Energieeffiziente Antriebstechnik dank neuer Technologien (SPS IPC Drives: 9-370)

Ein Sparpaket für die Antriebstechnik

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Ob Retrofit oder Neuanschaffung, steigende Energiekosten sind die Hauptmotivation für Maschinenbauer und -betreiber neue, energieeffiziente Techniken einzusetzen, um so die Kosten im Energiebereich wesentlich zu reduzieren. Mit Blick auf die Lebensdauer einer Maschine kann in der Tat eine erhebliche Energieeinsparung erreicht werden. Gerade der Bereich Antriebstechnik bietet mit Blick auf den Energieverbrauch ein enormes Einsparpotenzial. Insbesondere dann, wenn neueste Servomotoren – beispielsweise von Pilz − in der Antriebstechnik energieeffiziente Komplett-Lösungen ermöglichen.

DER AUTOR Dipl.-Ing. Holger Goergen ist Leiter des Technischen Büros Wuppertal der Pilz GmbH & Co. KG (www.pilz.com)

Um die Leistungsaufnahme eines Antriebssystems zu optimieren, stehen unterschied- liche Möglichkeiten zur Verfügung. Beachtet werden sollte, dass je nach Anwendung die eingesetzten Produkte und Lösungen individuell angepasst sein müssen, damit eine angestrebte Energieeinsparung greifen kann. Der Einsatz neuester, energiesparender Servomotoren lohnt sich, denn in vielen Fällen kann bis zur Hälfte der aufgenommenen Energie eingespart werden.
Die Betrachtung muss alle Komponenten einschließen
Das Thema Energieeffizienz in der Antriebstechnik sollte immer eine ganzheitliche Betrachtung aller Komponenten einschließen. Wird Energie eingespart, so sinkt je nach Maßnahme auch die Verlustleistung im Schaltschrank, wobei die Kühlung eventuell entfallen oder zumindest geringer ausfallen kann. Kühlere Schaltschränke und damit auch die längere Lebensdauer der eingesetzten Komponenten sind die konkrete Folge. Darüber hinaus sorgt Energieeffizienz für stabilere Prozesse und eine höhere Maschinenverfügbarkeit.
Grundsätzlich stehen mehrere unterschied- liche Maßnahmen zur Einsparung von Energie im Antriebsbereich zur Verfügung: Zu diesen gehören etwa der Austausch von Motoren und anderen Systemen durch solche mit verbessertem Wirkungsgrad, die Reduzierung bewegter Massen, z.B. beim Aufspüren von Überdimensionierung, die Optimierung der Bewegungsprofile und die Energierückgewinnung oder auch die Vermeidung von Lastspitzen. Viele Maßnahmen lassen sich durchaus kurzfristig und ohne großen Aufwand bzw. Investitionen umsetzen. Hierzu stehen mittlerweile geeignete Antriebs-Lösungen mit Softwaretools zur Analyse, Berechnung und Simulation zur Verfügung.
Antriebslösung unterstützt Maschinenbetreiber
Das Steuerungssystem PMCprimo DriveP von Pilz ist eine Kombination aus Motion-Control-Karte und Servoverstärker. Die Verbindung von Motion Control, SPS und Safety-Funktionen in einem Gerät macht PMCprimo DriveP zu einer kompakten Antriebs-Lösung mit geringem Platzbedarf im Schaltschrank. Konzipiert ist die Lösung für Anwendungen mit vielen Achsen und hohen Anforderungen an Leistung und synchronisierte Bewegungen. Das kompakte Baumaß, ein schneller Prozessor, digitale Ein- und Ausgänge, ein übersichtliches Software-Tool sowie die Erweiterbarkeit mit der Sicherheitskarte PMCprotego S sind Merkmale des Steuerungssystems.
Durch den parallelen Betrieb von zwei Can-open-Netzwerken erreicht das Steuerungssystem kurze Zykluszeiten mit bis zu 16 Achsen. Für die notwendige Rechenleistung sorgt dabei die neueste Generation Intel-x86-Atom-Prozessoren. Der Prozessor wird dank FPGA-Chip von der Feldbuskommunikation entlastet, wodurch komplexe Anlagen mit mehreren Achsen realisierbar sind. Durch die Druckmarkenerkennung für jede Achse kann das neue Steuerungssystem bei schnelleren Systemreaktionszeiten mehr Achsen, also auch größere Maschinen und Anlagen, in der gleichen Zeit ansteuern.
Neben den sechs digitalen Ein- und Ausgängen der Motion-Control-Steuerung werden auch die Ein- und Ausgänge des Servoverstärkers ausgewertet und angesteuert. Die zusätzlichen Ein- und Ausgänge stellen eine wirtschaftliche Lösung dar. Eine Vielzahl von Schnittstellen macht PMCprimo DriveP offen für individuelle Anforderungen.
Alle Konfigurationsdaten lassen sich auf SD-Speicherkarte speichern. Ein Gerätetausch kann innerhalb kürzester Zeit ohne Hilfsmittel wie PC, Software oder Schnittstellenkabel durchgeführt werden. Das Steuerungssystem vervollständigen auch Software-Tools, die den Anwender bei der Einarbeitung unterstützen und durch eine übersichtliche Projektdokumentation Zeit sparen.
Falls eine sicherheitsrelevante Anwendung notwendig ist, kann PMCprimo DriveP auch mit der Sicherheitskarte PMCprotego S erweitert werden. Durch diese Erweiterung ist es möglich, mit Standard-Motorfeedbacks Sil3/PLe bei vielfältigen Sicherheitsfunktionen wie z.B. „sichere reduzierte Geschwindigkeit“ zu erreichen. Mit dieser Ergänzung steht dann eine All-in-one-Motion-Control-Lösung für Antrieb, Steuerung und Sicherheit zur Verfügung.
Neue Norm fordert effizientere Motoren
Bereits 2008 wurden mit der Nomenklatur IEC 60034-30 und 2012 mit der IEC 60034-31 für Asynchronmotoren neue Effizienzklassen, d.h. Wirkungsgrade, festgelegt. Diese reichen von IE1 bis IE4 und bewirken eine graduelle Umstellung auf effizientere Antriebs-Technologien, auf die sich Maschinenbauer einstellen müssen. Für den Maschinenbauer bedeutet diese Gesetzgebung zum einen den Einsatz kostenintensiverer Asynchronmotoren, daneben müssen sie neue Konstruktionen realisieren, da die IE2- bis IE4-Motoren im Allgemeinen größer und schwerer sind. Und sie müssen, bei Einhaltung eines jeden Schrittes, mehrmalige Änderungen in der Konstruktion in Kauf nehmen.
Zudem kann aufgrund der höheren Massenträgheit die Energieaufnahme bei Asynchronmotoren zunehmen, was dem Energieeinspargedanken entgegensteht. Zwar können Asynchronmotoren, die vorwiegend im Teillastbereich betrieben werden, durch den Einsatz eines Frequenzumrichters bis zu 30 % an elektrischer Energie einsparen. Im Vergleich zu Servomotoren haben diese jedoch einen erhöhten Energiebedarf, denn diese benötigen Energie, d.h. Strom, für Drehmoment sowie für das Magnetfeld.
Dagegen kann beim Betrieb von Synchronmotoren die aufgenommene Energie fast vollständig zur Bildung des Drehmoments und damit der Umsetzung in Bewegung bzw. Moment genutzt werden. Aus diesem Grund verhält sich der bereitzustellende Energieverbrauch proportional zu den benötigten Drehzahlen und -momenten. Damit fließt insbesondere bei kleinen Drehzahlen und Momenten wesentlich weniger Strom. Die Massenträgheit bei Asynchronmotoren ohne Last liegt durchschnittlich um das 10-fache höher als bei Synchronmotoren gleicher Leistungsklasse. Folglich ist zur Beschleunigung bei Synchronmotoren nur ein Zehntel der Energie notwendig. Vor allem bei Anwendungen mit häufig wechselnden Drehzahlen lassen sich mit Synchronmotoren bzw. Servomotoren erhebliche Einsparungen erzielen.
Servomotoren sorgen für effiziente Energiebereitstellung
Die neue Generation Servomotoren PMCtendo SZ von Pilz beispielsweise hat aufgrund ihrer extrem kurzen Baulänge und ihres geringen Gewichtes eine hohe Leistungsdichte. Diese Motoren arbeiten dank ihres hohen Wirkungsgrads besonders energieeinsparend und gehen dabei in vielen Anwendungen über die Anforderungen der durch die Norm vorgegebenen, internationalen Wirkungsgradklasse IE4 hinaus. Auch die Wärmeableitung ist optimiert, sie sorgt für eine permanent hohe Leistung. Hochauflösende Absolutwert-Gebersysteme gewährleisten eine hohe Regelgüte und einen schnellen Systemstart ohne Referenzfahrt. PMCtendo SZ zeichnen sich dank geringer Rastmomente durch eine extreme Laufruhe und hohe Prozessqualität aus. Dadurch sind die Servomotoren optimal einsetzbar in Anwendungen mit mitfahrenden Achsen – also bei häufig sich ändernden Drehzahlen – sowie bei beengten Einbauverhältnissen. Die neuen Servomotoren PMCtendo SZ stehen in unterschiedlichen Kühlvarianten als Wasserkühler, Fremdlüfter oder mit natürlicher Konvektion zur Verfügung, wobei die wassergekühlten Motoren rund 35 % mehr Leistung gegenüber dem Basismodell mit Konvektion erreichen. Sie sind damit auch bei hohen Umgebungstemperaturen ohne Leistungsverlust einsetzbar.
Die Servomotoren sind kompakt, sie verfügen über eine extrem kurze Baulänge und ein geringes Gewicht, was eine hohe Leistungsdichte bedingt. Die Pilz-Servomotoren eignen sich für alle Antriebslösungen in unterschiedlichen Branchen.

PRAXIS PLUS
Komplett-Lösungen mit Synchronmotoren sind mit Blick auf die Energiebilanz in der Regel die bessere Wahl. Bedenkt der Maschinenbauer, dass durch die neue Verordnung IEC 60034-30 der bisherige Preisvorteil der Asynchrontechnik erheblich geringer ausfällt, macht die Umstellung auf Synchronmotoren für viele Anwendungen Sinn. Pilz bietet hier effiziente Lösungen, die nicht nur die Sicherheit, sondern auch die geforderte Energieeffizienz im Bereich Antriebstechnik umsetzen helfen.

INFO-TIPP
Auch wenn die Deadline für die EU-Verordnungen zu Energiesparmotoren bereits abgelaufen ist, zeigen die Diskussionen, dass das Thema „Energieeffiziente Antriebe“ nach wie vor brandaktuell ist. Um hier Transparenz zu schaffen, hat die Redaktion Experten befragt:
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