Frequenzumrichter und Servoregler Antriebselektronik senkt Energieverbrauch, CO2-Emmissionen und Anlagekostenen

Autor / Redakteur: Markus Finkbeiner* / Gerd Kucera

Die Energiekosten traditioneller Antriebe haben über ihre Lebensdauer gerechnet oft einen Anteil von 90% und mehr an der gesamten Investition einer Automatisierung. Es ist falsch, nur die primären Anschaffungskosten einer Antriebslösung zu berücksichtigen. Denn in nicht wenigen Fällen amortisiert sich eine scheinbar teurere Antriebstechnik schon nach einigen Monaten.

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Im Vergleich mit konventionellen Antriebssystemen schneiden Direktantriebe als Synchronmotoren mit sehr hohen Drehmomenten bei geringen Drehzahlen hinsichtlich Kostenfaktor und Energieeffizienz vorteilhaft ab. Bei Direktantrieben entfallen zwischengeschaltete Getriebe oder Riemen zur Übersetzung.

Die Getriebe konventioneller Antriebe verursachen eine hohe Lärmbelastung. Lüftergekühlte Motoren verstärken dies noch. Direktantriebe können dagegen nahezu lautlos betrieben werden, da sie in der Regel wassergekühlt sind und kein Getriebe vorhanden ist das Lärm erzeugen kann. Weitere kostenintensive Maßnahmen zur Lärmdämmung sind nicht notwendig.

Als kostentreibender Faktor muss die Maschinengröße bzw. Betriebsfläche berücksichtigt werden: Direktantriebe weisen einen geringen Platzbedarf auf – sie sind kompakt und können dicht aneinander gereiht werden, während konventionelle Antriebe für Wartungszwecke leicht zugänglich sein müssen und als Motor-Getriebe-Kombination mehr Bauraum benötigen.

Weil Getriebe, die eine begrenzte Lebensdauer haben, und Gleichstrommotoren in regelmäßigen Intervallen gewartet werden müssen und laufende Ölkontrollen notwendig sind, summieren sich bei konventionellen Antrieben die Wartungs- und Instandhaltungskosten. Bei getriebefreien Direktantrieben sind dagegen keinerlei Wartungsaktivitäten notwendig. Das System funktioniert ölfrei. Und nicht zuletzt verfügen die Motoren über eine sehr hohe Lebensdauer.

Weniger Verlustleistung heißt weniger Kosten

Betrachtet man die Effizienz im Betrieb, so ist die Direktantriebstechnik klar im Vorteil: Der Wirkungsgrad liegt hier bei 95 bis 96%, die konventionellen Antriebslösungen dagegen erzielen nur 78 bis 91%. Das bedeutet eine Verlustleistung bei konventionellen Antrieben von 176.000 bis 72.000 kWh, die der Direktantriebe beträgt durchschnittlich 36.000 kWh. Konkret ergibt sich im Betrieb bei einem Industriestrompreis von 8 Cent pro kWh innerhalb eines Jahres eine Ersparnis von 2.880 bis 11.200 €. Nach fünf Jahren sind es bereits 14.400 bis 56.000 €.

Der höhere Wirkungsgrad der Direktantriebe resultiert aus dem Verzicht auf Getriebe und dem damit verhinderten Reibungsverlust im System.

Motoren müssen optimal dimensioniert sein

Um aber Energie bestmöglich zu nutzen, müssen Motoren erst einmal präzise dimensioniert sein und im optimalen Ausnutzungsgrad laufen. Denn hierdurch werden unnötige Energieüberschüsse bei gleichzeitiger Minimierung von wirklich benötigten Reserven eingespart. Um dem Maschinenbauer zu diesem Zweck ein Werkzeug an die Hand zu geben, das ihm die Auslegung seiner Antriebe erleichtert, hat Baumüller die Software sizemaXX entwickelt. Über den unten stehenden Link ist diese Software kostenlos downloadbar. Ein weiterer und ganz wesentlicher Faktor zur Steigerung der Energieeffizienz ist eine breite Produktpalette effizienter Motoren.

Direktantriebe besitzen eine hohe Dynamik und Leistungsdichte sowie geringe Trägheitsmomente. Direktantriebe weisen außerdem einen breiten Leistungs- und Drehmomentbereich von maximal 7.000 Nm auf.

Bremsenergie nicht verheizen, sondern ins Netz zurückgeben

Beim Bremsen des Motors muss die in der Mechanik gespeicherte kinetische Energie abgebaut werden. Anstelle von Bremswiderständen setzt Baumüller auf rückspeisefähige Systeme: Die Frequenz beim Hochlaufen des Motors wird kontinuierlich gesteigert, und beim Bremsen führt der Servoregler (auch als Servoumrichter bezeichnet) die kinetische Energie als elektrische Energie ins Versorgungsnetz zurück. Baumüller setzt hierzu die aktiven Rückspeiseeinheiten b maXX 4100 ein, die im Zwischenkreisverbund angeschlossen werden. Schon seit 20 Jahren entwickelt Baumüller entsprechende Servoregler (Servoumrichter), die kinetische Energie nicht durch Umwandlung in Wärme verschwenden.

Vor allem in Industriezweigen, in denen die Maschinen rund um die Uhr in Betrieb sind, entwickelt sich eine verstärkte Sensibilisierung für den Energieverbrauch der Anlagen. Ein Beispiel hierfür ist die Kunststoffproduktion. Sowohl in der Extrusionstechnik als auch im Spritzgussverfahren und in Blasformmaschinen bewährt sich der Einsatz von Direktantrieben als Maßnahme zur Steigerung der Energieeffizienz.

Servoregler oder aktive Einspeiseeinheiten helfen Energie sparen

Die Möglichkeit der Energierückspeisung ins Netz führt vor allem bei großen Leistungen zu bedeutendem Einsparpotenzial. Der b maXX 4100 von Baumüller ist für Leistungen zwischen 35 und 180 kW einsetzbar. Läuft eine Maschine im Reversierbetrieb, wird sie also regelmäßig stark beschleunigt und wieder abgebremst, macht sich ein rückspeisefähiges System besonders bezahlt. Die geforderte Dynamik resultiert zunächst in einem hohen Energiebedarf. Doch der b maXX 4100 führt einen Teil der beim Einspeisen erzeugten Energie beim Bremsen wieder ins Netz zurück (Zwischenkreisverbund), sodass der Regler nur den entstehenden geringfügigen Energieverlust ausgleichen muss. Es lassen sich mit b maXX 4100 ein oder mehrere Leistungsmodule versorgen und deren Bremsenergie ins Netz zurückspeisen.

Sinnvoll ist der Einsatz der aktiven Einspeiseeinheit beispielsweise in großen Werkzeug- oder Schleifmaschinen. Deren Betriebsart erfordert eine dynamische Bewegungsführung durch die Antriebstechnik. Durch das stetige Beschleunigen und Bremsen (regelmäßig etwa bei einem Werkstückwechsel in Drehmaschinen nötig) wird die Kostenersparnis durch rückspeisefähige Geräte besonders deutlich.

Zur Überwachung der Ladeschaltung und der Hauptschütze sowie zur Aufsynchronisation auf die Frequenz des Versorgungsnetzes besitzt der b maXX 4100 entsprechende Module. Und gegenüber der Widerstandsladung

hat die stromgeregelte Vorladung Vorteile wie Ladezeitüberwachung beim Einschalten des Geräts oder Störungserkennung und -meldung. Eine Fehlerbehebung kann dadurch noch vor Anlaufen der Maschine erfolgen, was sonst unvermeidliche Schäden an der Maschine oder am Antrieb zur Folge hätte. Durch den geregelten Ladestrom ist das Gerät sicher vor Kurzschlüssen, auch bei Hauptschützfreigabe erfolgt kein unkontrollierter Stromstoß.

Für die Schaltschrankmontage sind keine externen Ladewiderstände notwendig. Auch ein Anpassen an die Höhe der Zwischenkreiskapazität entfällt. Die gefürchteten Stromspitzen beim Einschalten, die durch die hohe Zwischenkreiskapazität verursacht werden können, sind aufgrund der geregelten Vorladung gegenstandslos.

Nutzen Sie rückspeisefähige Antriebselektronik

Von der Europäischen Kommission werden Elektromotoren offiziell in Energieeffizienzklassen (EFF) eingeteilt. Die EU-Kommission hat zudem schon 2005 eine Rahmenrichtlinie (EuP) erlassen, um zu einem effizienteren Umgang mit Energie und dadurch zur Reduzierung der Umweltbelastungen beizutragen. Hierbei geht es in erster Linie darum, durch geringeren Stromverbrauch den CO2-Ausstoß und damit den Treibhauseffekt zu reduzieren. Vor allem in Industriezweigen, in denen die Maschinen rund um die Uhr in Betrieb sind, entwickelt sich zudem eine verstärkte Sensibilisierung für den Energieverbrauch der Anlagen. Stark im Kommen ist deshalb energierückspeisefähige Antriebselektronik wie Frequenz- und Servoumrichter, die es mittlerweile von (fast) allen renommierten Antriebsherstellern gibt.

*Marcus Finkbeiner ist Leiter Marketing und Applikation bei Baumüller, Nürnberg.

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