EN 50598
Eine Chance für mehr
Wirtschaftlichkeit in der
Stahlindustrie (?)
www.vem-group.com Stahl- und Walzwerke
Rückblick in das Jahr 2009 (8. Technischer Tag)
Der Walzprozess
Die EN 50598-2
Zusammenfassung
15.09.2015 Eine Chance für mehr Wirtschaftlichkeit in der Stahlindustrie (?) 2
Gliederung
Energieeffiziente Antriebslösungen für die Stahlindustrie Folie 3/26
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Energieeffiziente Antriebslösungen für die Stahlindustrie
IE 3?
IE 1?
IE 2?
IE…? Foto: Stahl-Zentrum
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Energieeffiziente Antriebslösungen für die Stahlindustrie
Sind für „Energieeffiziente Antriebssysteme“ in jedem Fall Motoren nach
neuen IE2 oder sogar IE3 Klassen notwendig?
• Welche elektrischen Antriebe werden für die technologischen Prozesse in der
Stahlindustrie im Niederspannungsbereich benötigt?
• Wie unterscheiden sich die Lastverhältnisse zu Standardantrieben?
• Welche Motoren kommen konstruktiv zum Einsatz?
• Welche Energiesparmöglichkeiten gibt es?
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Elektrische Antriebe in der Stahlindustrie
• ca. 1300 Niederspannungsmotoren werden direkt für den
technologischen Prozess wie Transport und Bearbeitung benötigt
• Gesamtanschlussleistung ca. 16 MW
• Achshöhen im Bereich von 132 bis 560
• Dauerbetrieb
Annahmen:
Gesamtleistung: 16.500 kW
Energiekosten: 0,20 €/kWh
Laufzeit/Tag: 23 Stunden
Laufzeit/Jahr:
336 Tage bei 4 Wochen Stillstand
Ergebnis:
ein Punkt Wirkungsgradverbesserung
Energieeinsparung: 165 kW
Kostenersparnis: 759 €/Tag
255.024 €/Jahr
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Unterschiedliche Lastfälle
Typischer Lastfall Energiesparmotor (S1)
• Mehr oder weniger fester Betriebspunkt
Verrichtung von Widerstandsarbeit,
Arbeiten gegen Widerstandsmoment bei
fester Drehzahl
• Optimierung der Gesamtverluste (Eisen-
und ohmsche Verluste) durch gezielte
Maßnahmen (Blechschnitt, Geometrie,
Materialaustausch)
40
50
60
70
80
90
100
0 50 100 150 200 250 300 350
Moment in %
Wir
ku
ng
sg
rad
in
%
0
50
100
150
200
250
300
0 500 1000 1500
Drehzahl
Moment
Ziel: Betriebspunkt im
Wirkungsgradmaximum
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Unterschiedliche Lastfälle
Typische Lastfälle für Asynchronmotoren in der Stahlindustrie
• Reine Beschleunigungsarbeit (Rollgänge, Scheren) mit hoher
Überlastfähigkeit (2,5 – 3fach)
• Widerstandsarbeit bei unterschiedlichen Drehzahlen (Besäumscheren,
Treiber) mit hoher Überlastfähigkeit bei allen Drehzahlen
• Widerstandsarbeit bei konstanter Leistung über einem weiten
Drehzahlbereich (Haspel)
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Lastfall Kaltrollgang
Theorie: ebenes, gerades Material; Rollen gleiche Oberflächenbeschaffenheit, ausgerichtet gleichmäßige Lastverteilung auf allen Rollen
zusätzliche Hubarbeit ist notwendig
Motor: zusätzliche Belastung
Unterschiedliche Anzahl von Rollen
tragen die gesamte Last
Motor: Teillast
Praxis: kaltes Material, verzogen und ungleichmäßig;
Rollen unterschiedlich abgenutzt
starke Lastschwankungen auf den Rollen
Bramme:
min. 1,5 x 0,8m
max. 4,9 x 4,9m
max. 25t
0 – 4,5 m/s
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Lastfall Warmrollgang
Transportrollgang
Praxis: glühendes Material
gleichmäßige Lastverteilung, hohe Reibung
nach dem Walzprozess tragen viele Rollen die gesamte Last
Motor: Teillast
Arbeitsrollgang
Motor: Beschleunigungs- und Bremsmoment
Motor: Lastmoment (gleichmäßiger Anteil Last je Rolle) und zusätzliches Reibmoment
Bramme:
min. 1,5 x 0,8m
max. 4,9 x 4,9m
max. 25t
0 – 4,5 m/s
Endprodukt:
Länge max. 28m
Breite max. 5m
max. 25t
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Leerlaufmoment mit Rolle
Lastmoment (Anteil Last je tragender Rolle)
Lastfall Rollgangmotore
Motorlastmomente
Lastmoment (bei maximalem Einsatzgewicht)
Beschleunigungsmoment
Hubmoment
0
50
100
150
200
250
300
0 200 400 600 800 1000
Drehzahl
Mo
me
nt
Ständig wechselnde Belastung
zwischen Minimum und Maximum
Maximum
Minimum
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Lastfall Rollgangmotore
Auswirkungen auf den Wirkungsgrad
40
50
60
70
80
90
100
0 50 100 150 200 250 300 350
Moment in %
Wir
ku
ng
sg
rad
in
%
0
50
100
150
200
250
300
0 200 400 600 800 1000
Drehzahl
Mo
me
nt
88,2 % 80,0 % 85,0 %
Bemessungspunkt?
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Rollgangmotore
Läuferverlustleistung (bei dynamischen Vorgängen):
• entwickelte Wärmemenge durch Drehzahldifferenz zwischen Drehfeld und Läufer und der kinetischen Energie des Systems
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Anlauf
Gegenfeldbremsung
entspricht 3 Anläufen
Reversierung
entspricht 4 Anläufen
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Direkt geschaltet FU Betrieb
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Energiesparmöglichkeiten bei dynamischen Antrieben
0
50
100
150
200
250
300
350
0 200 400 600 800 1000
Direkt am Netz geschaltete Motoren
austauschen
Motoren mit steiler Kennlinie geregelt
am FU einsetzen
0
50
100
150
200
250
300
350
0 200 400 600 800 1000
Drehzahl
Mo
me
nt
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Energieeffiziente Antriebslösungen für die Stahlindustrie
Sind für „Energieeffiziente Antriebe“ in jedem Fall Motoren nach neuen
IE2 oder sogar IE3 Klassen notwendig?
NEIN!
Aktuell kommen bei neuen Anlagen frequenzgeregelte
Gruppenantriebe im Rollgangsbereich zum Einsatz
Rückblick in das Jahr 2009 (8. TT)
Der Walzprozess
Die EN 50598-2
Zusammenfassung
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Gliederung
Eine Chance für mehr Wirtschaftlichkeit in der Stahlindustrie (?)
• Das Metall wird in sogenannten “Stichen”
schrittweise durch Walzen verformt
(Stichplan)
• Ziel:
Erreichung der gewünschten
Oberflächenqualität, Materialeigen-
schaften und Dicke in der kürzesten Zeit
Energieoptimiert ?
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Der Walzprozess
Eine Chance für mehr Wirtschaftlichkeit in der Stahlindustrie (?)
• Der Stichplan enthält alle wichtigen
Parameter zur Lenkung des Prozesses (im Prozess ermittelt)
• Die Stichplanberechnung erfolgt durch
mathematische Modelle (Vorrausberechnung der Sollwerte für die Regelung und
Adaption der Parameter)
Lastspiel für alle Antriebe
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Der Walzprozess
Eine Chance für mehr Wirtschaftlichkeit in der Stahlindustrie (?)
Stichplan
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Quelle ABB
Eine Chance für mehr Wirtschaftlichkeit in der Stahlindustrie (?)
Ist der optimale Stichplan auch energieoptimiert?
Rückblick in das Jahr 2009 (8. TT)
Der Walzprozess
Die EN 50598-2
Zusammenfassung
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Gliederung
Eine Chance für mehr Wirtschaftlichkeit in der Stahlindustrie (?)
• Festlegung der Effizienzklassen von Motorsystem und Drive Controller
• Festlegung von 8 applikationsrelevanten Betriebspunkten
• Methoden zur Ermittlung (Messungen und Berechnung) der Verluste in
den 8 Betriebspunkten eines kompletten Motorensystems und dessen
Komponenten
• Messmethoden für Drive Controller
• Verluste des Referenzmotors, des Referenz-CDM und eines Referenz-
PDSs in den festgelegten 8 Betriebspunkten.
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Was beinhaltet die Norm EN 50598-2
CDM Complete Drive Modul PDS Power Drive System Quelle ZVEI
Ziel: Energiebedarf ihrer Anwendungen auf Basis der applikationsspezifischen
Belastungsprofile zu bestimmen
Eine Chance für mehr Wirtschaftlichkeit in der Stahlindustrie (?)
• Die Hersteller können zur Ermittlung
der zu erwartenden IES – Klasse die
fehlende Komponente des Systems
durch die Referenzkomponente der
Norm ersetzen (Ermittlungsmethode muss dokumentiert werden)
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Bedeutung für die Hersteller der Komponenten
Eine Chance für mehr Wirtschaftlichkeit in der Stahlindustrie (?)
• Ohne verfügbagen Motor Die Norm legt dafür entsprechende Verluste eines Referenzmotors fest.
• Ohne verfügbaren Drive Controller Die Norm legt dafür entsprechende Verluste eines Referenz Complete Drive Moduls (CDM) fest
• Ohne verfügbaren Drive Controller und ohne Motor Die Norm legt dafür entsprechende Verluste eines Referenz-Power-Drive-Systems (PDS) fest
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Was beinhaltet die Norm EN 50598-2 Varianten zur Ermittlung der Verluste eines Power-Drive-
Systems und zur Festlegung der IES-Klasse
Kennziffer: Verlustleistung, nicht der Wirkungsgrad
Eine Chance für mehr Wirtschaftlichkeit in der Stahlindustrie (?)
Bedeutung für die Anlagenbauer
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Ermittlung der Verluste
Eine Chance für mehr Wirtschaftlichkeit in der Stahlindustrie (?)
Bedeutung für die Anlagenbauer
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Annahme: Lastspiel aus dem Stichplan Gruppenantrieb mit 6 Rollen 3 Rollen tragen die Last 3 Rollen laufen leer 50% n nenn
Motoren: Pv = 3 * P(50:25) + 3 * P(50:100) CDM: Pv ca. 0,6 * Pnenn „P(50:50)“
Pv gesamt = Pv m + Pv CDM
Eine Chance für mehr Wirtschaftlichkeit in der Stahlindustrie (?)
0
50
100
150
200
250
300
0 200 400 600 800 1000
Drehzahl
Mo
me
nt
Beschleunigung max. Moment
Grenzen der Norm am Beispiel von Rollgangs - Gruppenantriebe
leer laufende Rolle und Last des Endproduktes
16715303
25 Eine Chance für mehr Wirtschaftlichkeit in der Stahlindustrie (?)
Rückblick in das Jahr 2009 (8. TT)
Der Walzprozess
Die EN 50598-2
Zusammenfassung
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Gliederung
Eine Chance für mehr Wirtschaftlichkeit in der Stahlindustrie (?)
Nutzt als Kennziffer die Verlustleistung
Bildet die Basis für die Bewertung und Vergleichbarkeit von PDS
Schafft die Möglichkeit unter Verwendung von Referenzkomponenten ein System zu bilden und zu klassifizieren
Ermöglicht die Verlustermittlung von applikationsspezifischen Belastungsprofilen bis 100% nnenn und bis 100% Pnenn mit Hilfe von 8 Referenzpunkten
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Zusammenfassung
Die EN 50598…
Eine Chance für mehr Wirtschaftlichkeit in der Stahlindustrie (?)
Ich bedanke mich für Ihre
Aufmerksamkeit!
Dipl.-Ing. Frank Steuer
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