Zin en onzin van hoogrendementsmotor Master opleiding Elektromechanica Energie Efficiënter Aandrijven Zin en onzin van hoogrendementsmotor CET Seminarie – 7 oktober 2010 Kurt Stockman Kurt.stockman@howest.be Steve Dereyne, Pieter Defreyne, Heinz Vervaeke

Inhoud Stand van zaken rond normering en energie-efficiëntie 10% 20% 45% 25% 137TWhe besparingspotentieel DOL Snelheids - regeling Nieuwe drives en motoren (PM,SRM) Overig 56% 44% TWhe "Industry and Services" in Europa Motorverbruik 1100 TWhe Overig 850 TWhe Stand van zaken rond normering en energie-efficiëntie Motordesign en impact op de werking Technisch economische analyse Isorendementscontouren Besluit

Normering Tot voor kort: EFF 2, EFF 1 motoren Sinds 2008: IEC 60034-30 Rendement IEC 60034-30 Europa VS Super premium IE4 / Premium IE3 NEMA Premium Hoog IE2 EFF1 Epact Standaard IE1 EFF2 EPAct MEPS CEMEP EFF NEMA Premium Australische MEPS IEC 60034-30 [5] Jaar 1992 1998 2002 2004 2008 Gebruikt in VS Europa Australië Wereldwijd Aard Verplicht Vrijwillig Frequentie 60Hz 50 Hz 50Hz 50Hz/ 60Hz Motoren 2, 4 en 6 polige IM 2 en 4 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 IEC 60034-2 / IEC 61972 IEC 60034-2-1 Klassen 1 klasse 3 klassen 2 klassen Harmonisering goede zaak, definitie van IE4

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 Wat hier geschetst wordt is enkel wat in de Europese verordening is opgenomen Subsidies nog steeds afgestemd op de oude regelgeving tot 90 kW, zie later

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? Wat hier geschetst wordt is enkel wat in de Europese verordening is opgenomen

Timing voorzien in de verordening 16 juni 2011 Minstens IE2 1 januari 2015 Minstens IE3 voor 7.5 kW tot 375 kW of IE2 met VSD 1 januari 2017 0.75 kW tot 375 kW minstens IE3 of IE2 met VSD 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 4 kW 18,5 kW W % verlies Stator jouleverliezen 120,00 43,80 305,00 40,08 953,00 41,51 Rotor jouleverliezen 35,00 12,77 150,00 19,71 476,00 20,73 Ijzerverliezen 76,00 27,74 225,00 29,57 351,00 15,29 Wrijvings en ventilatieverliezen 24,00 8,76 30,00 3,94 168,00 7,32 Stray load verliezen 19,00 6,93 51,00 6,07 345,00 15,03 Totale verliezen 274,00 100,00 761,00 2296 Uitgaand vermogen 746   3730 18560 Ingaand vermogen 1020 4491 20946 Rendement (%) 73,14 83,05 88,61

Optimalisatiemogelijkheden bij inductiemotoren Doorgedreven optimalisatie Cu-kooi Blikpakket Langere stack Geringe luchtspleet Lagers met lagere wrijving Kleinere ventilator Andere kooivorm … Cu is zwaarder dan Al. toch is het mogelijk om het gewicht van de motor te reduceren. Hoger rendement maakt het mogelijk om de lengte van de rotor te beperken! Alle fysische afmetingen kunnen dus kleiner genomen worden wat leidt tot een aanzienlijke gewichtsbesparing. (tot 20% wordt voorspeld).

Impact op het motorgedrag? 4 kW 230/400V, 1500 rpm, 112M IE1 IE3 Tn 26,5 Nm 26,4 Nm Nn 1440 rpm 1450 rpm In 8 A Istart/In 6,2 7 Tkip/Tn 210% 230% Taanzet/Tn 250% 310% Inertie J 0,0147 kgm² 0,0187 kgm² Cos  0,65/0,77 /0,83 0,62/0,74 /0,81  83,5/84,5 /84,5 88,7/89,1 /89,1 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, 315L IE1 IE3 Tn 1603 Nm Nn 1490 rpm In 443 A 433 A Istart/In 7.8 8 Tkip/Tn 270% Taanzet/Tn 250% 260% Inertie J 8,120 kgm² 8,388 kgm² Cos  0,75/0,83 /0,86 0,73/0,82 /0,86  94,2/94,9 /94,8 96,2/96,6 /96,6

Inductiemotor versus permanentmagneet 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

Techno-economische analyse Analyse via de Netto Actuele Waarde (NPV): IE1 versus IE3 Standaardmotor (IE1) P: 11kW Hoogrendementsmotor (IE3) Rendement ηh: 88% (IE1) 92,2% Bedrijfsuren h: 8000h /4000h Aankoopprijs Ih: €563 (excl. Btw) €801 (excl. Btw) Elektriciteitsprijs p: 0,085€/kWh Elektriciteitsindex 5% Discontovoet 10% Jaar Prijs (€/kWh) Jaarlijkse besparing (€) Jaarlijkse actuele waarde (€) NAW per jaar (€) -238,00 1 0,085 387,20 € 352,00 114,00 2 0,089 406,56 € 336,00 450,00 3 0,094 426,89 € 320,73 770,73 4 0,098 448,23 € 306,15 1076,88 5 0,103 470,65 € 292,23 1369,12 6 0,108 494,18 € 278,95 1648,07 7 0,114 518,89 € 266,27 1914,34 8 0,120 544,83 € 254,17 2168,51 9 0,126 572,07 € 242,61 2411,12 10 0,132 600,68 € 231,59 2642,71 Jaar Prijs (€/kWh) Jaarlijkse besparing (€) Jaarlijkse actuele waarde (€) NAW per jaar (€) -238,00 1 0,085 193,60 € 176,00 -62,00 2 0,089 203,28 € 168,00 106,00 3 0,094 213,44 € 160,36 266,37 4 0,098 224,12 € 153,08 419,44 5 0,103 235,32 € 146,12 565,56 6 0,108 247,09 € 139,48 705,03 7 0,114 259,44 € 133,14 838,17 8 0,120 272,42 € 127,08 965,25 9 0,126 286,04 € 121,31 1086,56 10 0,132 300,34 € 115,79 1202,35

Techno-economische analyse Kostprijs motoren (indicatief) 0,75kW IE1 100% 4kW IE1 7,5kW IE1 11kW IE1 0,75kW IE2 150% 4kW IE2 7,5kW IE2 137% 11kW IE2 123% 0,75kW PM 480% 4kW PM 516% 11kW IE3 142% Vollast en nominale snelheid Toelaatbare meerkost ifv gewenst payback   Payback (jaar) IE1-IE2 1 2 3 4 Bedrijfsuren 2000 35,79 69,95 133,69 191,76 4000 71,58 139,90 267,38 383,52 6000 107,37 209,85 401,06 575,29 8000 143,16 279,81 534,75 767,05 IE1-IE3 50,87 99,43 190,03 272,58 101,74 198,86 380,06 545,16 152,62 298,30 570,09 817,74 203,49 397,73 760,12 1090,32 IE1-IE4 63,83 124,76 238,44 342,03 127,67 249,53 476,89 684,05 151,50 374,29 715,33 1026,08 255,33 499,06 953,78 1368,10

Techno-economische analyse 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)

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, IM

Een typische machinebouwtoepassing

Verrekening volgens belastingsprofiel:

Besluit www.energie-efficientie.be 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 Onderhoud, riemspanning, uitlijnen, … minstens even belangrijk om uw aandrijfsystemen in optimale conditie te houden ! www.energie-efficientie.be IEC 60034-31: Guide for the selection and application of energy-efficient motors including variable-speed applications (2009).