Frequenzumrichter Maschinen im Dienste der Energieeffizienz

Autor / Redakteur: Chris Liebermann / Reinhard Kluger

Moderne Frequenzumrichter können Maschinen hocheffizient betreiben. So können die bremsenden Antriebe die Energie für die antreibenden Achsen liefern. Energieeffizient wirkt sich auch aus, dass man nicht benötigte Funktionen intelligent abschalten kann.

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Großer Funktionsumfang bei einfacher Bedienung für jeden Schritt des Einsatzprozesses: Die neuste Umrichterreihe AgilE von Bonfiglioli mit Leistungen bis elf kW Bilder: Bonfiglioli
Großer Funktionsumfang bei einfacher Bedienung für jeden Schritt des Einsatzprozesses: Die neuste Umrichterreihe AgilE von Bonfiglioli mit Leistungen bis elf kW Bilder: Bonfiglioli
( Archiv: Vogel Business Media )

Maschinenbauer sind gezwungen, ihren Kunden ein Optimum aus Investitionen und Betriebskosten zu bieten. Ein „Koste es, was es wolle“ kann es dabei nicht geben. Die Summe aller Kosten über die Einsatzjahre hinweg ist für die meisten Betreiber kaufentscheidend. Bei diesen „Total Cost of Ownership“ können die Energiekosten einen entscheidenden Einfluss ausüben. Zur Gewährleistung der effizienten Nutzung der eingesetzten elektrischen Energie bei gleichzeitiger Begrenzung der Investitionskosten wird ein breites Produktspektrum in Kombination mit kompetentem Engineering benötigt.

Die teils sehr emotional geführte Diskussion der Ursache-Wirkungskette vom Verbrauch elektrischer Energie bis zum Klimawandel hat den Maschinenbau erreicht und verdeckt häufig die entscheidenden Fragen. Diese konzentrieren sich weiterhin auf die Kosten. Der Stromverbrauch ist dabei eine Komponente, die bei den Betriebskosten stark zu Buche schlagen kann. Bei einer durchschnittlichen Werkzeugmaschine machen die Stromkosten rund ein Fünftel der jährlichen Betriebskosten aus. Bei Torantrieben dagegen sind die Stromkosten im Vergleich zu Wartung/Inspektion u.a. eher gering. Schon an diesen beiden Beispielen ist zu erkennen, dass bei der Analyse die Applikationen von entscheidender Bedeutung sind. Bei der Betrachtung spielt auch häufig noch der Anschlusswert eine Rolle, der u.a. in der Netzinfrastruktur weitere Kosten nach sich ziehen kann.

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Komponenten des Antriebsstrangs

In der Vielfalt der Antriebslösungen ist die Kombination aus Getriebemotor und Frequenzumichter der übliche Stand der Technik. Jede der Komponenten verursacht Verluste im Antriebsstrang. Vom Netz aus gesehen verliert der Umrichter einige Prozent insbesondere durch seine Schaltarbeit, die Verluste des Motors und des Getriebes sind in der Regel anteilig höher, je kleiner die Leistung der Komponente ist. Doch jede Verringerung der Verluste hat höhere Anschaffungskosten zur Folge. Somit stellt sich für das Applikationsengineering nicht nur eine technische Aufgabe, für die Anwendung optimale Komponenten einzusetzen, sondern es sind zunehmend auch die kaufmännischen Daten mit in die Überlegungen einzubeziehen.

Ein Anbieter elektrischer Antriebstechnik kann dies nur dann leisten, wenn die technische Kompetenz im Überblick und im Detail über alle Komponenten und deren Zusammenspiel gegeben ist. In diesem Zusammenhang ist die Freiheit der Beratung wichtig, die nur dann möglich ist, wenn ein sehr breites Produktspektrum gegeben ist, das sich über mehrere Ebenen erstreckt. Zum andern muss die Kundenapplikation verstanden werden und möglichst auf Erfahrung treffen. Und die Kompetenz in Investitions- und Betriebskosten sollte ebenfalls vorhanden sein. Der Antriebsspezialist Bonfiglioli mit seiner deutschen Niederlassung in Neuss kann all das bieten und so für die optimale Lösung sorgen.

Energieeffizienz im Standby

Das intelligente Abschalten nicht benötigter Funktionen macht es der Frequenzumrichterserie AgilE von Bonfiglioli möglich, dass das Gerät im Ruhezustand nur ca. ein Drittel der üblichen elektrischen Energie verbraucht. Dies führt in Applikationen mit langen Stillstandszeiten, etwa bei Torantrieben, die zwar im Standby gehalten werden müssen, aber selten genutzt werden, zu erheblichen Einsparungen, die sich in dreistelligen Eurobeträgen auszahlen können. Zudem wird die Peripherie durch die geringere Verlustwärme weniger belastet, was ebenfalls Entlastung bedeuten kann. Es sind oft die Kleinigkeiten, die den Unterschied machen.

Weiter spart der AgilE an Komplexität: Bei jedem Schritt seines Produktlebenszyklus‘ ist das Gerät sehr einfach in der Bedienung. Ob die intuitive Menüstruktur, die Unterstützung der Klemmenbelegung durch exzellente Kennzeichnung, die einfache Programmierung der integrierten SPS-Funktion – jede Bedienergruppe wird sich mit dem AgilE schnell anfreunden. Der große Funktionsumfang lässt kaum Wünsche offen – vom Start weg. Denn die Ausführung als geberloser Vektorumrichter für Asynchron- und permanenterregte Synchronmotoren öffnen ihm in Addition zur U/f-Kennlinie viele Einsatzfelder. Integrierte und optionale Kommunikationsschnittstellen ermöglichen die Einbindung des AgilE in größere Verbünde.

Zudem können die Zwischenkreise mehrere Geräte verbunden werden, so dass bremsende Antriebe die Energie für antriebende Achsen liefern. Exemplarisch lässt sich dies bei Mehrachsanwendungen in den Master-Serienmaschinen des Maschinenbauers Intermacs verdeutlichen. Dabei können so Spindel-, Spindelportal und — je nach Ausführung — auch weitere Achsen des Werkstückträgers miteinander verbunden und energetisch hoch effizient betrieben werden. Immerhin kann der Betreiber der Maschine im Normalbetrieb rund 2.850 kW/h oder 1,5 t CO2 pro Jahr einsparen.

Asynchronmotoren oder permanenterregte Synchronmaschinen

Auch hier stellt sich die Frage nach der Applikation und deren Anforderungen. Das Kriterium Energieeffizienz alleine führt nicht zur optimalen Lösung. Ist die Leistung klein bis wenige Kilowatt, ein hoher Wirkungsgrad und perfekte Regelgüte gefragt, der Preis aber eher unwichtig, dann sind permanenterregte Synchronmaschinen erste Wahl. Bei Kosten, Robustheit und Standardisierung sind die Asynchronmaschinen kaum zu schlagen. Diese sehr grobe Einschätzung lässt sich bei Bonfiglioli anhand der Applikationsdaten verfeinern und aufgrund des vorhandenen Produktspektrums mit einer entsprechenden Produktauswahl bedienen.

Ergänzt wird die Motorenauswahl um die passenden Getriebe. Bei Bonfiglioli steht die gesamte Bandbreite der marktgängigen Getriebetypen zur Verfügung. Dynamische und hochpräzise Anwendungen erfordern die Technik der spielarmen Planetengetriebe. Die Standardanwendungen hingegen kommen mit Stirnrad- oder Industrieplanetengetriebe oder Winkelgetriebe mit Kegelrad- oder Schneckenstufen aus. Bei Drehmomentanforderungen kommt man um leistungsstarke Parallelwellen- oder Planetengetriebe nicht vorbei. Bonfigliolis Bestreben ist dabei stets, in Relation zur Leistung ein geringes Gewicht und eine kleine Baugröße zu erreichen. Zudem sind die Getriebeteile meist dazu optimiert, im Betrieb energiesparend zu wirken. Am Ende steht ein mögliches Optimum für die Gesamtapplikation.

Produktseitige Freiheit als Basis für Optimum

Während Intermac aufgrund der Präzisionsanforderungen in seinen Maschinen auf Spielarmut und hohe Dynamik nicht verzichten kann, ist in vielen Anwendungen das Schneckengetriebe trotz seines schlechten Wirkungsgrads etwa aufgrund der relativ geringen Kosten die erste Wahl. Diese Wahl muss aber möglich sein, soll ein Optimum in Bezug auf die Total Cost of Ownership für die Anwendung erreicht werden. Gegeben ist diese Freiheit nur dann, wenn dem kompetenten Applikationsengineering über ein sehr breites Produktprogramm die Möglichkeiten dazu gegeben sind.

Chris Liebermann, Fachjournalist, Ubstadt-Weiher

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