Antriebstechnik Die Effizienz liegt im System

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Olaf Götz und Dipl.-Ing. Thorben Steinmann / Reinhard Kluger

Antriebslösungen können kräftig beim Energiesparen helfen. Unerlässliche Grundlage dabei ist die Analyse von Maschinenprozessen hinsichtlich ihrer wirklich notwendigen Leistung gemeinsam mit dem jeweiligen Maschinenbauer.

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Maximale Energieeffizienz, geringe Anschaffungskosten und kurze Amortisationszeiten sind nur drei Punkte, die die Herausforderungen kennzeichnen, vor denen der Maschinen- und Anlagenbau heute im internationalen Wettbewerb steht. Grundlegend für den intelligenten und sparsamen Einsatz von Energie ist das Wissen über den konstanten oder wechselnden Bedarf bestimmter Prozesse. Denn fast alle Antriebskomponenten arbeiten im Teillastbereich mit vergleichsweise schlechtem Wirkungsgrad und erzeugen folglich im Verhältnis zum mechanischen Prozess hohe Verluste. Je genauer die Maschinenanforderungen und der lastabhängige Leistungsbedarf bekannt sind, desto besser sind die Antriebskomponenten auswählbar. Leistungsstarke Engineering- und Konfigurationswerkzeuge helfen dabei, den richtigen Weg einzuschlagen.

Werkzeuge dieser Art sind notwendig, um bereits beim Beginn von Konstruktion und Entwicklung die Weichen richtig zu stellen. Aus gutem Grund hat Lenze mit dem Drive Solution Designer (DSD) frühzeitig einen Meilenstein bei den Engineering-Werkzeugen gesetzt. Das Software-Tool ermöglicht nicht nur die exakte Bestimmung der Prozessgrößen und die Prüfung der Komponenten, sondern auch deren optimale Abstimmung untereinander. Zudem liefert der DSD Daten, wo und wann mit welcher Maßnahme effizient gespart werden kann. Verdeutlicht wird das vom „Energiepass-Antriebslösung“. Er stellt den durch differenzierte Verlustmodelle berechneten Energieverbrauch der Hauptkomponenten des Antriebsstrangs für jeden verständlich dar.

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Lösungsvarianten nutzen

Mit diesen Werten sind dann die Energiekosten sowie die CO2-Emissionen ermittelbar. Durch den Vergleich unterschiedlicher Lösungen kann der Anwender so die optimale Kombination der Komponenten und den besten Bewegungsablauf für die Antriebsaufgabe finden. Schließlich sind es optimierte Bewegungsprofile, intelligente Komponentenwahl und ausgeklügelte Energieverteilungskonzepte, die den Energie-bedarf senken können – um gleichzeitig die Betriebskosten zu senken.

Konzepte dieser Art sind allerdings nicht ausschließlich das Ergebnis intelligenter Software. Weil der DSD Mechanik und Elektronik in einem System abbildet, leistet er einen wertvollen Beitrag für eine neue Form der interdisziplinären Zusammenarbeit vor allem der Bereiche Konstruktion und Elektronik. Um die vorhandenen Optimierungspotenziale zu erschließen, ist es notwendig, Abteilungsgrenzen zu überwinden und etablierte Prozesse neu zu ordnen. Nur so ist es möglich, bereits im Entwicklungsstadium frühzeitig zu steuern. Der zu diesem Zeitpunkt noch vorhandene mechanische Spielraum macht den Weg frei für konzeptionelle Verbesserungen. Der DSD unterstützt diese Arbeit, indem er verlässliche Daten bereitstellt, mit denen sich Lösungsvarianten auf Grundlage mechanischer Kennzahlen schnell durchrechnen lassen.

Leistungsbedarf senken

Optimierungen dieser Art bergen unter Effizienzgesichtspunkten in der Tat die größten Einsparpotenziale. Unter der Überschrift „Energie intelligent einsetzen“ ist dies deshalb die erste und wichtigste der drei Säulen der Lenze BlueGreen Solutions. Der Grund: Optimierte Mechaniken sowie reduzierte Trägheiten und Reibungen senken von Grund auf den von der Antriebstechnik aufzubringenden Leistungsbedarf. Der daraus folgende Nutzen erschließt sich schnell: Weniger Leistung führt zu kleineren und damit preiswerteren Komponenten sowie reduziertem Energieverbrauch.

Damit die nach einer präzisen Auslegung erforderliche Technik selbst auch sparsam arbeitet, nutzt Lenze Komponenten, die jede für sich mit hohem Wirkungsgrad arbeiten. „Energieeffiziente Produkte“ heißt deshalb die zweite Säule des Lenze-Effizienz-Modells. Dieser Anspruch findet sich ganz konkret wieder in neuen Produktentwick-lungen wie den IE2-Motoren der MH-Reihe. Sie rechnen sich vor allem dann, wenn sie überwiegend mit konstanter Drehzahl betrieben werden. Typische Applikationen finden sich hier im Materialfluss. Lenze hat die Reihe so entwickelt, dass Baugrößensprünge und damit aufwändige Konstruktionsanpassungen bei der Migration zu IE2 weitgehend vermieden werden.

Ausgelegt für den gesteuerten Betrieb mit Frequenzumrichtern ist die ebenfalls neue MF-Reihe. Optimierungen haben hier dazu geführt, dass bis zu zwei Bauformen kleinere Motoren bei gleicher Antriebsleistung mit hohem Wirkungsgrad einsetzbar sind. Die MF-Motoren punkten ferner durch niedrige Massenträgheiten sowie erhöhte Dynamik. Regelungstechnisch ist es Lenze mit dem „VFC eco“-Modus für die zentralen und dezentralen Frequenzumrichter der Plattform 8400 zudem gelungen, die Motorverluste im Teillastbetrieb um bis zu 30 Prozent zu senken. „VFC eco“ passt den Magnetisierungsstrom eines Motors intelligent an den tatsächlichen Bedarf an. Denn gerade im Teillastbetrieb werden Drehstrommotoren immer noch mit einem größeren Magnetisierungsstrom versorgt, als die Betriebsbedingungen es eigentlich erfordern.

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Lenze BlueGreen Solutions

An dritter Stelle steht bei den Lenze BlueGreen Solutions die Energierückspeisung. Dabei wird bei speziellen Anwendungen – beispielsweise hoch getakteten Positionier- und Hebevorgängen – die erzeugte Energie aus dem generatorischen Betrieb entweder direkt über Rückspeiseeinheiten in das Netz zurückgeführt oder von anderen Umrichtern über den DC-Zwischenkreisverbund genutzt.

Alle genannten Möglichkeiten zur Erhöhung der Energieeffizienz können im DSD berechnet und auf dieser Basis miteinander verglichen werden. Damit ist eine wichtige Grundlage für ein energieeffizientes Gesamtsystem gelegt. Denn eine präzise Auslegung ohne üppige Leistungsreserven, die Wandlung elektrischer Energie in Bewegungsenergie mit hohem Wirkungsgrad, und die Nutzung von Bremsenergie sind für sich betrachtet einzelne Bausteine für eine höhere Energieeffizienz. Die verschiedenen Verlustursachen in den Anwendungen und Antriebskomponenten bedingen, dass Energieeffizienz nie allein durch eine Komponente bestimmt wird, sie kann nur im System betrachtet werden. Energieeffizienz beruht deshalb nicht nur auf der Wahl effizienter Produkte, sondern auf deren geschickter Abstimmung auf den individuellen Anwendungsfall. Diese Arbeit lohnt sich: Annähernd die Hälfte der erzeugten elektrischen Energie wird in Deutschland von der Industrie verbraucht. Für etwa zwei Drittel sind elektrische Antriebe mit ihrem breiten Anwendungsspektrum verantwortlich. Darum sind elektrische Antriebe der wirksamste Hebel zur Steigerung der Energieeffizienz.

Dipl.-Ing. Olaf Götz und Dipl.-Ing. Thorben Steinmann, Lenze

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