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AutomatisierungstechnikFesto zum dritten Mal "Global Preferred Supplier" von Bosch

Festo Pressebild Bosch Preferred Supplier

Zum dritten Mal in Folge erhält Festo die Auszeichnung "Preferred Supplier" der Bosch-Gruppe für die Materialgruppe Standardized Pneumatical Devices. Bosch zeichnet damit wichtige Lieferanten für besondere Leistungen bei Innovationsfähigkeit, Qualität und Zuverlässigkeit aus.

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Frequenzumrichter, MotorenPotenziale erkennen und umsetzen

Energieverbrauch ist zurzeit das beherrschende Thema in der Industrie – speziell in der Antriebstechnik. Zusätzlich verschärft wird die Diskussion durch neue Mindesteffizienz-Standards für Drehstrom-Niederspannungs-
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Frequenzumrichter: Potenziale erkennen und umsetzen
motoren. Aber nicht bei jeder Maßnahme stehen Aufwand und Ergebnis
in sinnvollem Verhältnis. Wann ist der Anwender gefordert und welche
Lösungen bieten die Hersteller? SCOPE-Redakteur Dr.Peter Stipp beschreibt,
wie die Unternehmen Getriebebau Nord und SEW Eurodrive neue
Effizenz-Potenziale ausschöpfen.

Vor einigen Jahren hatten Motoren mit der zurzeit noch gültigen Effizienzklasse EFF1 (Hoher Wirkungsgrad) ein Alleinstellungsmerkmal. Das hat sich mittlerweile geändert, denn die Forderung der Anwender nach höheren Energieeinsparungen und damit auch verminderter CO2-Belastung zieht sich wie ein roter Faden durch die Entwicklungsabteilungen der Hersteller. Lebenszykluskosten und TCO sind ein ständiges Thema. Und die Suche nach Lösungen steht ganz oben auf der Prioritätsliste.

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Verstärkt werden diese Überlegungen durch die Einführung der neuen Wirkungsgradklassen für Drehstrom-Niederspannungsmotoren. Die bisherige Effizienzklasse EFF1 ist dann vergleichbar mit der neuen Wirkungsgradklasse IE2, die im Juni 2011 verbindlich wird. Das Angebot des Marktes mit IE2-Motoren wird daher stark zunehmen. Der Anwender könnte sich also bequem zurücklehnen, wäre da nicht IE3, der neue Premium Wirkungsgrad. Er wird ab 2015 für Leistungen von 7,5 bis 375 kW und ab 2017 sogar für 0,75 bis 375 kW verbindlich. Aufwand und Ergebnis sollten aber in einem sinnvollen Verhältnis stehen. Daher muss das Hauptaugenmerk bei der Energieeinsparung nicht auf den neuen Motoren liegen, sondern auf der optimalen Anpassung an die Anwendung – denn hier lassen sich die höchsten Einsparungen erzielen. Der Einsatz von hocheffizienten Motoren ist nur sinnvoll, wenn diese Hausaufgabe bereits gemacht wurde.

Energieeffiziente Motoren sind definitiv teurer als ihre Standardvarianten. Positiv ist, dass sie sich schnell amortisieren. Je nach Maschine wird ein Zeitraum von ein bis zwei Jahren genannt. Wie soll der Anwender vorgehen? Einerseits wird die Maschine für eine Lebensdauer von bis zu zehn Jahren ausgelegt, wobei über 95 Prozent der Lebenszykluskosten des Motors auf die Energiekosten entfallen. Andererseits muss der Anwender 2015 auf IE3 umrüsten, wenn er nicht auf die Notlösung zurückgreifen will, mit einem IE2-Motor plus Frequenzumrichter die IE3-Forderung vorerst zu umgehen. Hinzu kommt, dass IE3-Asynchronmotoren teurer und größer sind als die IE2-Varianten.
Die größten Potenziale einer Energieeinsparung in Antriebssystemen sind die optimale Anpassung an den Bedarf und das Einbeziehen der anderen Komponenten wie Frequenzumrichter und Getriebe. Wird beispielsweise der Antrieb überdimensioniert, nur um auf der sicheren Seite zu sein, so resultieren daraus nicht nur höhere Kosten, sondern das System wird deutlich unter der Bemessungsleistung betrieben. Und damit sinkt der Wirkungsgrad. Da würde auch der Einsatz von IE-2 Motoren nur marginal helfen. Denn ihr Einsatz ist erst sinnvoll, wenn diese beiden Maßnahmen durchgeführt sind.

Auf der einen Seite steht also die Forderung nach effizienteren Motoren (sie zielt auf die Hersteller). Auf der anderen Seite stehen die zwingend notwendigen Überlegungen, die Leistung an den Bedarf der jeweiligen Anwendung anzupassen und zusätzlich eine Investition in energiesparende Systeme zu tätigen (hier sind die Anwender gefordert).

Neben der Anpassung ist die Regelung des Motors über einen Frequenzumrichter ein ganz wesentlicher Faktor, um Energie zu sparen. Ein direkter Netzbetrieb sollte also aufgrund des Energieverbrauchs die absolute Ausnahme bleiben. Der Bedarf an Umrichtern steigt ständig, was sicher auch darauf rückzuführen ist, dass sich Dynamik und Regelgüte langsam dem Niveau von Gleichstrommotoren annähern.
Wie effizient eine Regelung sein kann, zeigt der Einsatz von Frequenzumrichtern bei Motoren für Pumpen und Lüfter. Das hängt damit zusammen, dass hier das Drehmoment eine quadratische und keine lineare Abhängigkeit von der Drehzahl zeigt. Da sich der Arbeitspunkt direkt auf den Energieverbrauch auswirkt, muss die Kennlinie also entsprechend angepasst werden. Positiv in diesem Zusammenhang ist, dass die Möglichkeit einer Kosteneinsparung gerade bei diesen Anwendungen besonders groß ist und fast 60 Prozent erreicht. Das Hauptpotential liegt dabei im unteren Drehzahlbereich sowie in der Beschleunigungs- und Bremsphase.

Neben der quadratischen Kennlinie und der sensorlosen Vektorregelung, die beide mittlerweile fast Standard sind, gibt es sehr ausgefeilte Verfahren, um Energie einzusparen. Angefangen von der dynamischen Anpassung des Magnetisierungsstroms, über die Kopplung der Zwischenkreissysteme bis hin zur Netzrückspeisung.

Angepasster Motorstrom

Bei Standard-Frequenzumrichtern wird die für das Drehmoment notwendige Magnetisierung in einem Asynchronmotor über den gesamten Drehzahlbereich aufrechterhalten. Und genau das führt beim Betrieb im unteren Teillastbereich zu Verlusten.

Eine Lösung dieses Problems zeigen Getriebebau Nord und SEW Eurodrive. Bei ihren neuen Frequenzumrichtern wird der Stromanteil für die Magnetisierung und damit der Motorstrom je nach Anwendung und Bedarf automatisch angepasst, beziehungsweise abgesenkt. Mit dieser Funktion verbrauchen beispielsweise die beiden Umrichter-Baureihen SK 5xxE und SK 700E laut Nord bis zu 30 Prozent weniger Energie als konventionelle Modelle, bei denen die Magnetisierung im Motor über den gesamten Drehzahlbereich konstant gehalten wird. Von dieser Lösung kann ein großer Teil der Antriebe in der Industrie profitieren (er ist nur für Anwendungen mit hoher Dynamik ungeeignet). Die beiden Baureihen bieten umschaltbare Parametersätze, komfortable Bedienoptionen und eignen sich für alle gängigen Bussysteme. Spezielle Ausstattungen für die Anwendung lassen sich über unterschiedliche Varianten und Steckmodule erreichen. Beide Serien arbeiten mit sensorloser Vektorregelung und sind auf mittlere bis gehobene Leistungsansprüche ausgerichtet.

Eine weitere Möglichkeit der Einsparung ist die Nutzung der Energie, die von dem Antriebssystem selbst erzeugt wird; beispielsweise wenn Komponenten regelmäßig beschleunigt und wieder abgebremst werden.

Die ideale Lösung ist, diese überschüssige Energie an andere Antriebe weiterzuleiten. Dies geschieht in einem so genannten DC-Verbund, und wird von beiden Unternehmen angeboten. Hierzu werden die Spannungszwischenkreise der Frequenzumrichter miteinander verbunden, um einen direkten Energieaustausch zu ermöglichen. Mit einer intelligenten Steuerung kann so laut SEW bei Regalbedien- oder Hubgeräten bis zu 50 Prozent Energie eingespart werden.

Bei Antrieben mit Umrichtern, die nicht auf diese Weise eingebunden werden können, wird die Bremsenergie über eine Rückspeisung ins Netz genutzt. Der Vorteil einer Kombination dieser beiden Lösungen ist, dass die zusätzliche Rückspeiseeinheit kleiner dimensioniert werden kann und damit auch kostengünstiger ist. Beide Varianten führen dazu, dass im Vergleich zu einer konventionellen Lösung, bei der die Wärme über Bremswiderstände abgeführt wird, deutlich weniger Verlustenergie anfällt. Die Frequenzumrichter Movidrive B aus dem Energiesparkonzept Effidrive von SEW Eurodrive nutzen ebenfalls die Möglichkeit des DC-Verbundes. Sie sind modular aufgebaut, bieten eine hohe Überlastfähigkeit sowie einen weiten Leistungsbereich von 1.5 bis 37 kW und 0.55 bis 315 kW (200/240 V bzw. 400/500 V). Die Baugröße 7 mit 315 kW ist die neueste Entwicklung und wird erstmals auf der Hannover Messe 2010 vorgestellt. Sie ist aufgrund ihrer Konstruktion für den Einbau in den Schaltschrank konzipiert und benötigt keine separate Netzdrossel. Darüber hinaus kann ein Brems-Chopper wahlweise in das Grundgerät integriert werden und die EMV-Grenzwertklasse C3 (EN61800-3) sind auch ohne externe Netzfilter erfüllt. Diese Eigenschaften ersparen zusätzliche Investitionen für Netzdrosseln oder -filter und verringern gleichzeitig den Montageaufwand bei der Installation.

Feintuning mit 87 Hz

Um die Ausnutzung des Motors noch weiter zu erhöhen, wird bei Getriebebau Nord die Option mit der 87 Hz -Technik angeboten. Hierbei wird der Asynchronmotor im Nennmoment mit einer höheren Frequenz betrieben. Dies setzt allerdings voraus, dass die Leistung des Frequenzumrichters entsprechend größer ausgewählt wird. Zwar entstehen im ersten Moment höhere Kosten, aber mit dieser Möglichkeit kann eine zusätzliche Steigerung des Wirkungsgrades um bis zu fünf Prozent erreicht werden. Das klingt zunächst nach nicht viel, reduziert die Energiekosten aber über die Jahre. Zählt diese 87 Hz-Lösung eher zum Feintuning (was den Energieverbrauch angeht), so liegt das Potential der Einsparungen mit effizienteren Motoren deutlich höher.

Um die Anforderungen an die neue Effizienzklasse IE2 und IE3 ab 2011, beziehungsweise 2015 zu erfüllen, nutzen die Unternehmen unterschiedliche Möglichkeiten der Optimierung. Die wesentlichen Verluste in einem Drehstrommotor, neben der Reibung, betreffen den Widerstand in Stator und Rotor. Und genau hier setzen die Unternehmen an; beispielsweise, indem die Anteile von Eisen und Kupfer erhöht werden. Nachteilig ist nur, dass in diesem Fall der Motor größer ausfällt. Sinnvoller ist es, wenn als Rotormaterial Kupfer statt Aluminium gewählt wird, denn der spezifische Leitwert von Kupfer ist fast 60 Prozent höher. Der Vorteil im Vergleich zu ersten Lösung ist, dass mit einem Kupferrotor der höhere Anteil der Eisenmenge, um Verluste zu reduzieren, deutlich geringer ausfällt. Das ist eine der wesentlichen Maßnahmen, um die Abmessungen wieder dem Bereich der Standardmotoren anzunähern. Nun steigen bei diesen Lösungen die Kosten aufgrund des höheren Materialeinsatzes aber um bis zu 20 Prozent – abhängig von der Leistung des Motors. Aber auch hier gilt es in Bezug auf Lebenszyklus- und Energiekosten abzuwägen. Beim IE3-Motor ist die Investition bei gleicher Leistung noch höher. Sein Einsatz ist daher zurzeit nur in Anwendungen mit Nenndrehzahl und hoher Last sinnvoll.

Kleinere Wickelköpfe

Die meisten Hersteller realisieren IE3-Motoren mit Asynchronmotoren. Mit seinem neuen DR-Motorbaukasten bietet SEW seinen Kunden IE1-, IE2- und IE3-Motoren über das gesamte Leistungs- und Polzahlenspektrum. Dieser Baukasten enthält zudem je Motorgröße bis zu drei unterschiedliche Bremsenbaugrößen. Interessant sind auch die integrierten Einbaugeber unter der Lüfterhaube des Motors. Sie reduzieren die Kosten für den Geberanbau um fast 50 Prozent.

Ähnlich agiert Getriebebau Nord. Da die geometrische Optimierung der Blechschnitte weitgehend ausgereizt ist, wird ein besserer Wirkungsgrad nur noch über erhöhten Materialeinsatz und aufwendige Technologien in der Produktion erreicht. Das Unternehmen setzt dabei auf ein Drei-Punkte-Konzept: Mehr Aktiv-Material, hochwertigere Bleche mit geringeren Verlusten und eine Erhöhung der Kupferfüllfaktoren bei verkleinerten Wickelköpfen. Daraus folgt, dass sich der Wirkungsgrad der Motoren verbessert, weniger Abwärme entsteht und die Lebensdauer steigt. Die Leistungen der IE2-Motoren reichen von 0,75 bis 22 kW. Laut Getriebebau Nord wird mit dieser Lösung sogar ein effizienter Betrieb oberhalb des Bemessungspunktes erreicht. Hinzu kommt die Möglichkeit den IE2-Motor aufgrund der geringeren Verluste bei 125 Prozent Leistung zu betreiben – er ist also im Dauerbetrieb thermisch unkritisch. Da zusätzlich die Anzugs- und Kippmomente gesteigert wurden, wird dem Anwender empfohlen, die Auslegung zu optimieren und die Sicherheitsfaktoren zu verkleinern oder ganz herauszunehmen, da der Motor selbst dauerhaft Reserven besitzt. Wird das konsequent genutzt, ergeben sich auch ökonomische Vorteile, da sich vielfach kleinere Baugrößen einsetzen lassen.

Höherer Wirkungsgrad

Eine weitere Steigerung der Leistungsdichte bei gleichzeitig hoher Effizienz lässt sich mit einem optimierten Synchronmotor und hochwertigen Permanentmagneten auf den Läufern erreichen. Denn die notwendige Magnetisierung wird dabei über Dauermagnete erzeugt. Damit sind die Motorströme niedriger und der Wirkungsgrad im Vergleich zum Asynchronmotor deutlich besser. Somit fällt im Umrichter ebenfalls weniger Verlustleistung an, so dass mitunter eine kleinere Version ausreicht. Hinzu kommt, dass mit Synchronmotoren, die über einen Frequenzumrichter ohne Rückführung geregelt werden, eine nochmalige Steigerung des Wirkungsgrads erreicht wird.

Das klingt alles erstmal gut, aber über die Kosten und den geplanten Serieneinsatz hat bislang niemand ein Wort verloren. Denn die IE3-Synchronmotoren verlassen die Entwicklungsabteilungen in Europa gerade erst oder sind in der Prototypenphase - genaueres war bei den Firmen nicht zu erfahren. Dr. Peter Stipp

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