Schlüsselwörter
(Deutsch)
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TP0081;F-Elektrizitätstechnologien & -anwendung
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Effizienter Betrieb von Asynchronmotoren
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Verschiedene Untersuchungen, einige davon vom BFE initiiert und unterstützt, zeigen, dass die elektrischen Verluste in Motoren ein grosses Einsparpotential aufweisen. Der grösste Anteil der Verluste konnte Käfigläufer-Asynchronmotoren im mittleren Leistungsbereich zugeordnet werden. Vom ausgewiesenen Sparpotential kann wiederum der grösste Anteil durch die Verwendung von Frequenzumrichtern (FU) realisiert werden. Aber auch beim Betrieb mit einfachen FU werden die Maschinen noch nicht optimal betrieben: mit der optimalen Reduktion des Magnetisierungsstromes ist bei Teillast eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades möglich.
Die ersten Resultate der Arbeit geben Hinweise auf das vorhandene Potential. Genauer Daten werden ca. Ende Februar 2010 mit dem Abschluss des ersten Projektteils vorliegen.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Fachhochschule Nordwestschweiz, Institut für Aerosol- und Sensortechnik
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Beeli,Nick
Jenni,Felix
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Untersuchungen zeigen, dass die elektrischen Verluste in Motoren ein grosses Sparpotential aufweisen. Der grösste Anteil der Verluste kann Käfigläufer-Asynchronmotoren (ASM) im mittleren Leistungsbereich zugeordnet werden. Vom ausgewiesenen Sparpotential wiederum kann ein grosser Anteil mit der Verwendung von Frequenzumrichtern (FU) ausgeschöpft werden. Aber auch beim Betrieb mit FU werden die Maschinen noch nicht optimal betrieben: Mit einer geschickten Reduktion des Magnetisierungsstromes ist bei Teillast eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades möglich.
Die theoretischen Ermittlungen des Sparpotentials wurden ohne und mit Sättigung des Eisens durchgeführt. Das Verhalten der Maschinen in den verschiedenen Betriebsfällen wird mittels Simulationen beschrieben. Zwei Algorithmen zur Steuerung eines FUs wurden eingesetzt: Einer entsprechend einem typischen FU-Einsatz mit konstantem Fluss in der Maschine als Referenz und einer für Betrieb bei bestem Wirkungsgrad.
Die Ergebnisse zeigen, dass für alle ASM in der Schweiz zusammen im stationären Betrieb ein theoretisches Einsparpotential von bis zu 643 GWh, möglich ist, entsprechend 4% des gesamten elektrischen Verbrauchs der ASM in der Schweiz. Das entspräche bei einem Preis von 0.15 CHF/kWh einer Einsparung von etwa 95 Mio. CHF p.A. für die Kunden! An dieser Stelle muss aber betont werden, dass sich das Potential nur dort ausschöpfen lässt, wo die Motoren über Stromrichter gespeist werden.
FU mit Wirkungsgradoptimierung sind heute von einzelnen Herstellern erhältlich. Es interessiert, ob die Energieeinsparungen dieser FU den theoretisch möglichen Werten entsprechen. Dazu wurden drei FU von verschiedenen Herstellern ausgemessen. Es zeigte sich, dass die Optionen zur Energieeinsparung nur im stationären Betrieb wirksam sind und die Algorithmen für Drehmomente kleiner als 10% offenbar noch nicht optimiert sind. Der Grund dafür ist nicht klar, da die von den Herstellern verwendeten Algorithmen nicht bekannt sind (und auf Nachfrage auch nicht bekannt gegeben werden).
Vorwärtsgerichtet wäre es erstrebenswert, Verfahren zu haben, die in jedem Betriebspunkt, und auch bei dynamischen Vorgängen, immer einen optimalen Wirkungsgrad ergeben.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Fachhochschule Nordwestschweiz, Institut für Aerosol- und Sensortechnik
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Beeli,Nick
Jenni,Felix
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Research has shown that the reduction of energy losses in electrical machines offers an enormous saving potential. The largest share of these losses is represented by induction motors in the medium power range. A significant fraction of these losses could be minimized by using modern frequency converters instead of traditional drive systems. However, even when operated with converters, the efficiency of these machines is still not optimal: By implementing an intelligent control scheme which involves a reduction in the magnetizing current, a significant improvement in efficiency can be achieved.
Theoretical studies of the economical potential were conducted with and without the iron saturation taken into account. The behavior of the machines in the two cases of operation was described by numerical simulation. Two control algorithms that could be used in a converter have been developed: One utilizing a typical control methodology (constant flux in the machine as a reference) and another designed for optimal performance.
The results show that an economical potential of up to 643 GWh per year is possible in Switzerland for all asynchronous machines, which corresponds to 4% of the total power consumption of these machines in Switzerland. With a price of 0.15 CHF / kWh, this represents a saving of approximately 95 million CHF in savings potential. At this stage, it should be emphasized that this potential can be exploited provided that each machine is already equipped with a frequency converter.
Converters with optimized performance are available from select manufacturers. Further investigation was required to determine if the measured savings correspond to the theoretical results. Thus, three converters have been measured in the laboratory using a controlled experiment. It was found that these saving options are effective only for non-dynamic regimes and that the algorithms are not yet ideal for torques below 10% of nominal. The reason for these results are unclear, as the algorithms used are proprietary and not disclosed by the manufactures of the frequency converters.
In a subsequent investigation the methods employed in this study should be applied to determine the savings potential of these algorithms within the dynamic regimes of the systems.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Fachhochschule Nordwestschweiz, Institut für Aerosol- und Sensortechnik
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Beeli,Nick
Jenni,Felix
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Schlussbericht
(Französisch)
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Des recherches ont montré que la réduction des pertes électriques dans les moteurs présente un important potentiel d’économie. La plus grande part des pertes est due aux machines asynchrones (ASM) dans la gamme des moyennes puissances. Ces pertes ont pu être minimisées en majeure partie grâce à l’utilisation de convertisseurs de fréquence. Même lorsqu’on opère avec des convertisseurs, les machines ne fonctionnent encore pas de façon optimale. C’est pourquoi, en situation de régime non-dynamique, il est possible d’améliorer l’efficacité de la machine à l’aide d’une réduction intelligente du courant magnétisant.
Les études théoriques sur cette économie ont été réalisées avec et sans prise en compte de la saturation du fer. Le comportement des machines dans les différents cas de fonctionnement est décrit au moyen de simulations. Deux algorithmes de contrôle, que pourraient utiliser des convertisseurs, ont été développés: l’un correspondant à une commande typique (flux constant dans la machine comme référence) et un autre pour obtenir un rendement optimal.
Les résultats montrent qu’une économie allant jusqu’à 643 GWh par année est possible pour l’ensemble des machines asynchrones fonctionnant à régime non-dynamique en Suisse, ce qui correspond à 4% de la consommation électrique totale des ASM du pays. Avec un prix de 0.15 CHF / kWh, ceci représenterait un gain d’environ 95 millions CHF pour les clients! A ce stade, il convient de souligner, que ce potentiel peut s’exploiter à condition que chaque moteur soit équipé d’un convertisseur de fréquence.
Des convertisseurs avec optimisation du rendement sont aujourd’hui disponibles chez certains fabricants. Il est intéressant de vérifier si ces économies d’énergie correspondent aux résultats théoriques. C’est ainsi que trois de ces convertisseurs ont été mesurés. Il a été constaté que ces améliorations sont efficaces uniquement pour des régimes nondynamiques et que ces algorithmes ne sont pas encore optimaux pour des couples inférieurs à 10%. La raison n’est pas claire, car les algorithmes utilisés ne sont pas connus et impossibles à obtenir.
Il serait souhaitable de disposer d’une méthode recherchant le point optimal pour des processus dynamiques. Ceci pourrait se faire dans une prochaine étude.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Fachhochschule Nordwestschweiz, Institut für Aerosol- und Sensortechnik
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Beeli,Nick
Jenni,Felix
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