Foto: Lenze
Die Teillast beherrschen

Nach wie vor werden Energieeffizienz-Betrachtungen überwiegend auf Komponentenebene unternommen, resultierend aus staatlichen Vorgaben.

Die IE-Einstufungen von Motoren sind dafür genauso ein Beleg, wie die Energielabel einzelner Haushaltsgeräte. Eine Bewertung der Energieeffizienz für die Erledigung einer definierten Aufgabe findet in der Regel nicht statt. Dabei lässt sich mit einer Systemoptimierung eine wesentlich bessere Ressourceneffizienz erreichen, als mit dem kostspieligen Herumfeilen an Wirkungsgrad im Bemessungspunkt, der sich nur auf homöopathischem Niveau verbessern lässt.

Gesamtzusammenhänge sind gefragt und Systeme, die sich selber optimieren, um gerade auch bei Teillast so sparsam wie nur möglich zu arbeiten. Die Ressourceneffizienz ist deshalb aus Sicht von Lenze ein integraler Bestandteil der Industrie 4.0. 

 

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Der energetische Blick zurück auf die Antriebstechnik von gestern lässt sich in fünf Funktionsbereiche aufteilen, die sich durch die Komplexität der Anwendung unterscheiden. Waren auf Komponentenebene etwa IE2-Motoren gefragt, stand bei geregelten Antrieben der Servo im Mittelpunkt. Optimierungen hatten die Aufgabe, die Bewegungsführung effizienter zu gestalten, was bei Lenze aus Aerzen zum Beispiel zur Entwicklung der Auslegungssoftware Drive Solution Designer (DSD) führte. Waren Antriebe in einem Mehrachsverbund miteinander gekoppelt, gab es erste Zwischenkreis- Lösungen, um die Bremsenergie als Folge des generatorischen Effekts wirkungsvoll zu nutzen. Rückspeisen, statt in Widerständen verheizen: Das Gestern der Antriebstechnik hielt auch erste Ideen bereit, die Bremsenergie größerer Einzelantriebe in das Netz zurückzuspeisen. Ein typisches Beispiel sind Regalbediengeräte mit Leistungen oberhalb von 40 Kilowatt. Die dafür notwendige Technik gestaltete sich allerdings so komplex und kostspielig, dass sich Realisierung nur auf den kosmetischen und nicht auf den betriebswirtschaftlichen Nutzen des Anwenders abstützen ließ.


Zudem treten auch heute noch immer wieder Fragestellung zur Netzverzerrung aufgrund von Oberschwingungen auf.

 

IE3 und Teillastoptimierung: Das ist heute


Was bietet das Heute für eine energieeffiziente Antriebstechnik? Ausgehend von der Komponentenebene beginnt sich der Blick langsam auf das Zusammenspiel mehrerer Elemente zu erweitern. Gestern war nur der Motor interessant, was durchaus dazu führte, einen vermeintlich effizienten IE2-Motor gerne mal mit einem wirkungsgradschwachen Schneckengetriebe zu kombinieren. Normseitig völlig in Ordnung, effizienzseitig eine mittlere Katastrophe. Heute prägen bereits IE3-Motoren das Bild in Anwendungen mit festen Drehzahlen, und Lenze kombiniert diese bei der neuen Getriebebaureihe g500 mit höher übersetzten Stufen. Auch wenn der Verbundgedanke wächst, die rechtliche Seite betrachtet noch immer nicht den Energieverbrauch der Getriebe. Bei den geregelten Antrieben kommen ebenfalls verstärkt IE3-Motoren zum Einsatz. Lenze erweitert das Ganze aktuell mit weiteren Verbrauchsoptimierungen vor allem im Teillastbereich mit der Funktion VFCeco zur Anpassung des Magnetisierungsstroms. Heute lassen sich selbst anspruchsvolle Mehrachsanwendungen auf den Punkt genau auslegen und somit optimieren, was bei Lenze in der Weiterentwicklung des Antriebsauslegungstools Drive Solution Designer (DSD) sichtbar wird.


Und der Zwischenkreisverbund von gestern? Lenze hat ihn, auch mit Hilfe des DSD, erweitert um dedizierte Berechnungsmöglichkeiten, die letztlich dazu dienen, Energieeinsparungen bis 30 Prozent zu erzielen.

 

Weniger Verschwendung durch Standby: Das kommt morgen


Gestern und heute zeigen, wie sukzessive immer mehr Software, Mechatronik sowie das vernetzte Verständnis für eine Applikation Einzug halten, um die Antriebstechnik effizienter zu gestalten. Beim Morgen wird eine Herausforderung darin bestehen, wie sich vor allem die Standby- Leistungen gleichermaßen wirksam und betriebssicher eliminieren lassen. Dazu ist es notwendig, noch mehr den Kontext einer Gesamtproduktion in die Maschinenentwicklung einfließen zu lassen.


Auf Komponentenebene rechnet Lenze damit, dass der sparsame Standby-Betrieb genauso Thema sein wird wie die weitere Einsparung von Getriebestufen oder die Beerdigung des Schneckengetriebes. Bei drehzahlvariablen Antrieben bestimmen IE4-Motoren mit Regelung das Bild, neue Effizienzbewertungen von Systemen halten Einzug, was bereits mit der neuen Eco-Design- Norm DIN EN 50598 erkennbar ist. Das Ganze wird begleitet durch neue Werkstoffe, die Möglichkeiten schaffen, Geräte noch kompakter zu bauen und die Eigenverluste weiter zu senken. Bestes Beispiel dafür: Die neuen Frequenzumrichter i500, die Lenze erstmals auf der SPS IPC Drives 2015 in Nürnberg der breiten Öffentlichkeit zeigt.


Auch das Thema der Energierückspeisung erhält neue Dynamik. Bei Lenze mit einem ganz neuen Weg. Weil sich bei der Active Front End Technik (AFE) von gestern die Energieeinsparungen nur zu einem recht hohen Preis gepaart mit viel Arbeit erschließen ließen, hat Lenze gemeinsam mit Partnern aus dem Spitzencluster „it’s OWL“ ein ganz neues Rückspeisekonzept entwickelt, das gerade auf dem Weg zur Serienreife ist.


Ein Konzept, welches sich vergleichen lässt mit einem verteilten, dezentralen DC-Netz, in dem der Zwischenkreis quasi seinen Schaltschrank verlässt und damit offener wird für alle Teilnehmer eines Systems. Die Bremsenergie wird zuerst einmal direkt zu Verbrauchern über das DC-Netz verteilt, und der Rest wird durch eine skalierbare Rückspeisung, gerade so groß wie hierfür benötigt, genutzt und nicht in einem Bremswiderstand verheizt.


Auf Auslegungsebene wird es zu einer Anbindung von Softwarewerkzeugen wie dem DSD an die Entwicklungsebene des Maschinenbaukunden kommen. Damit wird der Weg frei für weitere Optimierungen und eine bessere Orientierung an den tatsächlichen Bedürfnissen der Produktion und an die eingesetzten Maschinen. Auf der Nutzungsebene führt diese Entwicklung zu neuen Messverfahren innerhalb eines übergreifenden Energiemanagements sowie individuellen Kennlinienfeldern, die alle Betriebszustände abdecken, um so die Teillastverluste zu senken.

 

Energetische Selbstoptimierung: Das Ziel für übermorgen


Industrie 4.0: Die Zusammenhänge cyberphysischer Systeme lassen sich übermorgen dafür nutzen, die Energieeffizienz weiter zu verbessern, weil Maschinen durch höhere Freiheitsgrade automatisch erkennen, wann und wie sie ihren Betrieb optimieren können. Die Herausforderungen der Zukunft werden folglich noch mehr darin bestehen, Maschinen und Anlagen nicht auf einen Nennpunkt hin auszulegen, sondern sie so auszurüsten, dass sie ihren für die Erledigung der definierten Aufgabe benötigten Energiebedarf unter Nebenbedingungen, wie zum Beispiel Zeit, selbst minimieren können. Dann könnte von einer intelligenten, dynamischen Auslegung der Maschinen- und Anlagenperformance die Rede sein. Energetisch betrachtet handelte es sich dann um eine Industrie-4.1-Lösung.

 

Fazit


Die Entwicklung der Antriebs- und Steuerungstechnik gestern, heute, morgen und übermorgen zeigt, dass vor allem mechatronische Integration, funktionale Vernetzung und Systemintegration ein wirksames Mittel sind zur Steigerung der Energieeffizienz. Mit den Möglichkeiten der Industrie 4.0 werden Maschinen noch besser in der Lage sein, sich in einem Produktionsverbund auf Basis der situativen Auslastung selbstständig zu optimieren und miteinander abzustimmen. 

www.lenze.com

 

Titelthema aus dhf 11.2015

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