Antriebstechnik Schluss mit der Verschwendung bei elektrischen Antrieben

Autor / Redakteur: Thomas Herold* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Rund zwei Drittel des Strombedarfs in der deutschen Industrie entfallen auf elektrische Antriebe. Ein lohnendes Vorhaben, hier drinsteckende Einsparpotenziale zu heben. Neue Antriebstechnologien und Maschinenkonzepte machen es möglich.

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Das leistungsfähige Antriebspaket von Bonfiglioli und Tooldrives ist besonders für hochdrehende Werkzeuge geeignet.
Das leistungsfähige Antriebspaket von Bonfiglioli und Tooldrives ist besonders für hochdrehende Werkzeuge geeignet.
(Bild: Tooldrives)

In der aktuellen wirtschaftlichen Lage stellt sich die Frage, wann der Wachstumsmotor der Wirtschaft wieder anspringt. Zukunftsthemen sind neben dem wirtschaftlichen Wachstum auch Ressourcen-, Energie- sowie Klimafragen. Im Bereich Energie, genauer gesagt energieeffizienter Antriebssysteme schlummern große Einsparpotentiale. Der italienische Antriebsspezialist Bonfiglioli bietet diesbezüglich mit dem Agile einen energieeffizienten Frequenzumrichter, der für eine Vielzahl von Industrieanwendungen, wie beispielsweise in der Möbelfertigung, ausgelegt ist.

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Drehstromasynchronmotoren – Standard in der Industrie

Die in der Industrie überwiegend eingesetzten Antriebsmotoren sind Drehstromasynchronmotoren (DASM), für die IE3 (Premium hohe Effizienz) der aktuelle Standard auf dem Markt und in den Anwendungen ist. Bereits seit Anfang des Jahres 2015 müssen Motoren im Leistungsbereich von 7,5 kW bis 375 kW mindestens der Energieeffizienzklasse IE3 entsprechen. Dieser Bereich wurde im Jahr 2017 noch von 7,5 kW auf bereits ab 0,75 kW ausgeweitet. Jedoch liegt gerade der Großteil, der in der Industrie eingesetzten DASM im unteren Leistungsbereich von weniger als 1 kW, die im Teillastbereich oftmals einen sehr schlechten Wirkungsgrad erzielen.

Abhilfe bieten da permanenterregte Synchronmotoren (PSM) in Verbindung mit sensorlosen Regelverfahren. Technologiebedingt steckt in diesen Motoren ein theoretischer Wirkungsgradvorteil von über 30 Prozent, gegenüber den DASM.

Antriebspaket für hochdrehende Werkzeuge

Die beiden Unternehmen Bonfiglioli Vectron GmbH aus Krefeld und die Tooldrives GmbH aus dem Hochsauerlandkreis haben daher in Zusammenarbeit für hochdrehende Werkzeugantriebe ein leistungsfähiges Antriebspaket geschnürt, das aus dem Premium Frequenzumrichter Agile aus Bonfigliolis Elektronikschmiede in Krefeld besteht und dem PSM Compact Line von Tooldrives. Das kompakte Antriebspaket mit hoher Leistungsdichte bietet dem Anwender zudem noch weitere Vorteile als die reine Einsparung von Energie.

Buchtipp

Das Buch Antriebsauslegung hilft bei der Auswahl der wesentlichen Bestandteile elektrischer Antriebssysteme: Motor, Getriebe, Stellgerät, Netzversorgung sowie deren Zusatzkomponenten. Auch auf die Berechnung wird intensiv eingegangen.

Schnelle Regelung im Hochfrequenzbereich

So macht es der optimierte sensorlose Beobachtungsalgorithmus des Frequenzumrichters, mit Leistungen von 0,25 bis 11 kW, der für Kompaktheit, Energieeffizienz und lange Lebensdauer steht möglich, schnelles Bohren und Fräsen mit über 1200 Hz Ausgangsfrequenz auch im Feldschwächebereich der PSM präzise zu regeln. Durch dieses Verfahren entfällt auch das Signalkabel, verringert somit den Verkabelungsaufwand und spart weitere Kosten.

Um mit der Außenwelt, d. h. der Steuerung zu kommunizieren, stehen umfangreiche Schnittstellen von Ethercat bis Profinet zur Verfügung. Eine schnelle Diagnose ermöglicht die bereits eingebaute Segmentanzeige. Functional Safety ist mit STO bereits standardmäßig integriert. In den programmierbaren Parametersätzen des Agile können unterschiedliche Trägheiten und relevante Reglereinstellungen der Werkzeuge hinterlegt werden. Eventueller Bohrer Verschleiß oder -bruch lassen sich durch den Frequenzumrichter bereits frühzeitig diagnostizieren.

Der Motor von Tooldrives mit einem Leistungsbereich von 0,3 bis 3 KW bietet eine abgestimmte Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik, um verschiedenste Materialien wie Holz, aber auch MDF und Metall bearbeiten zu können. Eine hohe Rundlaufgenauigkeit, die Baugröße und die robuste Lagerung machen ihn zu einem echten Allrounder.

Antriebssystem für Möbelfertigungen

In modernen Möbelfertigungen kommen sehr viele Spindeln zum Einsatz, die über ein Getriebe miteinander verbunden sind. Die Motorleistung wird entsprechend der Spindelanzahl und Bohrleistung verteilt. Tooldrives geht hier als Pionier einen anderen Weg und versieht jede Spindel mit einem PSM der Compact Line und Frequenzumrichter Agile. Der Vorteil ist hierbei: Die Spindeln werden einzeln angetrieben und lassen wesentlich höhere Drehzahlen als bei den Bohrgetrieben mit DASM zu. Außerdem verringern sich sowohl der Platzbedarf als auch das Gewicht.

Messungen und Vergleiche erfolgreich durchgeführt

An der Technischen Hochschule Ostwestfalen Lippe (OWL) wurden umfangreiche Messreihen gefahren, um die theoretische Betrachtung hinsichtlich der Energieeffizienz zu beweisen. Als Test wurden identische Bohrbilder in einen homogenen Werkstoff (30 mm MDF-Platte) erstellt. Die abgegebene Leistung der Bohrer ist gleich, so dass die zugeführte Energie bei beiden Systemen gemessen wurde. Bei dem Test wurden jeweils zwei Arrays von zehn mal zehn Bohrungen angelegt, insgesamt also 200. Für die Messungen wurde die Z-Achse mit der Bohrspindel mit 4 m/min und die Drehzahl der Bohrer auf 8000 1/min eingestellt. Die Messergebnisse der Hochschule OWL beweisen, dass die theoretischen 30 Prozent nur der unterste Wert der Ersparnis sind.

Viele Anwendungsbereiche

Das beschriebene Antriebspaket der Antriebsspezialisten Bonfiglioli und Tooldrives für die Hochfrequenz Spindelbearbeitung ermöglicht neue Maschinenkonzepte nicht nur in der Holz- und Metallindustrie. Auch hochdrehende Applikationen wie Kompressoren und Lüfter lassen sich mit diesem Antriebskonzept umsetzen. Nicht nur in erneuerbaren Energien wie Solar und Windkraft stecken Einsparpotenziale. Mindestens ebenso in neuen Antriebstechnologien und Maschinenkonzepten.

* Thomas Herold, arbeitet in einem PR-Büro in Ubstadt-Weiher

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