Frequenzumrichter Passgenau dimensionieren

Redakteur: Reinhard Kluger

Moderne Automatisierungstechnik liefert den Schlüssel zu energieeffizienten Maschinen. Da sind, je nach Anwendungsfall, schon mal 30 Prozent Ersparnis drin.

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Beim Design einer Maschine lassen sich verschiedene Aspekte im Hinblick auf eine hohe Energieeffizienz berücksichtigen. Dies fängt beispielsweise beim Dimensionieren der Antriebe an. Oft sind Antriebe überdimensioniert, um für zukünftige Modifikationen noch Reserven zu haben. Allein durch das richtige Verhältnis zwischen Robustheit und Zuverlässigkeit einer Maschine und dem mutmaßlich benötigten Reserven lässt sich der Energiebedarf einer Maschine optimieren. Erfahrungswerte zeigen: Das korrekte Auslegen der Antriebe spart bereits 3 bis 4 Prozent an Energie ein. Zusätzliche Effekte lassen sich erzielen, setzt der Konstrukteur konsequent auf elektronische Antriebe. Gerade Pumpen und Lüfter — vielfach Bestandteil einer Maschine — bergen im Teillastbereich hohes Sparpotenzial. Bei Anwendungen, in denen ein Motor häufig anläuft oder stoppt, bieten sich Frequenzumrichter an Stelle von Schützen an, weil die Elektronik die hohen Anlaufströme von Motoren begrenzt. Auf diese Weise lassen sich Verluste reduzieren und Lastspitzen vermeiden.

Die Palette zusätzlicher Maßnahmen rund um die Antriebstechnik ist breit gefächert:

Einsatz von Synchronmotoren mit Wirkungsgraden von 95 Prozent an Stelle der üblicherweise mit Frequenzumrichtern verwendeten Asynchronmotoren, wie es beispielsweise mit der Umrichterfamilie Altivar 71 von Schneider Electric möglich ist. Dies bietet eine Effizienzsteigerung um bis zu 10 Prozent.

Ersatz von Mechanik durch Motion-Technologie und Servoantriebssysteme für die Synchronisation von Bewegungen, den Ersatz von Nockenschaltwerken oder Kurvenscheiben. Eine solche Lösung bietet gleich zwei Vorteile: Neben einer höheren Energieeffizienz lässt sich hiermit zusätzlich eine höhere Performance der Maschine erzielen.

Maschine komplett abschalten

Ersatz von Hydraulik und Pneumatik durch elektrische Lösungen. Gerade bei pneumatischen Systemen sind Verluste durch Leckagen meist unvermeidlich, so dass ihr Ersatz durch elektrische Lösungen den Energieverbrauch im Betrieb deutlich reduzieren kann.

Neben den mehr oder weniger offensichtlichen Maßnahmen zur Effizienzsteigerung spielt auch die Software-Entwicklung eine Rolle bei der Reduzierung des Energiebedarfs einer Maschine. Heute wird vielfach das Steuerungssystem einer Maschine beim Abschalten unter Spannung gehalten, um nach einer Produktionspause schnell wieder anfahren zu können. Dabei entstehen nicht unerhebliche Standby-Verluste. Bei entsprechender Programmierung kann der gesamte Zustand der Maschine mit allen relevanten Parametern vor dem Ausschalten gesichert und bei Wiedereinschalten vor dem Anfahren geladen werden. So lässt sich die Maschine komplett abschalten, ohne dass einzelne Teile wie beispielsweise das Steuerungssystem unter Spannung gehalten werden müssen. Weitere Ansatzpunkte im Software-Engineering sind beispielsweise der Einsatz von Predictive Control-Reglern an Stelle der klassischerweise oft genutzen PID-Regler oder intelligente Sequenzen zum Anfahren von Maschinen, mit denen sich hohe Einschaltstrom-Spitzen vermeiden lassen.

Aktives Energiemanagement

Wesentlich beim Bau effizienter Maschinen ist ein aktives Energiemanagement. Erfahrungswerte zeigen, dass permanente Messungen und Analysen der Energieaufnahme bis zu 8 Prozent Einsparpotenzial bringen. Dieses ergibt sich aus der Möglichkeit, Anomalien im Energieverbrauch und damit Probleme mit der Maschine sehr früh zu erkennen. Vorbeugende Instandhaltung vermeidet somit Stillstände und Produktionsausfälle.

Dreißig Prozent sind drin

Über die hier aufgezeigten Maßnahmen hinaus existiert noch eine Vielzahl weiterer Ansätze. Ein gutes Beispiel für mehr Energieeffizienz im Maschinenbau ist die zur vergangenen Interpack vorgestellte horizontale Schlauchbeutelmaschine SP2-NG des italienischen Maschinenbauers ACMA: Die neue Maschine benötigt je nach Betriebsbedingungen bis zu 30 Prozent weniger Energie als die Vorgängerserie. Möglich wurde diese Verbesserung durch eine Analyse der Ist-Situation mit anschließender Optimierung des Bewegungsdesigns, was eine Einsparung von 10 Prozent zur Folge hatte. Zudem brachte eine Drehzahlregelung bei einer energieintensiven Vakuumpumpe eine weitere Einsparung von 20 Prozent.

SPS/IPC/DRIVES 2011: Halle 4, Stand 310

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