Lenze BlueGreen Solutions
Inteligentní koncepce šetří životní prostředí a snižují náklady
Lenze BlueGreen Solutions Nejnovější ekologické expertizy OSN ukazují, že energetická spotřeba průmyslových zemí, která je v současnosti uspokojována především spalováním fosilních paliv, má negativní vliv na světové klima.
2
Situace se zhoršuje v důsledku prudkého hospodářského vývoje relativně vyspělých rozvojových zemí. Pokud spotřeba na jednoho obyvatele v těchto oblastech světa stoupne na úroveň velkých ekonomických národů, brzy dojde k vyčerpání primárních zdrojů energie. Z těchto důvodů je nezbytně nutné snižovat spotřebu zdrojů tím, že budeme hledat alternativní způsoby výroby energie a současně výrazně efektivněji využívat stávající energii. Jen tím lze snižovat ekologickou zátěž a zároveň udržet dosaženou úroveň výroby a blahobytu. Všechny průmyslové země si proto stanovily ambiciózní cíle pro snížení emisí CO2.
ekologické řešení
Význam elektrických pohonů Téměř polovinu vyrobené elektrické energie spotřebuje v Německu průmysl. Zhruba dvě třetiny této spotřeby připadají na elektrické pohony. Stěží bychom našli oblast výrobního procesu, automatizované přepravy materiálu nebo tovární infrastruktury, která by se obešla bez elektrických pohonů. Elektrické pohony představují na základě vysokého podílu na celkové spotřebě a širokého spektra svého využití v průmyslu také nejúčinnější prostředek ke snižování energetické náročnosti. Prostřednictvím inteligentních řešení lze dosáhnout poklesu spotřeby o více než 20 %. Lepší využívání energie je synonymem nižší zátěže pro životní prostředí, ochrany zdrojů a snižování energetických nákladů při stejné produktivitě. Tím je možné dosáhnout stejného výrobního výsledku s využitím značně menšího množství elektrické energie.
Úspora energie je dnes, a bude i v budoucnu, jednou z největších výzev. Lenze tuto odpovědnost přijímá. Ukážeme Vám, jak je možné prostřednictvím pohonů šetřit energii – například pomocí Lenze BlueGreen Solutions.
3
Přeměna energie
měnič
4
motor
prostřednictvím pohonných systémů
převodovka
proces
Výchozí body pro úsporu energie Při energetickém hodnocení by měl být brán v úvahu vždy celý pohonný systém složený z měniče, motoru a převodovky, neboť celková účinnost určuje, jaké množství elektrické energie je nutné použít pro potřebu daného procesu. Často se zaměřujeme na zvýšení účinnosti elektromotoru, ačkoli se větší úspory dá v mnoha případech dosáhnout optimálním přizpůsobením pohonu pracovnímu procesu. Ve speciálních aplikacích je navíc možné přeměnit i brzdnou energii na elektrickou místo toho, aby byla jako odpadní teplo vyzářena do okolního prostředí.
Celkové množství je rozhodující V průmyslu jsou používány pohony s výkonem od 100 wattů až po několik megawattů. V technologických zařízeních převažují pohony s velkým výkonem. Ve výrobních linkách a v logistických centrech se naopak používají pohony spíše s menším výkonem, zato však ve velkém počtu. V typické automobilové výrobě lze najít několik desítek tisíc pohonů a v logistických centrech je nezřídka instalováno několik tisíc pohonů. Průměrný průmyslový podnik má většinou několik stovek pohonů, které vykonávají svou práci ve strojích a procesech. Tato čísla vysvětlují, proč by se měl v úvahách zohlednit každý pohon. I pohony, které samy o sobě spotřebují málo energie, mohou značně přispět k celkové spotřebě energie, pokud jsou nasazeny ve velkém počtu.
˘ úspora 27 mld. kWh ročně
146 mld. kWh současný stav
119 mld. kWh
˘ úspora 15 mil. t CO2 ročně
řešení na úsporu energie
Spotřeba elektrických pohonů v Německu
potřeba energie = 100 %
Pztráta
Pztráta
potřeba energie = 67 % potřeba pro proces
Pmech h = 50 %
Pmech h = 75 %
Zdroj ZVEI
Díky vyšší energetické účinnosti lze minimalizovat ztráty.
Tři způsoby
jak zvýšit energetickou účinnost
Pohony s vysokou energetickou účinností Existuje celá řada parametrů, které určují energetickou účinnost pohonů. Stejně tak početné jsou i možnosti pro zvýšení energetické účinnosti. Ne u každého opatření jsou však náklady a výsledek ve vyváženém poměru. To, která opatření jsou v konkrétním případě efektivní a tím účelná, ukáže až analýza mechanického procesu a jeho energetických nároků.
Podíl na potenciálu úspor Zvýšení energetické účinnosti pohonů se řídí třemi zásadami: 1. Inteligentní využívání elektrické energie 2. Přeměna energie s vysokou účinností 3. Využití brzdné energie
1
2
3
5
75 %
1. Inteligentní využívání elektrické energie: tak málo, jak je jen nutné
2. Přeměna energie s vysokou účinností
15 %
3. Využití brzdné energie
Koncepce s vysokou energetickou účinností (používat): ˘ dimenzování podle skutečné potřeby ˘ regulovaný provoz (měnič frekvence) ˘ energeticky efektivní průběh pohybu a regulace
˘ komponenty s vysokou účinností (motory, převodovky)
˘ výměna energie mezi několika pohony ˘ dočasná akumulace brzdné energie ˘ rekuperace brzdné energie
Koncepce s nízkou energetickou účinností (eliminovat): ˘ předimenzování ˘ neregulovaný provoz
˘ komponenty s nízkou účinností
10 %
˘ použití brzdného odporu
Elektrická energie
inteligentní využívání
Pro efektivní využívání vložené energie se musí mechanický výkon, odevzdávaný elektrickým pohonem, řídit skutečnou potřebou dané aplikace. Přitom je nutné zohlednit jak maximální potřebný výkon, tak i výkyvy v provozu.
6
Inteligentní zásobování energií, které se řídí podle potřeby, proto vyžaduje: ˘ dimenzování pohonů podle maximálního potřebného mechanického výkonu, ˘ přizpůsobení odevzdávaného mechanického výkonu momentální potřebě, která u mnoha aplikací podléhá značným výkyvům.
Typické účinnosti pohonné větve při rozdílném částečném zatížení: ˘ při 0,75 · PN: =45 % ˘ při 0,3 · PN: =45 %
h h
Přesné dimenzování Optimální účinnost pohonných systémů se většinou nachází v úzké oblasti kolem jmenovitého výkonu. Přesto je ale mnoho pohonů „pro jistotu" předimenzováno. Následkem toho je pohon provozován evidentně pod jmenovitým výkonem a účinnost tak silně klesá. Protože předimenzování znamená i vyšší pořizovací náklady, vyplatí se vždy jako první opatření ke zvýšení energetické účinnosti orientovat pohony přesně podle maximálního potřebného mechanického výkonu daného zařízení. Pomocí Drive Solution Designer od společnosti Lenze a jeho možnosti vyhodnocování energetické účinnosti lze zvolit takový pohonný systém, aby přesně odpovídal potřebám aplikace. To se odrazí v nižších pořizovacích nákladech a menší spotřebě energie.
Regulovaný pohon U téměř každého mechanického procesu se potřeba výkonu mění. Zvlášť zřejmé to je u chladicích a topných zařízení, kde výkon čerpadel a ventilátorů závisí na momentální teplotě okolí. Velké výkyvy potřebného přepravního výkonu se vyskytují také v dopravní technice, jestliže se nepřepravuje rovnoměrně konstantní množství materiálu.
Energeticky účinná regulace pohonu a řízení pohybů Optimalizace pracovního bodu U procesů, které jsou spíše statické, může nastavení pracovního bodu motoru podle skutečného zatížení minimalizovat ztráty. Zvláště v provozu s částečným zatížením standardních asynchronních motorů se přizpůsobením napětí motoru prostřednictvím měniče frekvence výrazně zvýší jeho účinnost. Energeticky efektivní profily pohybů Dynamické průběhy pohybů je možné navrhnout tak, aby energetická účinnost byla co nejvyšší. Například mnoho procesů s polohováním nevyžaduje vždy maximální zrychlení a zpomalení. Přizpůsobení dynamice, která je skutečně potřebná, značně snižuje ztráty v motoru.
Pro dosažení vyšší účinnosti musí být odevzdávaný výkon motoru přizpůsoben této rozdílné potřebě. K tomu slouží měnič frekvence, jehož pomocí je možné měnit otáčky motoru a tím odevzdávaný výkon součin otáček a točivého momentu. V téměř všech aplikacích může být prostřednictvím měniče energetická účinnost značně zvýšena. U čerpadel a ventilátorů jsou obvyklé úspory až 60 %.
7
Využití energie v aplikacích s polohováním s
s
v
v a
a
100 % amax
50 % amax
- 30 %
Snížení ztrátového výkonu motoru 100 % amax
50 % amax
Diagnostika prostřednictvím měniče Měniče v regulovaných pohonech registrují stav pohonu. To je možné využít k preventivní údržbě a konstruktér může při jeho dimenzování snížit bezpečnostní rezervy.
Přeměna energie
s vysokou účinností
Účinnost pohonných komponentů Měniče frekvence Měniče dnes dosahují vysoké účinnosti 94 až 97%. Standardní asynchronní motory Nejčastěji používané asynchronní motory jsou nabízeny v různých třídách účinnosti. Od roku 2011 se v EU budou smět používat už jen motory od třídy účinnosti IE2. Motory třídy IE1, které jsou ještě dnes nejčastěji používány, již nebude povoleno nasazovat do nových instalací.
Synchronní motor místo asynchronního Regulované pohony s asynchronními motory mohou být realizovány v podstatě i se synchronními motory. Protože v případě trvale vybuzeného synchronního motoru není magnetizace motoru vytvářena dodávaným jalovým proudem, ale permanentními magnety, je proud motoru nižší. To vede k lepší účinnosti než u výkonově odpovídajících asynchronních motorů. Potřeba energie v případě typických aplikací s polohováním klesne celkem o 30 %.
8 Motory třídy účinnosti IE3 jsou při stejném výkonu zřetelně větší a tím i dražší, než motory třídy IE2. Jejich nasazení je tedy účelné jen tam, kde budou provozovány trvale při jmenovitých otáčkách a vysokém zatížení. Ve většině případů použití je nejlepším řešením pro dosažení vyšší energetické účinnosti nasazení měniče frekvence, který dokáže přizpůsobit výstupní výkon pohonu dané aplikaci.
Účinnost v % 100 95 90 85 80 75 70 1
10 výkon motoru v kW
třída účinnosti IE3 třída účinnosti IE2 (dosud EFF1) třída účinnosti IE1 (dosud EFF2) IE1...3: třídy účinnosti podle IEC60034-30
100
Potřeba energie: -30 %
˘
Nižší proud motoru ale znamená současně i to, že v měniči vznikne méně ztrátového výkonu. Případně lze zvolit menší měnič, čímž se dále zvýší celková účinnost pohonu. Proto se vyplatí v případě jakéhokoli použití s regulovaným pohonem zkontrolovat, zda by nebylo lepším řešením použít synchronní motor se zlepšenou energetickou účinností.
Energeticky účinné převodovky Převodovky přizpůsobují vysoké otáčky motoru mechanickému procesu. Nejčastěji se přitom používá převodový poměr cca 20. To je možné realizovat prostřednictvím dvoustupňových čelních převodovek, které mají velmi vysokou účinnost.
Mechanické prvky s vysokou energetickou účinností Pohonná větev zpravidla obsahuje pasivní pohonné prvky jako spojky, ložiska, řemenové převody, vedení, jakož i lineární a nelineární přenosové prvky. I zde je často k dispozici více alternativ s různou účinností. Důležité je zejména co nejnižší tření.
Jako úhlové převodovky se používají šnekové a kuželové převodovky. Zatímco šnekové převodovky obecně produkují vysoké ztráty, nabízejí kuželové převodovky dobrou účinnost.
Optimálně nastavené předpětí při montáži zabraňuje zvýšenému zatěžování a špatné účinnosti.
Dodatečného zvýšení účinnosti se dosáhne tehdy, jestliže může být díky vyšší účinnosti převodovky použit měnič nebo motor s nižším výkonem.
Nahrazení fluidních pohonů elektrickými Pneumatické a hydraulické pohony jsou známy svou porovnatelně nižší účinností. Navíc je tlakový vzduch drahý a hydraulický olej ohrožuje životní prostředí. Díky pokrokům elektrické pohonné techniky lze těmto problémům v mnoha případech zabránit nahrazením fluidních pohonů pohony elektrickými a přitom současně šetřit energii.
Účinnost h
100 % 80 % 60 %
i=20
převodový poměr
kuželové soukolí šnekové soukolí
Asynchronní motor třídy energetické účinnosti IE1 se šnekovou převodovkou
Asynchronní motor třídy energetické účinnosti IE2 s kuželovou převodovkou
výkon na hřídeli
0,8 kW
0,8 kW
h převodovka h motor h celkem
72%
95%
78%
81%
56%
77%
potřebný výkon motoru
1,5 kW
1,1 kW
pořizovací náklady
500 €
530 €
náklady na elektrickou energii p. a.
490 €
360 €
celkové náklady - 3 roky
1.970 €
1.610 €
celkové náklady - 3 roky
100%
82%
amortizace
za méně než tři měsíce
9
Brzdná energie Brzdná energie V mnoha aplikacích, kde se používají elektrické pohony, je potřeba často zrychlovat resp. zpomalovat. Při zrychlování či zvedání se elektrická energie mění v energii kinetickou či potenciální, která je při brzdění resp. spouštění částečně dodávána zpět.
10
Tato zpětně dodávaná energie je dnes často pomocí brzdného odporu přeměňována v teplo, a tak se bez užitku ztrácí. V různých aplikacích se ale vyplatí tuto brzdnou energii znovu využít. To vede rovněž ke zvýšení energetické účinnosti.
využití
Generátorický provoz s brzdným odporem PR, brzda
~
síť
¯
˙ PV, WR =
=
3~
˙ PV, mot
Pmech
M 3~
~
Generátorický provoz s rekuperací energie do sítě
Pel, síť
¯
síť
3~
~
˙
PV, GR
možn. rekuperace
˙
PV, WR
= ~
=
˙
Pmech PV, mot
M 3~
Pohonná řešení
Typické scénáře zpracování zpětně dodávané energie
Množství zpět dodávané energie
Opatření
pohony dopravních zařízení
brzdná energie se spotřebovává v motoru
~0
žádné
pohony pojezdů
pravidelné brzdění, ale velmi vzácná rekuperace
malé
brzdný odpor, příp. DC propojení
pohony zdvihů
generátorický provoz po delší dobu při spouštění
vysoké
rekuperace do sítě, příp. DC propojení
pohony pro polohování
dynamický generátorický provoz, vysoký počet cyklů
střední
DC propojení, příp. rekuperace do sítě
koordinované pohony
současný výskyt motorického a generátorického provozu
střední
DC propojení
synchronní pohony
sporadický generátorický provoz při brzdění, částečně kontinuální brzdný provoz
malé, střední
brzdný odpor, DC propojení při brzdném provozu
pohony navíjení
stálé brzdění (generátorický provoz) při odvíjení
vysoké
DC propojení, rekuperace do sítě
pohony pracující v cyklech
dynamické střídání motorického a generátorického provozu s vysokým počtem cyklů
střední až vysoké
kondenzátorová akumulace, DC propojení, příp. rekuperace do sítě
pohony elektronických vaček
dynamické střídání motorického a generátorického provozu s vysokým počtem cyklů
střední až vysoké
kondenzátorová akumulace, DC propojení
pohony pro tvářecí procesy
u procesů pracujících v cyklech: dynamické střídání motorického a generátorického provozu
střední až vysoké
příp. rekuperace do sítě
hlavní pohony a pohony nástrojů
kontinuální provoz, sporadické brzdění
malé
brzdný odpor, příp. rekuperace do sítě
pohony čerpadel a ventilátorů
brzdná energie se spotřebovává v motoru pohon může volně doběhnout
~0
žádné
Výměna energie mezi 2 pohony
Pmech generátorický
PV, WR síť
~
PV, mot
=
3~
=
~
M 3~ Pmech motorický
PV, WR
PV, mot
= ~
M 3~
Akumulace energie v kondenzátoru Pmech
dodatečný kondenzátor
síť
3~
PV, WR
~
PV, mot
= =
~
M 3~
Způsoby využití brzdné energie Rekuperace energie do sítě Většina měničů nedokáže vrátit energii do sítě, neboť to znamená vyšší náklady a navíc to v mnoha případech není potřeba. Pokud je vrácení energie do sítě účelné, musí být k napěťovému meziobvodu jednoho nebo více měničů připojena dodatečná rekuperační jednotka. Použití rekuperační jednotky může být ekonomicky účelné, pokud hnací výkon přesahuje 5 kW. Výměna energie mezi pohony V mnoha aplikacích s brzdným výkonem, který stojí za pozornost, pracují další pohony současně motoricky. Příkladem jsou synchronní pohony a odvíječky nepřetržitě pracujících výrobních linek. Zde je účelné vzájemně propojit napěťové meziobvody měničů (DC propojení) a tím umožnit
přímou výměnu energie. DC propojení meziobvodů lze využít i ke společnému používání centrální rekuperační jednotky pro několik pohonů a tím šetřit náklady. Akumulace energie v kondenzátoru Další možností, jak využívat brzdnou energii, je její akumulace v kondenzátoru, který ji opět vydá při dalším zrychlování nebo zvedání. V porovnání s rekuperační jednotkou jsou náklady nižší, kapacita kondenzátoru je však omezená. V současné době se tato akumulace energie ekonomicky vyplatí u pohonů pracujících v rychlých taktech. Příklad Dnes se akumulace energie částečně používá u pohonů příčných řezaček. Ty musí až desetkrát za sekundu zrychlit a zbrzdit nožový válec. Při každém řezu může energie oscilovat sem a tam mezi rotujícím nožem (kinetická energie) a kondenzátorem (elektrický náboj). Výkon odebíraný ze sítě se sníží minimálně o 50 %.
11
Life-Cycle-Costs pořizovací náklady + 20%
průběžné náklady na energii - 33% ročně
celková ekonomičnost Přesto se posuzování LCC provádí v případě pohonů jen zřídka. Důvodem je, že pro výrobce strojů je v tvrdé konkurenci často obtížné prodat energeticky účinnější, ale z hlediska pořizovacích nákladů dražší stroj. Vzhledem ke stoupajícím nákladům za energii budou ale provozovatelé strojů v budoucnosti stále častěji zahrnovat provozní náklady do svého rozhodování o koupi a očekávat od dodavatelů příslušné informace.
režijní náklady
po 3 letech
investice
12
1. rok
konvenční pohony energeticky účinné pohonné systémy
2. rok
3. rok
4. rok
Energetické náklady u pohonných systémů se vyrovnají pořizovacím nákladům často již po čtyřech letech. Pořízení energeticky účinných pohonných systémů je často dražší než pořízení konvenčních pohonů. Vícenáklady se ale na základě dosažených energetických úspor amortizují většinou za několik málo let. Celková ekonomičnost pohonného systému může být tedy hodnocena jen v rámci uvažovaných nákladů po dobu životního cyklu (LCC posouzení). To není nic neobvyklého a již dlouho to patří k nástrojům podnikové ekonomiky.
Náklady na údržbu
Lenze může výrobcům strojů pomoci při výběru pohonů, které závažným způsobem ovlivňují energetickou spotřebu strojů. Tento druh spolupráce provozovatele, výrobce strojů a dodavatele pohonů tvoří základ pro realizaci koncepcí pro optimalizaci nákladů na životní cyklus a tím i energetické účinnosti.
Náklady na likvidaci
LCC Náklady po dobu životního cyklu
Pořizovací náklady Náklady na pohonné komponenty
Provozní náklady Průběžné náklady na energii
Minimalizace nákladů na životní cyklus
Pohonná řešení
klíč k energetické účinnosti
Dvanáct pohonných řešení Ačkoli se elektrické pohony mohou podle oblasti používání značně lišit v konfiguraci, provedení a výkonu, je možné je zařadit mezi dvanáct základních aplikací.
Jako rozlišovací kritéria zde kromě funkčnosti slouží druh a způsob, jak je elektrická energie používána a přeměňována na mechanickou energii. Těchto dvanáct pohonných řešení se tedy nabízí i jako výchozí základna pro hodnocení a zlepšování energetické účinnosti elektrických pohonů. Podrobný popis těchto dvanácti pohonných aplikací je obsažen v prospektu „Pohonná řešení“ a také v knize „Pohonná řešení mechatronika pro výrobu a logistiku“ („Antriebslösungen – Mechatronik für Produktion und Logistik“, ISBN 978-3-540-73425-3).
pohony dopravních zařízení
pohony pojezdů
pohony zdvihů
pohony pro polohování
koordinované pohony pro roboty
synchronní pohony
pohony navíjení
pohony pracující v cyklech
pohony elektronických vaček
pohony pro tvářecí procesy
hlavní pohony a pohony nástrojů
pohony pro čerpadla a ventilátory
13
Energetická účinnost
v každé pohonné aplikaci
Cesty ke zlepšení energetické účinnosti Přiřazením pohonu, který je třeba optimalizovat, k jednomu ze dvanácti pohonných řešení, je také určeno, jaká opatření pro minimalizaci energetické spotřeby jsou zpravidla účinná, méně účinná nebo nevhodná.
Tato opatření představuje následující tabulka. Poskytuje konstruktérům snadnou orientaci pro optimalizaci konkrétní pohonné aplikace.
Tři cesty k vyšší energetické účinnosti v pohonné technice 1. Inteligentní využívání elektrické energie
14 lepší energetická účinnost díky
přesnému dimenzování
nízká energetická účinnost v případě
předimenzování provozu bez regulace
pohony dopravních zařízení pohony pojezdů pohony zdvihů pohony pro polohování koordinované pohony pro roboty synchronní pohony pohony navíjení pohony pracující v cyklech pohony elektronických vaček pohony pro tvářecí procesy hlavní pohony a pohony nástrojů pohony pro čerpadla a ventilátory stav techniky potenciál částečný potenciál
regulovanému provozu s měničem
energeticky účinné regulaci
Úspora energie je dnes, a bude i v budoucnu, jednou z největších výzev. Oslovte nás. Rádi Vám pomůžeme ušetřit energii pomocí Lenze BlueGreen Solutions.
2. Přeměna energie s vysokou účinností ASM s vysokou účinností
synchronní motor
pohonné komponenty s nízkou účinností
3. Využití brzdné energie převodovka s vysokou účinností
elektrický pohon místo fluidního
DC propojení pro výměnu energie
15 meziakumulace prostřednictvím kondenzátoru
brzdný odpor při velkém objemu zpětně dodávané energie
rekuperace do sítě
Lenze, s.r.o. · Central Trade Park D1 1577 · 396 01 Humpolec · Technické změny vyhrazeny · Tištěno v Německu 8.2010 · verze 1.0 cz · 5 4 3 2 1
Je dobré vědět
proč jsme tu pro Vás
„Naši zákazníci jsou na prvním místě. Jejich spokojenost je naší motivací. Myslet ve prospěch zákazníka znamená, prostřednictvím spolehlivosti zvyšovat jeho produktivitu.“
Lenze – pohonná a automatizační řešení
„Od nás obdržíte přesně to, co potřebujete – vzájemně perfektně sladěné výrobky a řešení s přesně těmi funkcemi, které pro své stroje a zařízení potřebujete. To chápeme pod pojmem kvalita.“
„Využívejte naše Know-how, které jsme již za více než 60 let shromáždili z různých oborů a důsledně zúročili ve výrobcích, pohybových funkcích, jakož i v připravených řešeních pro různá průmyslová odvětví.“
„Identifikujeme se s Vašimi cíli a usilujeme o dlouhodobé partnerství, v němž obě strany vítězí. Kompetentní poradenství vede k optimálním řešením. Jsme tu pro Vás a podporujeme Vás ve všech rozhodujících procesech.“
Na náš servis se můžete spolehnout. Rady expertů jsou Vám k dispozici prostřednictvím naší mezinárodní Helpline 008000 24 Hours (008000 2446877) ve více než 30 zemích po celý den, 365 dnů v roce.
www.Lenze.cz
13345217
