de hystereseverliezen. 8
Wat zijn de gevolgen bij het toepassen van een IE3 motor? De nominale stroom van IE3 motoren is lager en ze verbruiken bij constant vermogen minder energie. Gevolg is minder energieverbruik en daarmee een lagere energierekening. IE3 motoren zijn inductiever, omdat de ohmse weerstand geringer is. Pv = I²R, dus de inschakelstroom is inductiever en hoger! Gevolg is kans op inbranden van magneetschakelaarcontacten. Voortijdig afschakelen motorbeveiliging. De mechanische afmetingen kunnen veranderen! Constructie moet eventueel aangepast worden. Door geringere slip is toerental ook iets hoger! Indien nodig mechanisch of via regelaars de snelheid aanpassen. 9
Starten van motoren Er zijn diverse manieren om een motor te starten. Direct online starter Ster driehoek starter Soft starter Frequentieregelaars De methode hangt af van de applicatie. 10
Direct online motor starter (DOL) Koppel Max. koppel haalbaar Mechanische schok bij opstarten Aanloopstroom Hoge startstroom (typische waarden: 6.12 Inom bij IE2) Hoge startstroom (typische waarden: 10.15 Inom bij IE3) Geen variabele snelheid Type motor Standaard asynchroon motor IE3 Geen IE2 (volgens. ErP directive) Geen PM motor (Permanent Magneet) 11
Ster-driehoek starter Koppel 1/3 Koppel in vergelijk met direct starter Gereduceerde mechanische schok tijdens start, ook tijdens overschakelen. Aanloopstroom Gereduceerde startstroom (typische waarden: 1,3.6 Ie IE2) Gereduceerde startstroom (typische waarden: 2,2.9 Ie IE3) Geen variabele snelheid Type motor Standaard asynchroon motor IE3 Geen IE2 (volgens. ErP directive) Geen PM motor 12
Softstarter Koppel Gereduceerd koppel in vergelijk met direct starter Geen schok tijdens start Aanloopstroom Gereduceerde startstroom (typische waarden: 2.6 Ie IE2) Gereduceerde startstroom (typische waarden: 3.9 Ie IE3) Geen variabele snelheid Type motor Standaard asynchroon motor IE3 Geen IE2 (volgens. ErP directive) Geen PM motor Start Stop L1 L2 L3 DM / DS 13
Drive Koppel Volledig koppel beschikbaar Geen schok tijdens start Aanloopstroom Alleen nominale stroom voor nominaal koppel nodig Variabele snelheid mogelijk Type motor Standaard asynchroon motor IE2, IE3 en IE4 Servo motoren en PM motoren afhankelijk van type frequentieregelaar 14
Korte samenvatting Direct Online Starters Ster Driehoek Starters Soft Starters Drives (VSDs) Koppel max mechanische schok gereduceerde (1/3) schok tijdens overschakelen gereduceerde of geen mechanische schok (meer dan) nominaal koppel Aanloopstroom Hoog gereduceerd gereduceerd nom. stroom Variabele snelheid Nee Nee Nee Ja Motoren IE2* Nee Nee Nee Ja Motoren IE3, IE4 Ja Ja Ja Ja PM Motors Nee Nee Nee Ja** * Na overgangsperiode ERP ** Afhankelijk van type VSD (Variable Speed Drive) prijs 15
Kiezen van de juiste motor IE2/3/4-motoren hebben afwijkende bouwvormen (langer, andere diameter). De aansluitmaten (as-hoogte, voetplaatcentrering, kabelaansluiting e.d.) van IE2/3/4-motoren komen doorgaans wel overeen met die van oudere motoren. Wordt de motor frequentiegeregeld, dan moet de nieuwe motor expliciet geschikt zijn voor (het type) frequentieregelaar. Om resonantie te voorkomen, moet de kritische frequenties boven het regelbereik van de frequentieomvormer zitten. Let ook op smering, snelheidsbegrenzing, en de materiaalmoeheid die optreedt door versnellen en vertragen. Let op het belastingpatroon van de motor: motoren met een beter efficiëntielabel zijn niet in alle bedrijfssituaties daadwerkelijk efficiënter. De hogere efficiëntie van IE3 en IE4 motoren komt pas in voortdurend bedrijf bij een constant toerental naar voren. In het algemeen is IE2 een betere optie voor motoren die minder dan 2.000 uur per jaar draaien en/of vaak moeten opstarten en stoppen. Bij IE3 of IE4 motoren ligt het toerental bij nominaal vermogen iets hoger dan bij motoren met IE2 of lagere efficiencyklasse. Door de hogere snelheid neemt ook het energieverbruik toe, en zonder maatregelen verdwijnt een deel van de beoogde efficiency winst. Dit kan gecompenseerd worden door de overbrengingsverhouding aan te passen, of door de frequentieregelaar goed in te regelen, of in geval van het tegelijk vervangen van een pomp of ventilator, deze anders te dimensioneren. (bij ventilatoren en pompen neemt het koppel kwadratisch toe met toename van de snelheid) Bron: Rijksdienst voor Ondernemend Nederland 16
Welke magneetschakelaars zijn geschikt voor IE3 motoren? Motoraanloop Direct Ia <60 A < Ie =7,5 A / 5,2 kva Direct aanloop in NIET openbaar netwerk (Bij sommige openbare netwerken mag >4kW niet direct op het net inschakelen) Ster/driehoek, softstarter, frequentieregelaar Motor-vermogen kw 3 4 5,5 7,5 11 15 18,5 22 30 37 45 55 75 90 Motorstroom A 7 9 12 15,5 17 25 32 38 40 50 65 72 80 95 115 150 170 DILE AC DILEEM DILEM DILEM12 Mini magneet - schakelaar DC DILEEM DILEM DILEM12 FS 1 AC DILM7 DILM9 DILM12 DILM15 DC DILM7 DILM9 DILM12 DILM15 FS 2 AC DILM17 DILM25 DILM32 DILM38 DC DILM17 DILM25 DILM32 DILM38 FS 3 AC DILM40 DILM50 DILM65 DILM72 DC DILM40 DILM50 DILM65 DILM72 FS 4 AC DILM80 DILM95 DILM115 DILM150 DILM170 DC DILM80 DILM95 DILM115 DILM150 DILM170 = IE3 gereed = Zijn per 1 januari 2015 geschikt voor IE3 17
Wat zijn de gevolgen voor de motorbeveiligingen? Inrush / 2= Ieffectief, 239/1,414= 169 A PKZM0-12 tript op kortsluiting bij stromen groter dan 14xInom= 14x12=168A 18
Wat zijn de gevolgen voor de motorbeveiligingen? PKZM0, PKZM01, PKZ4 Afschakelcurve PKZM0-.. De stroom bij motoraanloop en de aanlooppiekstroom ligt onder de afschakelcurve Motorstroom In het gebied van de startstroom moet ook met de mogelijke toleranties van de magnetische afschakelspoel rekening worden gehouden. Afhankelijk van de tolerantie kan er ongewenst afgeschakeld worden. Verhogen van de kortsluitafschakelstroom van 14 x Inom naar 15,5 x Inom. 19
Waarom van 14 x Inom naar 15,5 x Inom en niet naar 20 x Inom? Eaton heeft in haar pakket ook een PKZM0-..-T. Deze is speciaal geschikt voor transformatoren. Deze heeft een kortsluitafschakelcurve van 20xInom. Dit i.v.m. de inrush van transformatoren. Toch wordt dit niet de vervanger van de huidige PKZM serie. Dit heeft o.a. Te maken met de maximale motorkabellengte. Lmax = Un x A 2 x ρ x Ik x Inom PKZ Lmax = de maximale lengte (m) A = de doorsnede van de geleider (mm2) Un = de nominale netspanning (V) ρ = de soortelijke weerstand van koper (Ωm (bij 100 : 0,0235)) Ik = aantal keer de fase-nul/aarde kortsluitstroom waarbij uitschakeling optreedt Inom = Inom van de PKZ 20
Waarom van 14 x Inom naar 15,5 x Inom en niet naar 20 x Inom? Lmax = Un x A 2 x ρ x Ik x Inom PKZ Lmax = 43,69 A = 1,5 Un = 230 ρ = 0,0235 Ik = 14 Inom = 12 Lmax = 39,46 A = 1,5 Un = 230 ρ = 0,0235 Ik = 15,5 Inom = 12 Lmax = 30,59 A = 1,5 Un = 230 ρ = 0,0235 Ik = 20 Inom = 12 21
Eaton is klaar voor IE3 Vanaf 1 december 2014 zijn de volgende apparaten aangepast aan de nieuwe IE3 motoren: DIL tot en met 150A PKE12, PKE 32 en PKE65 PKZM0, PKZM01, PKZM4 Typenummers en artikelnummers veranderen niet! Op de verpakking wordt aangegeven geschikt voor IE3 motoren! 22
Energie efficiëntie Iedereen will energie besparen vanwege het broeikas effect en afnemende energiebronnen Europese wetgeving definieert nieuwe energie efficiëntie eisen. Dit leid tot modificaties van huidige producten en uitfasering van inefficiënte producten. Denk niet alleen wat de additionele kosten zijn, maar wat de voordelen zijn en de besparingen 23
Energie efficiëntie De belasting van het aandrijfsysteem (de koppel- toerenkarakteristiek) is bepalend voor de mogelijkheden voor frequentieregeling en andere regelingen. Zo wordt bij stromingsmachines de overcapaciteit vaak met een regelklep gesmoord, waardoor veel energie verloren gaat. Frequentieregeling is dan een efficiënter alternatief: met het aanpassen van het toerental draait de motor niet harder dan op dat moment noodzakelijk. Afhankelijk van het proces kan dit grote besparingen opleveren. De tabel hiernaast geeft per type koppel-toerenkarakteristiek voorbeelden van toepassingen en van mogelijke besparingen qua regeling en besparingspercentage. Koppel karakteristiek Toepassingen Energiebesparingsmogelijkheden Besparing Variabel koppel Koppel is gelijk aan kwadraat van snelheid a) 20-50% b) 30-70% Constant koppel Koppel is constant bij elke snelheid Constant vermogen Koppel is omgekeerd evenredig met de snelheid Stromingsmachines voor a) vloeistoffen met lage statische druk, zoals centrifugaalpompen voor procesvloeistoffen, verwarmingsinstallaties en koelinstallaties. b) gassen met lage statische druk, zoals ventilatoren voor koeltorens, luchtbehandelingsinstallaties en koelinstallaties Transportbanden, en verdringerpompen en compressoren in systemen met hoge statische druk, zoals persluchtsystemen en ketelwatervoedingssystemen Persen, draaibanken, zaagmachines, tools Lagere snelheid geeft aanzienlijke energiebesparing omdat het koppel kwadratisch afneemt met de snelheid, en uitschakelen bij nullast bedrijf. Lagere snelheid geeft energiebesparing evenredig met de snelheidsafname, en uitschakelen bij nullast bedrijf. Geen energiebesparing bij lagere snelheden. Echter: besparingen mogelijk door toepassen optimale snelheden voor het te produceren onderdeel; en uitschakelen bij nullast bedrijf. 10-25% 10-100% Bron:Rijksdienst voor Ondernemend Nederland 24
Pompsysteem In een pompsysteem is een variable flow gewenst Variatie in deze flow kan worden bereikt door: Een motor met constant toerental nemen en de flow met kleppen te regelen Inzet van een frequentieregelaar die de snelheid van de pomp aanpast aan de gewenste flow Typische cyclus van een pompsysteem: 100 % flow in 6 % van de tijd 75 % flow in 15 % van de tijd 50 % flow in 35 % van de tijd 25 % flow in 44 % van de tijd 25
Pompsysteem met een kleppen regeling 1= Pompcurve 2= Systeemcurve 3= Systeemcurve met klep 4= Pompcurve bij lage snelheid Pompverliezen (zonder eddy verliezen) Vl Klep verliezen Vt Pijp verliezen Vp Flow regeling door gebruik van kleppen Grote verliezen in de klep Lage efficiëntie Systeem output Bron: ZVEI 26
Pompsysteem meet snelheidsregeling 1= Pompcurve 2= Systeemcurve 3= Systeemcurve met klep 4= Pompcurve bij lage snelheid Pompverliezen (zonder eddy verliezen) Vl Klep verliezen Vt Pijp verliezen Vp Systeem output Flow regeling met frequentieregelaar Bron: ZVEI Grote reductie van verliezen = energie besparing 27
Vergelijk energie verbruik klepregeling versus snelheidsregeling Bron: ZVEI 28
Eaton s software tool Downloaden via: www.eaton.nl/tools 29
Eaton Energy Savings Estimator 0,75 kw motor 30
Eaton Energy Savings Estimator 0,75 kw motor Uitgaande van 0,05 per kwh 31
Eaton Energy Savings Estimator 7,5 kw motor Uitgaande van 0,05 per kwh 32
Eaton Energy Savings Estimator 7,5 kw motor Uitgaande van 0,05 per kwh 33
Frequentieregelaar overzicht PowerXL TM Frequentieregelaars DC1 Compact Machines DA1 Advanced Machines 11 kw / 400 V FS 1 3 250 kw / 400 V FS 2 8 34
DE1 nieuw in de PowerXL familie PowerXL DE1 Variabele Speed Starter De stap tussen motorstarter en frequentieregelaar Uiterlijk en gedrag als een motorstarter Mogelijkheden van een frequentieregelaar De eenvoudigste weg naar een variabel toerental 35
Frequentieregelaar overzicht PowerXL TM DE1 Variabele Speed Starter Frame size 1 Frame size 2 0,25.. 1,5kW 1~ 230 V 0,37.. 1,5kW 3~ 400 V 2,2 kw 1~ 230 V 2,2.. 7,5kW 3~ 400 V FS1 = 45 x 231 mm FS2 = 90 x 230 mm 36
37