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Energiebedarf gesenkt, Durchsatz gesteigert!

Experten-Interview zu Strategien rund um energieeffiziente Antriebe
Energiebedarf gesenkt, Durchsatz gesteigert!

Die IE-Klassifizierung lenkt den Fokus von Maschinen- und Anlagenkonstrukteuren zunächst auf die Komponente Antrieb. Alle von der elektro AUTOMATION befragten Experten betonen aber, wie wichtig es ist, die zu lösende Aufgabe ganzheitlich zu betrachten. Konkret bedeutet das, dass sich mit anwendungsspezifisch programmierten Bewegungsabläufen anstelle einfacher Starts und Stopps Aufgaben nicht nur energieeffizenter lösen lassen, sondern gleichzeitig auch noch der Durchsatz steigt.

elektro AUTOMATION: Zu Recht muss beim Einsatz von Elektroantrieben neben den IE-Effizienzklassen immer die jeweilige konkrete Anwendung beachtet werden – bei häufigen Starts/Stopps spielt beispielsweise das Trägheitsmoment des Antriebs eine entscheidende Rolle. Wie gehen Sie mit dem möglichen Konflikt zwischen politisch gewollten Effizienzklassen einerseits und der stets sinnvollen Betrachtung des Gesamtsystems andererseits um?

Dürrschmidt (Danfoss): Wir sehen da keinen Konflikt. Die vorgeschriebenen Motoren müssen Anwender in weiten Bereichen einsetzen und letztlich definiert die Regelung auch alle Ausnahmen, beispielsweise Betriebsdauern. Weiterhin vertritt Danfoss schon von jeher die Meinung, nur die Betrachtung des Gesamtsystems bringt die maximal möglichen Energieeinsparungen. Und dabei helfen die effizienteren Motoren in vielen Fällen. Zudem kann der Frequenzumrichter dies unterstützen, indem er beispielsweise häufige Start-Stopp-Prozesse durch eine angepasste Regelung hin zu einem kontinuierlichen Prozess optimiert, beispielsweise bei einer unbemannten Pumpstation. Das schont die Motoren, spart durch einen kontinuierlichen Teillastbetrieb durchaus Energie und optimiert das Gesamtsystem.
Rapp (AMK): Die aktuell gültigen Normen beziehen sich auf Norm-Asynchron-Motoren. Regelantriebe sollen erst mit der IE4-Klasse berücksichtigt werden. Technologisch ist dabei der Übergang zu permanentmagneterregten Synchronmotoren beinahe unumstößlich. Für dynamisch geregelte Servoantriebe ist diese Technologie aber schon lange marktüblich. Das wirtschaftliche Optimum bezüglich Investitions- und Betriebskosten führte und führt auch in Zukunft bei dynamischen Applikationen zur Entwicklung von Motoren mit möglichst geringer Eigenträgheit. Damit sind sie auch bezüglich der System-Energieeffizienz optimal. Die durch die Norm betrachteten Motorwirkungsgrade berücksichtigt AMK zugunsten von tatsächlicher Energieeffizienz nicht.
Rebbereh (Siemens): Die Frage ist vollkommen berechtigt: es gibt vereinzelte Anwendungen und Arten der Betriebsführung, bei denen ein Motor höherer IE-Klasse tatsächlich eine schlechtere Energieeffizienz in der Anwendung bewirkt. Die Norm ist nicht in der Lage, hier auf alle denkbaren Sonderfälle Rücksicht zu nehmen, da sie andernfalls zu kompliziert würde und das eigentliche Ziel aus dem Fokus verlöre. Unsere Kunden und natürlich auch wir sind hier an die Norm gebunden. Trotzdem und gerade deshalb lohnt sich hier ein genauerer Blick auf System und Betriebsführung. Gegebenenfalls ist beispielsweise ein Fließbetrieb anstelle des Taktbetriebs möglich – und bringt dabei sogar noch höheren Durchsatz. Unser Fokus liegt immer auf der ganzheitlichen Betrachtung des Systems, und dort sind praktisch immer Vorteile zu heben.
Steinmann (Lenze): Um genau diesen scheinbaren Widerspruch zu lösen, ist es wichtig, den Antrieb genau auszulegen. Der Trend heißt ‚weg vom Standardmotor, hin zur genau auf eine Applikation zugeschnittenen Lösung‘. Lenze trägt diesem Trend durch ein spezialisiertes Angebot Rechnung. Für Anwendungen mit häufigerem Lastwechsel wie etwa beim Positionieren von Waren/Gütern in einem Lager, bietet Lenze Lösungen, die sowohl weniger Platz benötigen als auch energieeffizienter sind, als es gesetzlich vorgeschriebene Motoren wären. Kern ist hier unser Drehstrommotor MF. Speziell für die Fördertechnik wurde der Lenze Smart Motor entwickelt. Durch seine hohe Überlastfähigkeit ist er für Anfahrvorgänge mit hohem Drehmoment geeignet und auch während der Konstantfahrt gut ausgenutzt. Überdimensionierungen, die zu einer schlechten Energieeffizienz führen, wie von netzbetriebenen Motoren bekannt, werden vermieden.
elektro AUTOMATION: Können Sie ein plakatives Beispiel nennen, bei dem der Systemansatz in der Summe zu einer leistungsfähigeren Maschine/Anlage führte?
Dürrschmidt (Danfoss): Ein gutes Beispiel für optimale Einsparungen bei einem Systemansatz liefern raumlufttechnische Anlagen, auch als Lüftungsanlagen bekannt. Viele Hersteller werben mit optimalen Komponenten bestehend aus Motor, Elektronik und integriertem Lüfterrad direkt auf der Nabe des Motors als Außenläufer. Eine von uns in Auftrag gegebene Studie zeigt allerdings, dass eine Auswahl der für die jeweilige Anwendung optimierten Komponenten – im Beispiel Frequenzumrichter, (Permanentmagnet-)Motor sowie optimales Lüfterrad – einen besseren Wirkungsgrad des Gesamtsystems erreicht, bei gleichzeitig besserer Nachhaltigkeit und besseren Wartungseigenschaften (siehe nebenstehende Grafik). Der Punkt ist, dass hier die höchste Effizienz einer Komponente – des Motors – im Kompaktsystem durch die Nachteile einer anderen Komponente mehr als aufgehoben wird. Das heißt nur eine Betrachtung des Gesamtsystems führt in dieser Anwendung zum Ziel.
Rapp (AMK): Ein Kunde konnte in seiner Maschine eine enorme Steigerung der Energieeffizienz erreichen. Durch die extrem hohe Leistungsdichte unserer Antriebe werden im Bewegungsablauf möglichst geringe Massen beschleunigt und abgebremst. Die Bewegungen werden dadurch nicht nur schneller, sondern eben auch wesentlich verlustärmer. Gleichzeitig werden andere Verbraucher wie Pumpen und Lüfter in Pausenzeiten in der Drehzahl reduziert. Dadurch spart das System wesentlich mehr Energie, als man durch verlustoptimierte Motoren allein erreichen könnte. Im vorliegenden Fall handelt es sich zudem noch um flüssigkeitsgekühlte Motoren und Leistungselektronik. Die Abwärme, die durch die verbleibenden Verluste entsteht, wird dem Prozess als Prozesswärme zugeführt, wodurch nahezu 100 Prozent der eingesetzten Energie genutzt werden. Unser Kunde hat uns dafür mit dem Energieeffizienz-Award ausgezeichnet.
Rebbereh (Siemens): Ein sehr anschauliches Beispiel ist eine Kartonmaschine: Durch den typischen Wechsel zwischen motorischen und generatorischen Anforderungen bei der Papierproduktion wird viel Energie verbraucht. Bei einem integrierten Antriebssystem aus optimal aufeinander abgestimmten High-Torque-Motoren und Servoumrichtern übernehmen letztere alle Antriebsaufgaben. So wird nicht nur der Wirkungsgrad erhöht, sondern auch die Energieeffizienz.
Steinmann (Lenze): Unsere Messungen an einem Rollenförderer für Paletten ergaben, dass das benötigte Beschleunigungsmoment vier Mal größer ist, als das benötigte Dauermoment. Damit ein Standarddrehstrommotor – angesteuert durch ein Schütz oder einen Starter – das benötigte Beschleunigungsmoment erzielt, muss ein relativ großer Motor mit entsprechend großem Maximalmoment gewählt werden. Daraus folgt jedoch, dass der Motor während der Konstantfahrt schlecht ausgenutzt ist, nämlich nur zu etwa 50 Prozent. Dem gegenüber lässt sich mit dem Lenze Smart Motor, bei dem eine elektronische Ansteuerung bereits in den Motor integriert ist, eine deutlich höhere Überlastfähigkeit erzielen. Sowohl das Maximal- als auch das Dauermoment passen perfekt zu den Förderanwendungen, so dass der Motor in allen Betriebspunkten gut ausgelegt ist, was den Energieverbrauch um über 15 Prozent reduziert.
elektro AUTOMATION: Sehen Sie sich selbst überwiegend als Komponentenanbieter oder spielt für Sie die Beratung der Kunden (bis hin zur Ingenieurdienstleistung) eine wachsende Rolle? Liegt Ihr Fokus hier neben fachlichen Aspekten (etwa der Built-in Safety) auch auf bestimmten Branchen?
Dürrschmidt (Danfoss): Danfoss sieht sich als Lieferant hochwertiger Komponenten zur Motorsteuerung beziehungsweise elektronischen Drehzahlregelung. Ziel ist es, Kunden die bestmögliche Regelung für alle wichtigen Motortechnologien zu liefern. So setzen wir auf ein offenes Konzept, das dem Anwender die Freiheit lässt, sich den besten Motor für seine Anwendung auszuwählen. Damit sind dann auch Konzepte, wie beispielsweise EC+ möglich, bei denen der Anwender seine Freiheit behält, sich nicht ausschließlich an einen Hersteller zu binden. Im Verkauf sind wir branchenorientiert aufgestellt. Das garantiert, dass unsere Verkaufsingenieure in ihren Branchen – wie Chemie, Wasser/Abwasser, Marine, Gebäudetechnik oder Food&Beverage – Spezialisten sind und den Kunden mit umfangreichem Know-how bei der Lösung der jeweiligen Antriebsaufgabe unterstützen und kompetent beraten. Darauf basiert auch der langjährige Erfolg von Danfoss.
Rapp (AMK): Wir sehen uns als Automatisierungspartner unserer Kunden und begleiten die Projekte schon in einem sehr frühen Stadium des Entwicklungsprozesses. Dabei spielen natürlich auch Dienstleistungen von der Antriebsauslegung über die Programmierung bis hin zum Servicemanagement und der Fernwartung eine gewichtige Rolle. Mit unseren hybriden Automatisierungslösungen bieten wir ein durchdachtes Systemkonzept von variabel kombinierbarer Antriebs- und Steuerungstechnik. Unter hybriden Automatisierungslösungen verstehen wir Systeme, bei denen Regler und Leistungselektronik entweder zentral im Schaltschrank oder dezentral ohne Schaltschrank in der Maschine platziert werden können. Unser Fokus bei der Produktentwicklung war dabei auf die Branchen Verpackung, Robotik und Textil gerichtet. Heute erleben wir branchenübergreifend ein sehr großes Interesse an diesem Systemansatz.
Rebbereh (Siemens): Das hängt ganz vom Kunden ab. Wir haben sehr erfahrene und kompetente Kunden, die genau wissen, welche Antriebsaufgabe sie wie lösen möchten. Hier unterstützen wir bei der Auswahl der optimalen Komponente, stimmen alle Aspekte der Lieferung ab und helfen bei Bedarf bei der Inbetriebnahme. Das alles natürlich immer genau so weit, wie unser jeweiliger Kunde das wünscht oder benötigt. Wir liefern gerne zuverlässig eine über eine Bestellnummer georderte Komponente. Als anderes Extrem können wir aber auch die gesamte Maschine einer FEM-Simulation unterziehen und so beispielsweise Eigenfrequenzen vorhersagen und bereits bei der Auswahl der Antriebe geeignete Gegenmaßnahmen einplanen.
Steinmann (Lenze): Engineering-Zeiten und Aufwände einer Maschine beziehungsweise Anlage rücken mehr und mehr in den Fokus unserer Kunden und werden zu einem wesentlichen Differenzierungskriterium. Unsere Antwort darauf ist die Entlastung der Kunden über den gesamten Lebenszyklus einer Maschine. Denn Lenzes Verständnis von Motion Centric Automation geht weit über die bloße Produkt- und Technikexpertise hinaus. Wir unterstützen die Kunden bei ihren unterschiedlichen Aufgaben und stellen dafür je nach Anwendungsfall und Komplexität die passenden Produkte und Leistungen bereit: Von einzelnen Komponenten über umfassenden Support in der Designphase bis hin zur Komplettlieferung von gesamten Systemen. So können wir in Prozesspartnerschaften den größtmöglichen Mehrwert generieren und lösen unser Leistungsversprechen ‚So einfach ist das‘ ein, indem wir unseren Kunden das Engineering so einfach wie möglich machen.
elektro AUTOMATION: Wie weit ist bei Ihnen die Entwicklung sogenannter ‚smarter‘ Komponenten im Sinne der Smart Factory (Industrie 4.0) vorangeschritten und wie definieren Sie einen ‚smarten‘ Motor? Welche Möglichkeiten lassen sich damit nutzen?
Dürrschmidt (Danfoss): Smarte Komponenten im Sinne der Smart Factory setzen meist in höheren Steuerungsebenen an. Betrachten wir die Antriebe selber, so gibt es für viele Anwendungen eigentlich keinen ‚smarten‘ Motor, sondern Motoren bekommen die Intelligenz als Antriebe durch die vorangestellten Steuerungen beziehungsweise Frequenzumrichter. Und da gibt es viele Entwicklungen. Neben den bereits etablierten oder gerade erst aufkommenden Kommunikationsschnittstellen von Profibus bis hin zu ethernetbasierten Protokollen, gehören dazu auch weiterführende Überwachungs- und Sicherheitsfunktionen in vielen Produktionsprozessen. So hat Danfoss beispielsweise viele logische Funktionen in seine Umrichter integriert, die sogar in vielen Fällen eine Kleinststeuerung ersetzen können. Daneben sorgen Überwachungsfunktionen wie etwa Isolationsüberwachung, ATEX-Schutz von Motoren in explosionsgeschützten Bereichen bis hin zu kompletten Liftsteuerungen für mehr Intelligenz direkt im Antrieb. Funktionale Sicherheit ist auch auf dem Vormarsch und weitere Lösungen werden folgen.
Rapp (AMK): Das Thema Industrie 4.0 ist sehr schwach definiert und daher praktisch auf alles anzuwenden. Daher ist hier keine klar umrissene Antwort möglich. Die Frage nach dem ‚smarten‘ Motor ist interessant. Wir haben im Jahr 2006 die Produktreihe ‚Amkasmart‘ mit der Baureihe iDT4 eingeführt. Dabei handelt es sich um einen Servomotor mit integrierter Lageerfassung, Servoregler, Leistungselektronik, Positionierintelligenz und Echtzeit-Feldbusschnittstelle. Die Einsatzmöglichkeiten sehen wir und unsere Kunden vorwiegend im Aufbau modularer Maschinen. Dabei kann eine Grundmaschine einfach mit unterschiedlichen Optionen erweitert werden, womit sie sich flexibel an rasch ändernde Aufgaben anpasst. Über die Feldbusanbindung vernetzt sich die Einzelachse mit den modernen Kommunikationsmöglichkeiten, womit wir doch beim Thema Industrie 4.0 gelandet sind.
Rebbereh (Siemens): Die Intelligenz unserer einzelnen Komponenten sowie im Zusammenspiel der einzelnen Einheiten ist ein klarer Fokus unserer Strategie. Heute enthalten die Geber an unseren Servomotoren bereits alle relevanten Daten und erlauben so eine schnelle, fehlerfreie und effiziente Inbetriebnahme. Morgen könnte ein solcher Geber auch eine Unwucht oder abnormale Vibrationen detektieren, die vom Gesamtsystem analysiert werden und beispielsweise einen drohenden Anlagenausfall vorhersagen. Ob dann gleich der Servicetechniker bestellt oder erstmal nur die zu erwartenden Ersatzteile beschafft werden, ist letztlich der persönlichen Service-Strategie des Anwenders überlassen. Wir unterstützen mit den verfügbaren Informationen und bieten Optionen für die weiteren Aktivitäten an.
Steinmann (Lenze): Wir verfügen mit dem Lenze Smart Motor bereits heute über eine innovative Lösung für fördertechnische Anwendungen, die in Richtung Industrie 4.0 führt. ‚Smart‘ bedeutet dabei für uns, dass wir durch den klaren Anwendungsbezug und die mechatronische Integration von Intelligenz an der richtigen Stelle einen deutlichen Mehrwert für Maschinenbauer und Endanwender bieten. Kurzum: Wir wollen es unseren Kunden spürbar einfacher machen. Beim Lenze Smart Motor drückt sich dies – neben einer hohen Energieeffizienz – durch die Möglichkeit zur Variantenreduzierung, die einfache elektrische Installation, die Integration von Schütz- und Starterfunktionen sowie die kinderleichte Bedienung via Smartphone aus. co

DIE EXPERTEN
  • Jürgen Rapp, Leiter Technisches Marketing, AMK Arnold Müller GmbH & Co. KG, Kirchheim/Teck
  • Rudolf Dürrschmidt, Marketingleiter, Danfoss GmbH VLT Antriebstechnik, Offenbach
  • Thorben Steinmann, Produktmanager, Lenze, Aerzen
  • Dr. Carsten Rebbereh, Leiter Produktmanagement Drives im Business Segment Large Drives der Siemens Drive Technologies, Siemens AG, Nürnberg
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So war das mit den Messen vor dem Auftauchen des Coronavirus: Blicken Sie mit uns zurück auf die SPS in Nürnberg...

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