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Nur die Systembetrachtung führt zur optimalen Energieeffizienz

Energie speichern im Zwischenkreis – eine Chance für die Energieeffizienz?
Nur die Systembetrachtung führt zur optimalen Energieeffizienz

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Bei einem stark schwankenden Bedarf an elektrischer Antriebsleistung bietet sich der Einsatz von Frequenzumrichtern zur Drehzahlanpassung an. Verlustfrei arbeiten diese aber nicht, weswegen die Systembetrachtung – insbesondere auch in frühen Phasen der Antriebsauslegung – so wichtig ist. Eine interessante Frage ist zudem, inwiefern sich der Zwischenkreis der Frequenzumrichter dazu eignet, Energie zwischenzuspeichern. Fünf Experten von Antriebsspezialisten gaben uns darauf eine Antwort. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine pauschale Aussage nicht möglich ist – zu sehr hängt die Antwort von der jeweiligen Anwendung ab. Sicher ist nur: Energie sparen ist möglich.

elektro AUTOMATION: Frequenzumrichter spielen primär dann ihre Vorteile aus, wenn der Bedarf an elektrischer Antriebsleistung mehr oder weniger stark schwankt – und sich damit beispielsweise die Drehzahl von Pumpen für Hydrauliksysteme oder Kompressorantriebe bedarfsgerecht regeln lässt. Andererseits ist auch der Betrieb des Frequenzumrichters verlustbehaftet. Wo liegt die Grenze zwischen einem energetisch sinnvollen Einsatz eines Frequenzumrichters und wann sind (welche?) Alternativen sinnvoller?

Burghardt (Danfoss): Einen Frequenzumrichter für Motoren einzusetzen, ist energetisch nur dann sinnvoll, wenn die Einsparungen die zusätzlichen Verluste des Frequenzumrichters übersteigen. Dies ist vor allem bei Hilfsantrieben wie Pumpen und Lüftern mit einem quadratischen Momentenverlauf der Fall. Bei diesen Anwendungen geht der Energiebedarf in der dritten Potenz mit der Drehzahl zurück. Aber auch bei Kompressoren oder in Kühlkreisläufen lassen sich hohe Einsparungen erreichen. Schätzungen gehen davon aus, dass bei 50 bis 75 Prozent aller Anwendungen eine Drehzahlregelung sinnvoll ist. Läuft ein Motor dauerhaft unter Volllast, ist es sinnvoller, ihn direkt am Netz zu starten oder ihn mit Hilfe eines Softstarters geregelt und sanft anlaufen zu lassen. Im laufenden Betrieb sollte der Anwender den Softstarter allerdings mit einem Bypass überbrücken, um die Verluste zu minimieren. Auch muss der Betreiber beachten, ob der Volllastbetrieb wirklich kontinuierlich ist. Polumschaltbare Motoren oder Regelgeräte, die nur die Spannung steuern, bieten nur in wenigen Anwendungen Vorteile. Neben der Art der Anwendung hängt die Höhe der Einsparungen von versteckten Kosten ab, die der eingesetzte Umrichter verursacht. So rechnet sich beispielsweise der Mehrpreis für ein Gerät mit einem besseren Wirkungsgrad oft bereits nach kurzer Zeit.
Koeppe (Bosch Rexroth): Die Drehzahlregelung von Pumpen für Hydrauliksysteme ist immer sinnvoll, sobald in einem Prozess Teillastphasen auftreten, in denen nicht die volle Leistung benötigt wird. Je nach Zykluscharakteristik erzielen die drehzahlgeregelten Pumpenantriebe Sytronix von Rexroth in der Praxis Energieeinsparungen von bis zu 90 Prozent bei der Hydraulik im Vergleich zu konstant angetriebenen Aggregaten. Das zeigen Vergleichsmessungen bei Druckguss- oder Kunststoffmaschinen ebenso wie in der Holzbearbeitung oder Umformtechnik. Je nach Anwendung eignen sich Frequenzumrichter oder Servoantriebe. Bei Werkzeugmaschinen, in denen es vor allem um Spann- und Verriegelungsaufgaben geht, sind Frequenzumrichter die wirtschaftlichste Lösung. Am anderen Ende des Spektrums – beispielsweise Kunststoffmaschinen mit hochdynamischen Bewegungen und komplexen elektrohydraulischen Reglern – eignen sich Servoantriebe besser. Entscheidend ist, dass in der Antriebssoftware die Besonderheiten der Fluidtechnologie hinterlegt sind und automatisch ausgeglichen werden.
Rapp (AMK): Im Leistungsbereich von 1 bis 200 kVA, den AMK für industrielle Anwendungen bietet, ist es generell immer sinnvoll, einen Servoumrichter einzusetzen. Durch die hohen Wirkungsgrade der Servoumrichter und die Leistungsdichte der Servomotoren wird sowohl bei dynamischen als auch kontinuierlichen Prozessen eine optimale System-Energieeffizienz erreicht. Mit den entsprechenden Energieeffizienz-Algorithmen wird auch der Betrieb von Normmotoren an Servoumrichtern effizienter. Die Motortemperaturen erreichen ein nicht so hohes Niveau und dynamische Lastsprünge können eingeprägt werden. Das eröffnet gerade bei Pumpen ein hohes Energie-Einsparpotenzial.
Schwenger (WEG): Grundsätzlich machen Frequenzumrichter im Sinne der Energieeffizienz immer dann Sinn, wenn der Prozess variable Drehzahlen beziehungsweise variable Drehmomente erfordert. Ist eine besonders hohe Präzision in der Drehzahl- oder Drehmomentregelung gefordert, ist der Einsatz von zusätzlichen Drehgebern am Motor sinnvoll, die die Motordrehzahl an den Umrichter zurückführen. Hierfür benötigt der Umrichter eine spezielle Auswerte-Baugruppe. Der Umrichter CFW700 hat diese beispielsweise standardmäßig integriert, um den hohen Ansprüchen an die Drehzahlregelung speziell im Maschinenbau gerecht zu werden. Auch unsere Umrichter CFW11 und MVW01 können dies mit Hilfe einer steckbaren Erweiterungsbaugruppe leisten. Motoren mit hohen Wirkungsgraden in IE3 oder IE4, wie die der Baureihe W22, oder der Anlauf mit Hilfe von Softstartern wie dem SSW06 oder dem SSW07, stellen eine sinnvolle Alternative für Anwendungen mit stationären Drehzahlen dar.
Stichweh (Lenze): Anwendungen, die in einem drehzahlkonstanten Dauerbetrieb nahe der Volllast gefahren werden, können mit einem Motor am Netz energetisch optimal betrieben werden. Solche Anwendungen sind in industriellen Produktionsprozessen allerdings kaum anzutreffen. Moderne Maschinen und Anlagen benötigen drehzahlvariable oder positionsgeregelte Antriebe. Der Einsatz eines Frequenzumrichters rechnet sich aus energetischen Gründen, sobald ein nennenswerter Anteil an Teillast- und/oder Teildrehzahl-Arbeitspunkten applikationsbedingt auftritt. Dieser Aspekt wurde beispielsweise im FVA-Forschungsheft 673 I für Pumpen, Lüfter und Förderantriebe ganzheitlich untersucht. Selbst für Applikationen mit konstanter Drehzahl kann sich der Einsatz unseres Smart Motors lohnen, weil die Drehzahl individuell einstellbar sowie der Sanftanlauf gewährleistet ist und weniger Produktvarianten zum Einsatz kommen. Weitere Vorteile Umrichter-betriebener Motoren sind kleinere Anlaufströme, vorgebbare Bewegungsprofile, Positionierfähigkeit, interne Logik, Kommunikation, Sicherheitstechnik und freie Auswahl der Motortechnologie. Mit Hilfe moderner Regelverfahren kann der Motor in den Teillast-Arbeitspunkten besonders energiesparend betrieben werden (Eco-Modus). Obwohl sich der Einsatz eines Umrichters aus energetischen Gesichtspunkten häufig lohnt, gibt es Hemmnisse bei einzelnen Maschinenbauern: Herstellkosten, Platzbedarf, Installation, Komplexität und – im Standard – fehlende Netzrückspeisefähigkeit.
elektro AUTOMATION: Frequenzumrichter bieten die Möglichkeit, Energie im Zwischenkreis zwischenzuspeichern – was insbesondere bei einem Intervallbetrieb mit einer hohen Zahl von Starts und Stopps den Energieverbrauch senken kann. Wo liegen hier die Grenzen des sinnvollen Einsatzes und welches Energiesparpotenzial lässt sich so typischerweise erschließen? Und mit Blick speziell auf rückspeisefähige Frequenzumrichter: Geht es auch darum, auf den sonst erforderlichen Bremswiderstand verzichten zu können, um damit die Investitionskosten zu senken?
Burghardt (Danfoss): Um generatorische Energie zu nutzen, die in Antriebssystemen beim Bremsen entsteht, gibt es zwei Möglichkeiten: Sie lässt sich entweder ins Netz zurückspeisen oder mit Kopplung des Zwischenkreises anderen Geräten zur Verfügung stellen. Eine Zwischenkreiskopplung kann zum Beispiel bei speziellen Rundtisch-Anwendungen, bei denen ein permanenter Wechsel von Beschleunigung und Bremsen für eine regelmäßige Energieverschiebung im System sorgt, sinnvoll sein. Rückspeisefähige Systeme rechnen sich – wenn überhaupt – üblicherweise erst ab etwa 7,5 kW. Hierfür gibt es eine Vielzahl von Gründen: Generatorische Energie entsteht bei Umrichterbetrieb während der Bremsvorgänge. Anwender überschätzen aber oft die Anzahl der Bremsvorgänge und die entstehende Energiemenge und berücksichtigen nicht die Verluste im Umrichter/Motorsystem, die beim Energietransport zurück ins Netz entstehen. Weiterhin haben rückspeisefähige Umrichter im motorischen Betrieb – aber auch im Standby – üblicherweise höhere Verluste, als konventionelle Geräte. Dass sich selbst bei einer Vielzahl von Personenaufzügen eine Rückspeisung energetisch nicht rechnet, zeigt deutlich, dass sie nur bei einer sehr geringen Anzahl von Anwendungen überhaupt sinnvoll ist. Dies gilt analog auch für den Austausch eines Bremswiderstands gegen einen rückspeisefähigen Umrichter.
Koeppe (Bosch Rexroth): Dieser Ansatz eignet sich für nahezu alle Anwendungen und hat den Charme, dass er Energie spart und die Verbrauchsspitzen glättet. Dadurch spart der Endanwender zweifach. Die Kombination von rückspeisefähigen Antrieben, Gleichspannungs-Zwischenkreis und einem Zwischenspeicher hält so viel Energie im System wie möglich und nutzt sie mehrfach. Das senkt zum einen den mittleren Verbrauch, glättet aber auch die Verbrauchskurve für Netzstrom und kappt die Leistungsspitzen – letztere lassen sich die Energieversorgungsunternehmen besonders teuer bezahlen. Zum anderen orientiert sich die Dimensionierung der Netzversorgungskomponenten einer Maschine immer an der Spitzenlast. Durch die geschickte Kombination von Ein- und Rückspeisung, wie sie die Software-Funktion Smart Energy Mode von Rexroth übernimmt, sinkt die Anschlussleistung um bis zu 30 Prozent. Entsprechend kleiner können die Netzversorgungskomponenten dimensioniert werden und damit sinken die Systemkosten deutlich.
Rapp (AMK): Servokomponenten sollten niemals nur einzeln betrachtet und optimiert werden. AMK legt deshalb großen Wert darauf, bereits in einem frühen Stadium der Entwicklung von den Kunden in das Energiemanagement der gesamten Maschine mit einbezogen zu werden. Der Zwischenkreis der einzelnen Wechselrichter ist über die Einspeisung verbunden. Dadurch findet der Energieausgleich schon auf der ersten Stufe zwischen den Achsen statt. Steigt im Zwischenkreis die Energie und wird sie nicht von anderen Wechselrichtern benötigt, kann sie über rückspeisefähige Einspeisemodule ins Netz zurückgespeist werden. Handelt es sich um aktive Geräte, erfolgt der Energieausgleich sinusförmig. Über zusätzliche Kapazitäten im Zwischenkreis kann es auch sinnvoll sein, Lastspitzen zu glätten. Dadurch wird der netzseitige Spitzenstrombedarf reduziert. Das Energiemanagement zur Optimierung der gesamten Maschine verhindert, dass der Bremswiderstand anschlägt und sorgt für eine gleichmäßige Netzbelastung und Energieeffizienz. Für Notsituationen – zum Beispiel bei Stromausfall – kann der Bremswiderstand dann aber durchaus noch nötig sein. Mit dem Energiemanagement, das bei AMK die Umrichterkomponenten übernehmen, ist auch der Betrieb an Inselnetzen möglich. Dabei können Netze gestützt oder aufgebaut werden. Bei längeren Stromausfällen ist dies ein eleganter und kostengünstiger Weg, um die Maschine aus anderen Energiequellen zu speisen.
Schwenger (WEG): Es geht nicht primär um den Ersatz des Bremswiderstandes, da dieser in der Regel immer kostengünstiger ist als ein rückspeisefähiger Umrichter. Rückspeisefähige Frequenzumrichter machen vor allem bei Anwendungen mit zyklischen Lastverläufen wie etwa einer Zuckerzentrifuge Sinn. Im Rahmen des Abfahrvorganges, wenn die Drehzahl auf Null gefahren wird, lohnt es sich, die kinetische Energie aus dem Hochfahrvorgang über den Umrichter in den Zwischenkreis rückzuspeisen. Auf diese Weise lassen sich applikationsabhängig 20 bis 25 Prozent der prozessrelevanten Energiekosten einsparen. Generell gilt es, die erhöhten Investitionskosten – ein rückspeisefähiger Umrichter ist etwa doppelt so teuer wie ein Standardmodell – gegen die potentiellen Energieeinsparungen anwendungsspezifisch abzuwägen. Als Faustregel gilt: Beträgt die Amortisationszeit weniger als 50.000 Betriebsstunden, dann lohnt sich ein rückspeisefähiger Umrichter in jedem Fall. Für bestimmte Anwendungen kann eine intelligente Verbundstruktur auf Basis von CFW11-Wechselrichtern eine smarte Alternative darstellen. Diese besteht aus einem zentralen Gleichrichter und einer großen gemeinsamen Zwischenkreisschiene, an die Wechselrichter mehrerer Antriebsachsen angeschlossen sind. Prozessabhängig speisen hierbei beispielsweise bremsende Achsen Energie in den Zwischenspeicher zurück, während antreibende Achsen Energie ziehen. Ein solches Verbundsystem bezieht – prozess- oder applikationsbedingt – also nur etwa 60 Prozent der Energie aus dem Netz, 40 Prozent werden durch Rückspeisung gewonnen.
Stichweh (Lenze): Im Großteil der Anwendungen elektrischer Antriebe – beispielsweise Pumpen, Lüfter oder auch vielen fördertechnischen Anwendungen – findet eine rein motorische Energiewandlung statt, so dass hier keine Rückspeisekonzepte notwendig sind. Generatorische Energien treten dort auf, wo Lasten dynamisch abgebremst oder in Hubwerken abgesenkt werden oder wo generatorisch Zugkraft oder Drehmoment aufgebaut werden muss, beispielsweise in Wickelmaschinen. In Anwendungen wie etwa Regalbediengeräten oder Hubwerken kann durch Nutzung der generatorischen Energie der Gesamtenergiebedarf um 30 Prozent gesenkt werden. Will man das ‚Verheizen‘ der Energie in Bremswiderständen vermeiden, bietet ein Zwischenkreisverbund von motorisch und generatorisch betriebenen Antrieben eine wirtschaftliche und effiziente Möglichkeit zur Nutzung der generatorischen Energie. Darüber hinaus können rückspeisefähige Umrichter verwendet werden. Nachteilig ist hierbei, dass bei integrierten Rückspeiseeinheiten die Rückspeiseleistung nicht unabhängig von der Antriebsleistung wählbar und damit nicht spezifisch an die Anwendung adaptierbar ist – was zu überhöhten Investitionskosten führt. Für Hubwerke und dynamische Anwendungen bietet daher eine nachrüstbare, modulare Lösung Vorteile. Das neue, kompakte Rückspeisemodul von Lenze, das sich durch Nachrüstbarkeit – Anschluss anstelle des Bremswiderstands –, bedarfsorientierte Dimensionierung und neuartige Schaltungstopologie mit hoher Überlastbarkeit auszeichnet, bietet hier eine innovative Lösung.
elektro AUTOMATION: Welche Rolle spielen bezüglich der Energieeffizienz ergänzend speziell die Synchron-Reluktanzmotoren, die typischerweise einen gegenüber herkömmlichen Asynchron-Motoren höheren Wirkungsgrad bieten? Ergeben sich hier weitere Vorteile im Zusammenspiel mit dem Frequenzumrichter?
Burghardt (Danfoss): Die eingesetzte Motortechnologie entscheidet nicht primär über den Wirkungsgrad eines Motors. Er hängt vielmehr sehr stark von dessen Auslegung und den verwendeten Materialien ab. So lassen sich auch mit der bewährten Asynchrontechnologie Wirkungsgrade der Klasse IE4 und höher erreichen, während ältere Synchron-Reluktanzmotoren nicht auf Energieeffizienz ausgelegt wurden und teilweise nicht einmal die Klasse IE1 erreichen. Aber auch optimierte Synchron-Reluktanzmotoren bieten einige Hersteller zugunsten einer kleineren Bauform im Leistungsbereich bis 11 kW nur mit der Klasse IE2 an. Die Vorteile der optimierten Synchron-Reluktanzmotoren, aber auch von Motoren mit Permanentmagneten, liegen vor allem im Teillastbereich bei reduzierter Drehzahl. Theoretisch lassen sich diese Drehzahlen mit Hilfe einer einfachen Regelung der Spannung und Frequenz realisieren. Um die maximale Effizienz der Motoren unter wechselnden Lasten zu erzielen, sind allerdings speziell angepasste Steueralgorithmen notwendig. Danfoss bietet mit den FC-Serien eine branchenorientierte Plattform, deren Geräte serienmäßig die gängigen Motortechnologien Standardasynchron, Permanentmagnet und Synchron-Reluktanz mit höchster Energieeffizienz betreiben kann. Für den Anwender bietet diese Lösung die maximale Flexibilität bei der Wahl der optimalen Motortechnologie für seine Anwendung.
Koeppe (Bosch Rexroth): Rexroth erfüllt die Anforderungen der Zukunft schon heute und bietet energieeffiziente Synchronservomotoren und Asynchronservomotoren im aktuellen Produktportfolio an. Die großen Einsparpotenziale von bis zu 90 Prozent liegen bei der bedarfsgerechten Drehzahlregelung von Pumpen und Lüftern sowie im Energieaustausch über Zwischenkreis und Zwischenspeicher. In Anwendungen, in denen nicht die höchste Dynamik und Drehmomentdichte gefordert ist, können zukünftig auch Reluktanzmotoren noch weitere Verbesserungen bringen.
Rapp (AMK): Im dynamischen Einsatz wird der Energiebedarf der Maschine nicht unerheblich von der Leistungsdichte des Motors bestimmt. Der Energiebedarf wird nicht durch die Effizienzklasse bestimmt, sondern durch Trägheitsmomente, die permanent beschleunigt und abgebremst werden. AMK setzt hier auf kompakte Synchron-Servomotoren und erreicht damit ein wirtschaftliches Optimum bezüglich Investitions- und Betriebskosten. Der Mehrpreis gegenüber Synchron-Reluktanzmotoren zahlt sich dann beim permanenten Betrieb der Maschine durch massive Energieeinsparungen aus. Durch effiziente Kühlmedien wie Flüssigkeitskühlung kann die Motorträgheit noch einmal signifikant im Verhältnis zum Drehmoment reduziert werden.
Schwenger (WEG): Man kann nicht pauschal sagen, dass sich mit Synchron-Reluktanzmotoren höhere (System-)Wirkungsgrade (315 kW, 4p – 96,7%) erzielen lassen. Es ist lediglich so, dass sich ein sehr guter Wirkungsgrad in IE4 mit weniger Materialaufwand im Rotor erreichen lässt als bei einer vergleichbaren Asynchronmaschine in IE4 (315 kW, 4p – 97%). Allein unter dem Aspekt der Energieeffizienz betrachtet bieten IE4-Motoren in Asynchrontechnik – wie in der Baureihe W22 ausgeführt – eine gleichwertige Lösung. Es ist sogar so, dass Synchron-Reluktanzmotoren, die ja zwangsläufig umrichterbetrieben sind, bei gleicher Leistung und gleichem Drehmoment mehr Strom aufnehmen als Asynchronmotoren – aufgrund des größeren Magnetisierungsstrombedarfs und damit geringerem Leistungsfaktor –, was bedeutet, dass sie im Vergleich eine Umrichter-Baugröße größer benötigen.
Stichweh (Lenze): Permanentmagneterregte Maschinen (PMSM) und Synchronreluktanzmaschinen (SynRM) zeichnen sich gegenüber Asynchronmaschinen (ASM) typischerweise durch eine höhere Energieeffizienz insbesondere im Teillast- und gesamten Drehzahlbereich aus. Aufgrund ihres synchronen Betriebsverhaltens und moderner, geberloser Regelverfahren ermöglichen sie darüber hinaus auch ohne Geber einen drehzahlsynchronen Betrieb sowie eine Positionierung. Bei der SynRM kann ein energetisch günstiger Arbeitspunkt wesentlich schneller als bei der ASM eingestellt werden. Das bietet insbesondere bei dynamischen Achsen ein Energiesparpotential. Die SynRM benötigt wie die ASM keine Magnete für den Aufbau des Drehmoments. Damit verfügt diese Maschinentechnologie über das Potential, die Herstellkosten einer ASM zu erreichen. Der Kostenvorteil der ASM beruht heutzutage im Wesentlichen auf bekannten Herstellverfahren, hohen Stückzahlen, Normteilen und einem vorhandenen Maschinenpark. Da sich nur der Rotor unterscheidet, ist es denkbar, mit entsprechenden Investitionen in Aufbautechnik, Materialien und Produktionstechnologie das Kostenniveau anzugleichen. Im Gegensatz zur ASM ist für den Betrieb allerdings immer ein Umrichter erforderlich. Die Dynamik und Leistungsdichte einer PMSM werden mit einer SynRM nicht erreicht. Es ist aber eine günstige und hocheffiziente Maschinentechnologie, die insbesondere bei größeren Leistungen ökonomische Vorteile gegenüber der PMSM bietet, weil dort die Magnetkosten dominieren. co
„Für dynamische Anwendungen bietet unser kompaktes, nachrüstbares Rückspeisemodul Vorteile, darunter die bedarfsorientierte Dimensionierung und die neuartige Schaltungstopologie mit hoher Überlastbarkeit.“
„Beträgt die Amortisationszeit weniger als 50.000 Betriebsstunden, lohnt sich ein rückspeisefähiger Umrichter in jedem Fall. Für bestimmte Anwendungen kann eine intelligente Verbundstruktur auf Basis von CFW11-Wechselrichtern eine smarte Alternative darstellen.“
„Im Leistungsbereich von 1 bis 200 kVA ist es generell immer sinnvoll, einen Servoumrichter einzusetzen; durch die hohen Wirkungsgrade der Servoumrichter und die Leistungsdichte der Servomotoren wird sowohl bei dynamischen als auch kontinuierlichen Prozessen eine optimale System-Energieeffizienz erreicht.“
„Die Kombination von rückspeisefähigen Antrieben, Gleichspannungs-Zwischenkreis und einem Zwischenspeicher hält so viel Energie im System wie möglich. Das kappt zudem die Leistungsspitzen, die sich die Energieversorgungsunternehmen besonders teuer bezahlen lassen.“
„Wir bieten mit den FC-Serien eine branchenorientierte Plattform, mit der sich serienmäßig die gängigen Motortechnologien Standardasynchron, Permanentmagnet und Synchron-Reluktanz mit höchster Energieeffizienz betreiben lassen.“

DIE TEILNEHMER
  • Michael Burghardt, Strategisches Produktmanagement, Danfoss GmbH, VLT Antriebstechnik, Offenbach
  • Dr. Ralf Koeppe, Technische Leitung Elektrische Antriebe und Steuerungen, Bosch Rexroth AG, Lohr am Main
  • Jürgen Rapp, Leiter Technisches Marketing, AMK Holding GmbH & Co. KG, Kirchheim/Teck
  • Johannes Schwenger, Leiter Produktmanagement Antriebssysteme Niederspannung und Mittelspannung Europa, WEG Germany GmbH, Kerpen
  • Dr. Heiko Stichweh, Disziplinarischer Leiter des Bereichs Innovation, Lenze SE, Hameln
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