Expertendiskussion: Welche Trends beherrschen die Antriebstechnik

Miniaturisierung schafft Platz

Anzeige
Die Anforderungen der Maschinen- und Anlagenbauer an die Antriebstechnik steigen stetig. Die Tendenz geht dabei zu ‚höher, schneller, weiter‘, aber kleiner. Daraus resultieren Trends wie integrierte Antriebe, die Integration der Leistungselektronik in die Antriebe, Miniaturisierung bzw. Kompaktheit oder auch Energieeffizienz. Neun Experten namhafter Antriebstechnikunternehmen bewerten diese Trends und geben Einblick in den Stand der Technologie in Sachen Antriebstechnik.

elektro AUTOMATION: Der Markt für integrierte Antriebstechnik (also die Kombination aus Frequenzumrichter, Motoren, Kupplungen und Getriebe) wächst rasant – fast jeder dritte Maschinenbauer beabsichtigt diesbezüglich die Antriebstechnik an seinen Maschinen zu ändern. Welche Vorteile bieten integrierte Systeme gegenüber nicht-integrierten Lösungen?

Flöck (ABB): Im Zuge steigenden Kostendrucks bieten integrierte Systeme mit gut miteinander harmonierenden Produkten klare Produktivitätsvorteile und Einsparpotenziale. Als einer der wenigen Systemlieferanten für Antriebstechnik weltweit bietet ABB dem Maschinenbau ein leistungsfähiges Gesamtpaket aus Frequenzumrichtern, Motoren, Kupplungen und Getrieben aus einer Hand an.
Möller (Baumüller): Integrierte Systeme bieten gegenüber herkömmlichen Lösungen mit Schaltschrank verschiedene Vorteile. Zu nennen sind hier geringerer Verdrahtungsaufwand, mehr Flexibilität in der Maschinenkonstruktion und eine Vereinfachung komplexer Maschinenstrukturen, eine schnellere Installation, geringere Störanfälligkeit sowie ein geringerer Kühl- und Platzbedarf für den Schaltschrank.
Niermann (Nord Drivesystems): Anlagensegmente mit integrierter Antriebstechnik lassen sich einzeln beim Hersteller fertig verdrahten, testen und in Betrieb nehmen. Der Aufbau der Gesamtanlage und die Inbetriebnahme beim Endkunden erfolgen mit einfachen Steckanschlüssen schnell und unkompliziert. Der Anschluss ist also ohne komplexe Elektronikkenntnisse möglich, was Zeit und Personalkosten spart.
Peters (Wittenstein): Mit Hilfe von integrierten Antriebssystemen vereinfacht sich die Maschinenarchitektur und es fallen einige Schnittstellen weg, da ein großer Teil der Antriebstechnik vom Schaltschrank in die Maschine verlagert wird. Der große Trend, Maschinen zu modularisieren, wird dabei vorteilhaft unterstützt. Mit Hilfe von entsprechenden Verkabelungskonzepten können außerdem bis zu 80 % des Verkabelungsaufwandes und Kabelmaterial eingespart werden. Darüber hinaus können Schaltschränke deutlich kleiner gebaut werden, wodurch Maschinen kompakter werden. Ein weiterer Vorteil ist die Wärmereduzierung im Schaltschrank.
Rapp (AMK): In erster Linie führt dieser Trend zu einem völlig neuen Architekturansatz: Die Modularisierung des Maschinenbaus erfordert den Einsatz dezentraler Servo-Antriebstechnik. Nur so ist echte Modularität überhaupt erst möglich. Der Einbau von Servoantrieben direkt in die Maschine spart enorm viel Bauraum im zentralen Schaltschrank – teilweise kann dieser auch komplett entfallen. Dabei sind spätere Erweiterungen der Anlage problemlos möglich. So wird auch Zukunftssicherheit für den Anwender generiert.
Rebbereh (Siemens): Der Integrated-Drive-Systems-Ansatz von Siemens bietet eine Steigerung von Produktivität, Zuverlässigkeit sowie Effizienz. Zudem ermöglicht er eine kürzere ‚Time-to-Profit‘. Stichwort sind hier geringere Lebenszykluskosten, also Betriebs- und Wartungskosten, geringere Stillstandzeiten und gesicherte Maschinen- und Anlagenverfügbarkeit, mit entsprechenden Sicherheitsfunktionen. Ebenfalls zu den Vorteilen gehört die garantierte Kompatibilität des Antriebsstrangs durch ein perfekt aufeinander abgestimmtes, hocheffizientes Antriebssystem für individuelle Anforderungen. Nur ein Systemlieferant kann Schnittstellenverluste, Resonanzen und Verschleiß durch Design, Engineering und optimal aufeinander abgestimmte Komponenten konsequent vermeiden. Und schließlich bietet unser Ansatz die nahtlose Integration in die Automatisierungsumgebung, als Teil von TIA in das gesamte Automatisierungsumfeld von der Feld- bis zur Managementebene.
Sirrenberg (WEG): Maximale Energieeffizienz erreicht man am besten mit integrierten Lösungen. Diesen ganzheitlichen Ansatz greift auch die aktuelle DIN EN 50598 auf, indem sie die Verluste des Antriebssystems bestehend aus Komponenten wie Frequenzumrichter, Filter und Drosseln sowie elektrischem Motor berücksichtigt. Durch Systemwirkungsgrade können Anwender die Effizienz ihrer Anlagen und Prozesse noch präziser bestimmen und einfacher die geeigneten Betriebsmittel für den Antriebsstrang auswählen, die im Zusammenspiel eine größere Wirkung erzielen als einzeln.
Steinmann (Lenze): Für den Nutzer fallen Schnittstellen zwischen den Komponenten weg, das macht die Auslegung und Inbetriebnahme einfacher. Die Hersteller müssen die Schnittstellen zwischen den Komponenten nicht mehr standardisieren, sondern können optimieren – wie zum Beispiel bei Lenze die Schnittstelle zwischen Motor und dem g500-Getriebe. Das kommt wiederum dem Nutzern zu Gute. Weiterer Vorteil: Ein integriertes System bietet richtige Funktionen am richtigen Ort: Wenn die Elektronik nah an der Maschine ist, ermöglicht das das Sammeln von Prozessdaten – eine Grundvoraussetzung von Industrie 4.0 – und damit die Optimierung des Prozesses.
Wieder (SEW-Eurodrive): Wir beschäftigen uns schon seit fast 20 Jahren intensiv mit integrierten Antriebssystemen und dezentraler Installation. SEW hat dieses Marktsegment als einer der ersten Anbieter im Bereich der Anlagenautomatisierung etabliert und auch entscheidend geprägt. Bei uns wird dieser Produktbereich seit vielen Jahren konsequent und sehr erfolgreich ausgebaut. Modularisierung von Anlagen und Maschinen führt zu verkürzten Planungs- und Realisierungszeiten und das bei gleichzeitig höherer Flexibilität und Verfügbarkeit. Diese Vorteile und die daraus resultierende Kosteneinsparung wurden bereits in sehr vielen Projekten bestätigt.
elektro AUTOMATION: Neben allen Vorteilen integrierter Antriebe, gibt es jedoch auch einige Nachteile. Zu den Herausforderungen gehören beispielsweise die hohen Anschaffungskosten oder die derzeitige technische Schwierigkeit, integrierte Motoren und Antriebe für höhere Leistungsbereiche zu entwickeln. Wie lassen sich diese Probleme lösen?
Niermann (Nord Drivesystems): Bei Nord-Produkten gibt es keine signifikant höheren Kosten für die dezentrale Version. Berücksichtigt man Kabelbedarf und Installationsaufwand im Vergleich, fällt die Gesamtinvestition teils erheblich günstiger aus. Wir gehen derzeit davon aus, dass sich die Leistungsspanne für dezentrale Umrichter aufgrund thermischer Begrenzungen nicht erheblich steigern lassen wird. Aus der Praxis in verschiedensten Industrien wissen wir aber auch, dass wir mit einem dezentralen Sortiment bis 22 kW schon den weitaus größten Teil aller Anwendungen abdecken. Auch ist bei uns der Übergang von Schaltschrankumrichtern zu motornahen Einheiten nahtlos möglich aufgrund der einheitlichen Bedienung und Parametrierung. Auch für gemischte Lösungen, zum Beispiel in Hub- und Lagertechnik, sind sie optimal geeignet.
Peters (Wittenstein): Sogenannte ‚near-by-Lösungen‘ haben sich als gute Alternative etabliert. Dabei wird der Antriebsregler in direkter Nähe des Motors oder Aktuators installiert. Vorteile wie der deutlich reduzierte Verkabelungsaufwand und kleinere Schaltschränke bleiben auch bei dieser Lösung bestehen. Gleichzeitig wird die hohe Wärmeentwicklung teilweise verringert und es lassen sich höhere Leistungsbereiche entwickeln. Die Einsparungen müssen immer gegen die erhöhten Anschaffungskosten gerechnet werden.
Rapp (AMK): Bei der Wahl der Architektur spielen natürlich die Leistungsanforderungen eine große Rolle. Unser Ansatz geht daher zu sogenannten hybriden Automatisierungslösungen, die eine Skalierbarkeit ermöglicht. Darunter verstehen wir die Kombination von zentralen und dezentralen Antriebslösungen, die je nach Prozess und Leistungsanforderungen auf ideale Weise zusammenarbeiten. Unsere dezentrale Produktreihe erzielt durch Einsparungen bei Steckern und Verkabelung weitere Kostenvorteile.
Rebbereh (Siemens): Ein integriertes Antriebssystem ist nicht teurer als ein System bestehend aus Einzelkomponenten. So entfällt zum Beispiel der Engineering-Aufwand bei der Auslegung der Komponenten. Argumente dafür sind unter anderem eine vereinfachte Beschaffung, ein Ansprechpartner für den gesamten Antriebsstrang, ein reduzierter Engineering-Aufwand bei der Auslegung sowie eine nahtlos integrierte Softwarepalette, die optimiertes Planen und Engineering, umfangreiche und verlässliche Simulationen und sogar datenbasierte Services ermöglicht. Betrachtet man den Nutzen, sind erhöhte Anschaffungskosten, wenn sie denn überhaupt höher sind, keine Herausforderung mehr.
Steinmann (Lenze): Durch integrierte Antriebe entstehen nicht zwangsläufig höhere Kosten. Im Gegenteil: In einer ganzheitlichen Betrachtung können sogar Zeit und Kosten gespart werden. Integriert man zum Beispiel die Elektronik in den Motor, entfallen die Kosten für die Leitung und die Steckverbinder sowie die Zeit für den Anschluss eben dieser.
Wieder (SEW-Eurodrive): Der Erfolg und die große Nachfrage an integrierten Antrieben und dezentraler Technik ist durch deutlich höhere Flexibilität der Anlagen und nachweisbare Kosteneinsparung in der Gesamtkalkulation begründet. Höhere Anschaffungskosten sind höchstens bei einzelnen Teilkomponenten zu verzeichnen, die im Rahmen der Gesamtinvestition jedoch mehr als kompensiert werden. Integrierte Antriebe für größere Leistungen sind heute schon technisch möglich. Die wirtschaftlichen Vorteile der dezentralen Installation sind bei kleineren Leistungen aufgrund der höheren Standardisierung und Modularisierung jedoch deutlich ausgeprägter.
elektro AUTOMATION: Miniaturisierung ist einer der ganz großen Trends in der Antriebstechnik – so auch bei Frequenzumrichtern. Welchen Nutzen hat man davon und wo liegen die technologische Grenzen in Sachen Kompaktheit?
Flöck (ABB): Kleinere Geräte sind leichter zu installieren. Schaltschrankbauer können somit mehr Frequenzumrichter in einen Standardschrank einbauen, der Schaltschrank kann kleiner ausfallen, die Anlagen werden kompakter und die Elektroräume kleiner und kostengünstiger. Auch OEMs können kompakte Geräte leichter in ihre Anlagen integrieren. Ein typisches Beispiel hierfür sind Krane, bei denen der Platz für den Einbau des Frequenzumrichters schon immer ein kritischer Faktor war. Da sich aus der Miniaturisierung viele Vorteile für den Benutzer ergeben, bleibt die weitere Verkleinerung der Antriebe auch in Zukunft eine der zentralen Aufgaben der F&E-Teams der Hersteller. Wie klein kann man einen AC-Frequenzumrichter machen? So unglaublich es klingt: Es gibt nur wenige Einschränkungen. Für die Miniaturisierung in der Mikroelektronik scheint es keine Grenzen zu geben, und die gleiche Technologie findet wenige Jahre später Eingang in die Leistungshalbleiter-Industrie. Bei identischer Siliziumoberfläche werden die Verluste reduziert. Das bedeutet nicht nur kleinere Halbleiter, sondern auch einen geringeren Kühlungsaufwand im Frequenzumrichter. Dadurch können kleinere Kühlkörper verwendet und das Luftvolumen im Frequenzumrichter verringert werden: Das Ergebnis sind immer kleinere Umrichter. Die einzigen Grenzen sind die Anschlüsse, da Kabel mit ausreichendem Querschnitt für die Stromübertragung untergebracht werden müssen.
Niermann (Nord Drivesystems): Platz sparen ist immer gut, solange man das thermische Verhalten im Griff behält. Nord gelingt das bei Schaltschrankumrichtern ebenso wie den dezentralen Geräten mit Relationen zwischen Leistung und Kompaktheit, die zu den besten der jeweiligen Produktklasse zählen. Das ermöglicht kompakt ausgelegte Maschinen und Anlagen, die sich dadurch grundlegend flexibler und vielfältiger umsetzen lassen. Natürlich gibt es physikalische Grenzen, die sich nicht umgehen lassen: Größere Leistungen bedingen größere Kabelquerschnitte. Allein darum ist für den Motoranschluss ein gewisser Raum nötig.
Peters (Wittenstein): Durch die Miniaturisierung von Antriebsreglern und Frequenzumrichtern können Schaltschränke kleiner gebaut werden. Dadurch ergeben sich Einsparungen in der Hardware. Außerdem werden Maschinen dadurch kompakter. Trotz steigender Leistungsfähigkeit der Elektronik sind Grenzen zum Beispiel im Bereich der benötigten Kühlfläche gegeben. Die technologischen Grenzen für kompaktere Leistungselektronik sind jedoch noch lange nicht erreicht.
Rapp (AMK): Der Nutzen liegt klar auf der Hand: Durch kleinere Komponenten spart man Bauraum. Bei integrierten Lösungen führt die hohe Leistungsdichte zu geringeren Massen, die im Bewegungsablauf beschleunigt und abgebremst werden müssen. Die Bewegungen werden dadurch dynamischer und die Zykluszeiten von Maschinen kürzer. Die Grenzen dieser Entwicklung liegen einzig in der Wärmeabfuhr: Solange die Wärme aus den Komponenten noch prozesssicher abgeführt werden kann, wird der Trend zur Miniaturisierung anhalten.
Rebbereh (Siemens): Ich bevorzuge bei industriellen Antrieben statt ‚Miniaturisierung‘ die Begriffe Leistungsdichte und Kompaktheit. Bei der Entwicklung unserer Sinamics-Reihe ist Leistungsdichte und Kompaktheit eine der feststehenden Voraussetzungen beziehungsweise Anforderungen. Auch hierbei spielt die nahtlose Integration in die Automatisierungsumgebung wieder eine wichtige Rolle. Als Teil von TIA ermöglicht sie eine maximale Kommunikation, ein hohes Maß an Überwachung sowie eine präzise Steuerung.
Sirrenberg (WEG): Der wichtigste Nutzen liegt in der Ersparnis von wertvollem Platz im Schaltschrank oder der Maschinensteuerung. Unser Mini-Drive CFW100 passt beispielsweise mit einer Höhe von 100 bis 126 mm, einer Breite von 55 mm und einer Tiefe von 129 mm zwischen zwei Fingerspitzen und ist damit aktuell der kleinste Frequenzumrichter mit integrierter Mikro-SPS am Markt. Solche Kleinstumrichter bieten eine besonders kosteneffiziente Lösung, um die Drehzahl von Drehstrom-Asynchronmotoren in einfachen technischen Anwendungen zu steuern.
Steinmann (Lenze): Der Nutzen von Miniaturisierung ist Platz, etwa Schaltschrank, denn der kostet Geld. Daneben besteht die Anforderung, dass integrierte Antriebe durch die hinzugekommene Elektronik nicht größer werden dürfen. Die Antriebe müssen immer noch in die gleichen Maschinen passen. Die Grenzen in der Kompaktheit sehe ich bezüglich des Wärmemanagements – die Komponenten dürfen trotz kleinerer Oberfläche nicht überhitzen – und der Usability, denn die Antriebe müssen trotz Kompaktheit noch einfach anzuschließen und zu bedienen sein.
Wieder (SEW-Eurodrive): Ein klarer Vorteil der Miniaturisierung ist der geringe Platzbedarf beim Einbau in den Schaltschrank oder dezentral in der Anlage. Die Herausforderungen bei der Miniaturisierung bestehen jedoch in der Ableitung der Bauteilwärme und der Vermeidung der Einwirkungen elektromagnetischer Störeinflüsse. Je kompakter Frequenzumrichter werden, umso kleiner müssen auch die verwendeten elektrischen Bauelemente und ihre Abstände untereinander auf den Leiterplatten werden, was den Abtransport der entstehenden Wärme aufgrund geringerer Kühlfläche erschwert. Auch können sich elektromagnetische Störungen im rauen industriellen Umfeld stärker auswirken. Wir bei SEW-Eurodrive setzen durch unsere jahrelange Erfahrung in der Antriebstechnik daher auf eine optimale Mischung aus Miniaturisierung und Industrietauglichkeit.
elektro AUTOMATION: Umrichter werden zudem immer ‚intelligenter‘, so unterstützen sie beispielsweise mit integrierter SPS antriebsnahe Funktionen nach IEC 61131. Was halten Sie davon und haben Sie solche Lösungen bereits im Angebot?
Flöck (ABB): Je nach Anwendung kann dies seine Berechtigung haben. Bei einigen Anwendungen bevorzugen die Kunden die Verlagerung der antriebsnahen Funktionen in den Antrieb, beispielsweise bei Kranen. Bei verteilten Anlagen kann dadurch zwar nicht auf übergeordnete Steuerungen verzichtet werden, Funktionen lassen sich aber übersichtlicher strukturieren. Darüber hinaus entlastet diese Lösung die Buskommunikation, und zeitkritische Funktionen sind im Antrieb einfacher zu handhaben. Bei kleineren Applikationen ist sogar der Verzicht auf eine übergeordnete Steuerung möglich. ABB hat solche Lösungen im Angebot. Die Antriebstechnologie erlaubt es heute, beispielsweise mühelos Sicherheitsfunktionen direkt in den Antrieb zu integrieren. Das bringt Maschinenbauern, Konstrukteuren, Ingenieuren und Anwendern große Vorteile, die die Sicherheitsvorschriften zeit- und kostensparend ohne großen Aufwand erfüllen möchten. Ein Beispiel hierfür sind die ABB Industrial Drives.
Möller (Baumüller): Antriebsintegrierte Steuerungsfunktionalitäten sind da von Vorteil, wo schnelle Zykluszeiten gefragt sind sowie für antriebsnahe Steuerungsaufgaben im Bereich Motion. Baumüller hat solche Lösungen mit seiner Drive PLC und der Softdrive PLC bereits seit mehreren Jahren im Angebot. Der Anwender profitiert dabei von hoher Echtzeitperformance mit Zykluszeiten ab 62,5 µs im Regler. Damit können Steuerungsfunktionalitäten direkt im Stromregelkreis gerechnet werden, was zur Folge hat, dass auf Störgrößen im Stromregelkreis viel effizienter reagiert werden kann. Dies ermöglicht etwa bei Einspritzvorgängen in der Kunststoffbranche eine erhebliche Steigerung der Produktqualität. Außerdem wird die Zuverlässigkeit der Systeme durch den Wegfall störanfälliger Kabelverbindungen erhöht. Das System wird kompakter, da das Schaltschrankvolumen reduziert werden kann.
Niermann (Nord Drivesystems): Bei Nord ist die integrierte SPS Standard in allen Frequenzumrichtern. Sie eröffnet neue Wege, um spezifische Kundenanforderungen, wie etwa antriebsnahe Funktionen von Pumpen, Schneckenförderern oder Brechwerken, intelligent und kostensparend ohne Zuhilfenahme einer externen Steuerung zu realisieren. Bei kleinen Maschinen kann die integrierte SPS des Umrichters die gesamte Ablaufsteuerung übernehmen und eine zusätzliche Maschinensteuerung überflüssig machen. Das spart Platz, die Installation wird optimiert und Schnittstellen vereinfacht. Weiterhin vereinfacht die dezentrale Intelligenz die Inbetriebnahme von Antriebsfunktionen in komplexen Automationslösungen. Beispielsweise ermöglicht die Umrichter-SPS die unabhängige Bewegungssteuerung eines Antriebs vor der Integration in die Gesamtlösung.
Peters (Wittenstein): Durch die Modularisierung von Maschinen und den Performance-Grenzen von Steuerungen sind antriebsnahe Funktionen sehr wichtig und tragen auch zu einer Performance-Steigerung der Maschine bei. Wittenstein entwickelt und integriert in seine intelligenten und äußerst kompakten Antriebsregler Simco Drive ständig neue Software-Funktionalitäten.
Rapp (AMK): In Zeiten modular aufgebauter Maschinen ist es zwingend notwendig, auch die Intelligenz dezentral auszuführen. Nur so können die Module autark gebaut werden. Dies ist vor allem im Blick auf die Time-to-Market sinnvoll, da einzelne Module zeitgleich in Betrieb genommen werden können. Bei Mehrachslösungen kann die Intelligenz auch über einen dezentralen Motion Controller ins Maschinenmodul gebracht werden. Solche Lösungen gibt es bei uns bereits im Angebot.
Rebbereh (Siemens): Unsere Umrichter sind bereits in ihrer Grundstruktur sehr flexibel konfigurierbar. Sollten diese Funktionalitäten nicht ausreichen, kann der Kunde auf Basis unserer DCC-Technologie (Drive Control Chart) seine Applikationen umsetzen. Wir haben hier bereits seit Längerem eine Steuerungsfunktionalität im Antrieb integriert. Eine ausgefeilte grafische Bedienoberfläche unterstützt unsere Kunden bei der Realisierung ihrer spezifischen Funktionalitäten.
Sirrenberg (WEG): Unsere Industrie-Umrichter CFW500, CFW700 und CFW11 haben standardmäßig eine Soft-PLC-Funktion integriert. Mithilfe der für Kunden kostenlosen Software WEG Ladder Programmer (WLP) können diese gemäß IEC 1131-3 Anwendungen für die Soft PLC erstellen und bearbeiten. Aus meiner Erfahrung wird diese Funktion vor allem von besonders kostenbewussten Anwendern genutzt oder dort, wo nicht ohnehin eine eigenständige Industriesteuerung vorhanden ist. Ein Beispiel wäre unsere Anwendungssoftware Pump Genius, mit deren Hilfe sich in Kombination mit dem Frequenzumrichter CFW11 bis zu sechs Pumpen in einem aufeinander abgestimmten System steuern und überwachen lassen.
Steinmann (Lenze): Lenze bietet Umrichter mit und ohne integrierte Bewegungssteuerung an. Je nach Anwendung, etwa der Anzahl der zu koordinierenden Achsen, kann das eine oder andere Sinn machen. Wir sind für beides offen. Eine echte Prozessteuerung in einem Antrieb macht nur sehr gezielt Sinn. Oftmals sind mehrere Achsen an einem Prozess beteiligt, so dass eine übergeordnete Steuerung zum Einsatz kommt.
Wieder (SEW-Eurodrive): Der Trend zur Verlagerung von Intelligenz in den Frequenzumrichter besteht schon seit einigen Jahren und ist bereits flächendeckend im Feld erkennbar. Man kann bereits heute eigentlich gar nicht mehr von einem klassischen Frequenzumrichter sprechen. Daher hat beispielsweise der Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI) unlängst eine neue Nomenklatur herausgegeben, die diesem Trend Rechnung trägt und Frequenzumrichter künftig als Drive Controller bezeichnet. Dabei geht es nicht nur um die Antriebsfunktionalitäten, auch bessere Bedienbarkeit und integrierte funktionale Sicherheit werden berücksichtigt. Auch bei SEW-Eurodrive gibt es immer weniger ‚reine‘ Frequenzumrichter. Im Gegenteil, eines unserer wesentlichen Merkmale ist die einfache und skalierbare Integration von Motion-Control-Funktionalitäten in unsere Antriebslösungen. Dies entlastet unter anderem die übergeordnete Steuerung und reduziert die Komplexität in der Anlage. Zudem vereinfachen unsere intuitiv parametrierbaren Software-Applikationsmodule die Inbetriebnahme deutlich.
elektro AUTOMATION: Abschließend noch zwei Fragen zum Thema Energieeffizienz: Effizientere Elektromotoren mit höherem Wirkungsgrad führen zu erheblichen Einsparungen (Energie + Kosten). Der ZVEI spricht von 5,5 Milliarden kWh Strom, die sich in der deutschen Industrie einsparen ließen. Daher müssen alle Motoren vom 1. Januar 2022 an die IE4-Norm erfüllen. Haben Sie Ihre Hausaufgaben diesbezüglich bereits gemacht oder was tun Sie, um diese Norm zu erfüllen?
Flöck (ABB): ABB brachte schon 2012 das weltweit erste Programm an IE4-Asynchronmotoren auf den Markt. Das Design der Motoren basiert auf der bewährten Prozessmotoren-Plattform und erfüllt die IE4-Anforderungen ohne Permanentmagnet-Technologie. Mit unseren Synchronreluktanzmotoren bieten wir eine weitere interessante Möglichkeit, die IE4-Norm zu erfüllen. Mit dem neuen IE4-Synchronreluktanzmotor für direkten Netzbetrieb hat ABB den Einsatz dieser Motoren auch auf Anwendungen mit fester Motordrehzahl ausgeweitet.
Möller (Baumüller): Da unsere Motoren für den Umrichterbetrieb ausgelegt sind, betreffen uns die IE-Normen aktuell nicht direkt. Dennoch erfüllen die Baumüller-Synchronmotoren höchste Anforderungen an Energieeffizienz und sind damit auch gerüstet für zukünftige Energieeffizienznormen.
Niermann (Nord Drivesystems): Die IE4-Pflicht ist zwar noch nicht verabschiedet (bei dem genannten Datum handelt es sich um ein Vorschlagsdatum aus der LOT-30-Studie), wir bieten jedoch bereits Produkte an, die den IE4-Anforderungen entsprechen. Wir beraten Kunden, die diese heute oder demnächst bereits einsetzen möchten. Maximale Kompatibilität zum bestehenden Nord-Getriebe- und Elektronikangebot ist gewährleistet. Außerdem erfüllen wir die Systemeffizienzanforderungen nach der europäischen Ökodesign-Norm EN 50598-2, die wohl in der daran angelehnten IEC-Norm demnächst ähnlich für die 60-Hz-Domäne zu erwarten sind. Wir erreichen durchweg die höchste Systemeffizienzklasse IES2.
Peters (Wittenstein): Wittenstein entwickelt und vertreibt hocheffiziente Synchron-Servoantriebe. Diese fallen normalerweise nicht unter diese Norm, würden jedoch die IE4-Norm auf jeden Fall erfüllen.
Rapp (AMK): Selbstverständlich erfüllen wir diese Norm. Um aber wirkliche Effizienzziele zu erreichen, ist die Systemauslegung für die gesamte Maschine der Schlüssel zum Erfolg. Der Großteil des Energieverbrauchs ist durch Bewegungsprofile vorgegeben. Bei dynamischen Bewegungen braucht es auch noch die Fähigkeit der Systeme, Energie ins Netz zurückzuspeisen, anstatt diese in Bremswiderständen in Wärme zu wandeln. Gegebenenfalls erledigen AMK-Systeme die Rückspeisung sogar mit rein sinusförmigen Strömen und einem Leistungsfaktor von 1. Damit schneiden diese Systeme dann in der Systembetrachtung besonders energieeffizient ab. Diese Einsparpotenziale werden durch eine reine Wirkungsgradbetrachtung nicht beachtet.
Rebbereh (Siemens): Unsere Motoren erfüllen immer die gesetzlichen Anforderungen zu ihrem Zeitpunkt. Die Festlegungen zu IE4 sind gemäß Norm IEC 60034-30-1 lediglich unverbindlich informativ. Aber wir haben natürlich unsere Hausaufgaben gemacht. Durch den Einsatz neuer Technologien, etwa Synchronreluktanz, erreichen wir einen deutlich erhöhten Wirkungsgrad bei Volllast, sowie reduzierte Verluste im Teillastbetrieb gegenüber einem IE4-ASM-System. Deutlich höhere Wirkungsgrade als IE3 für Netzmotoren hält der europäische Industrieverband CEMEP aus ökologischen und ökonomischen Gründen für nicht zweckmäßig. Eine gesetzliche Regelung zu IE4 ab 1. Januar 2022 ist noch in Diskussion.
Sirrenberg (WEG): In Sachen Energieeffizienz sind wir der Zeit voraus. Unsere Standard-Asynchronmotoren der Baureihe W22 erfüllen seit 2010 die Energieeffizienzklasse IE3 und bereits seit 2012 die Kriterien der Energieeffizienzklasse IE4. Sogar im anspruchsvollen Bereich der explosionsgeschützten Motoren können wir, obwohl diese aktuell noch von der EU-Verordnung ausgenommen sind, mit der Serie W22X Varianten in den Energieeffizienzklassen IE3 und IE4 liefern.
Steinmann (Lenze): ‚IE4 ab 2022‘ ist in Diskussion. Eine finale Entscheidung ist meines Wissens noch nicht getroffen, die EU-Kommission plant eine Evaluierung zu einem späteren Zeitpunkt. Nichtsdestotrotz arbeitet auch Lenze permanent an höchsteffizienten Lösungen. Dabei spielen natürlich auch IE4-Motoren eine Rolle – aber nicht nur.
Wieder (SEW-Eurodrive): In der EU-Studie vom Frühjahr 2014 zur Vorbereitung der kommenden, neuen europäischen Motorenverordnung wurde eine IE4-Pflicht für das Jahr 2022 vorgeschlagen. Der aus der Studie gestaltete Entwurf der EU-Kommission zur neuen Verordnung (VO) vom Herbst 2014 hatte diese Forderung aus Gründen der wirtschaftlichen Umsetzung in Bezug auf Arbeitsplatzgefährdungen und Eingriff in die internationale Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Hersteller bereits außer Acht gelassen. Die neue VO setzt dagegen verstärkt auf die Anwendung der IE3-Motoren, reduziert die Ausnahmen und nimmt Vorgaben für die Energieeinsparung von Systemen in Angriff. Nachweislich lassen sich in Systemen höhere Einsparungen erzielen als eine nochmalige Steigerung der Forderung bei einer Teilkomponente. Als Hersteller und Anbieter innovativer Antriebstechnik verfolgen wir beide Entwicklungsrichtungen: Mit dem Antriebssystem Movigear MGF.. bietet SEW-Eurodrive ein hochwertiges Antriebssystem, das einem reinen IE4-Motor überlegen ist, weil die Leistungselektronik integraler Bestandteil des mechatronischen Antriebs ist und im kompakten Gehäuse als System mitgeliefert wird. Eine umfangreiche Auswahl an Kommunikations-Zusatzausführungen des MGF.. erleichtert heute schon die Berücksichtigung in den kundenseitigen Applikationen.
elektro AUTOMATION: In der Europanorm gibt es bereits einen Verweis auf IE5. Da heißt es, die Verluste einer IE5-Reihe sollten um 20 % geringer sein als die IE4-Werte. Sind solche Werte realistisch?
Flöck (ABB): Diese Werte sind realistisch, das beweist die Motorentechnologie SynRM² von ABB. Das neue Technologiekonzept auf Basis des Synchronreluktanzmotors hebt Energieeffizienz auf eine neue Stufe: Ausgehend von IE4, der derzeit höchsten, standardisierten Wirkungsgradklasse, haben wir jetzt durch Reduzierung der Verluste um weitere 20 % den künftigen Wirkungsgrad IE5 erreicht. Das Besondere an dem neuen Motorenkonzept SynRM² ist, dass keine Permanentmagnete aus Seltenerdmetallen verwendet werden. Stattdessen setzt ABB kostengünstigere und leicht erhältliche Ferritmagnete ein. Dies hat Produkte zur Folge, die sowohl in wirtschaftlicher als auch ökologischer Hinsicht nachhaltiger sind.
Niermann (Nord Drivesystems): Für die Effizienzbetrachtung gewinnt das Antriebssystem (laut EN 50598-2 ‚Power Drive System‘) und darüber hinaus der gesamte Antriebsstrang zunehmend an Bedeutung. In der angesprochenen Systemeffizienzklassifizierung nach EN 50598-2 ist dies ausgedrückt.
Peters (Wittenstein): Solche Werte lassen sich mit klassischen Asynchronmotoren nicht erreichen. Es gibt heute bereits Hybridkonzepte, die jedoch von den Anschaffungskosten relativ hoch und ihrem Aufbau sehr komplex sind. Die Zukunft liegt sicherlich in den oben erwähnten Synchron-Motoren, die mit Permanentmagneten im Rotor bestückt sind. Damit lässt sich auch eine IE5-Norm erreichen.
Rebbereh (Siemens): Neben der Betrachtung der Effizienz der einzelnen Antriebskomponente bringt die Betrachtung beziehungsweise Optimierung des kompletten Antriebssystems und die Prozessoptimierung, je nach Anwendungsfall, meist die wesentlich größere Energieeinsparung.
Sirrenberg (WEG): Ja. Mit Asynchronmotoren lässt sich ein solcher Wirkungsgrad zwar nicht erzielen, da ist mit IE4 das Ende der Fahnenstange erreicht. Aber permanent erregte Synchronmaschinen mit entsprechender Elektronik-Peripherie können dies durchaus leisten. Das zeigen unsere 2014 vorgestellten IE5-Permanentmagnetmotoren der Baureihe W22. Mit einem Wirkungsgrad von 96,6 % und gegenüber den Super Premium Modellen noch einmal um rund 20 % gesenkten Verlusten entsprechen diese den bislang formulierten Kriterien einer möglichen Energieeffizienzklasse IE5.
Steinmann (Lenze): Technologisch ist dies sicherlich machbar, aber IE5 ist sicherlich nicht mit herkömmlicher Asynchrontechnik kosteneffizient machbar. Hier benötigt man neue Technologien. Ob diese Technologien dann noch zu einem General purpose-Motor führen, der uneingeschränkt in allen Anwendungen mit allen Frequenzumrichtern funktioniert und die erhofften Einsparungen bringt, ist dabei mehr als fraglich. Zudem gibt es größere Hebel zur Energieeinsparung als IE4 durch IE5 zu ersetzen. Beispiele hierfür sind die Optimierung der Bewegungsführung, Drehzahlregelung oder der Verzicht auf Schneckengetriebe.
Wieder (SEW-Eurodrive): Die Stufungen von 20 % bei der Reduzierung der Verluste der netzgeführten Motoren in den Energiesparklassen nach internationaler (IEC) und europäischer (EN) Norm stellt das Gerüst dar. Insofern ist die nächste Stufe über IE4 ebenfalls mit minus 20 % in den Vorworten der Norm aufgeführt. Die Norm selbst zeigt dann Möglichkeiten auf, die Stufungen IE1 bis IE4 zu erreichen. Aber alle gelisteten Maßnahmen werden als ungeeignet eingestuft, um IE5 zu bekommen. Damit nimmt dort die normative Erwähnung der IE5 einen eher akademischen Charakter an. In dem Zusammenhang zu erwähnen ist aber die normative Absicht, einen Frequenzumrichter-geführten Motor bis zu einer Klasse IE5 zu skalieren. Hinsichtlich des Wirkungsgrades ist ein IE4-Netzmotor dann einem IE5-FU-Motor gleichzusetzen, ein IE3-Netzmotor einem IE4-FU-Motor usw.
http://new.abb.com/de/de
„Kleinere Geräte sind leichter zu installieren. Schaltschrankbauer können somit mehr Frequenzumrichter in einen Standardschrank einbauen.“
„Durch die Integration der SPS im Antrieb wird das System kompakter, da das Schaltschrankvolumen reduziert werden kann.“
„Aus der Praxis in verschiedensten Industrien wissen wir, dass wir mit einem dezentralen Sortiment bis 22 kW schon den weitaus größten Teil aller Anwendungen abdecken.“
„Die Zukunft liegt sicherlich in Synchron-Motoren, die mit Permanentmagneten im Rotor bestückt sind. Damit lässt sich auch eine IE5-Norm erreichen.“
„Um aber wirkliche Effizienzziele zu erreichen ist die Systemauslegung für die gesamte Maschine der Schlüssel zum Erfolg. Der Großteil des Energieverbrauchs ist durch Bewegungsprofile vorgegeben.“
„Die Festlegungen zu IE4 sind gemäß Norm IEC 60034-30-1 lediglich unverbindlich informativ. Aber wir haben natürlich unsere Hausaufgaben gemacht.“
„Maximale Energieeffizienz erreicht man am besten mit integrierten Lösungen.“
„Der Nutzen von Miniaturisierung ist Platz, etwa im Schaltschrank, denn der kostet Geld. Daneben besteht die Anforderung, dass integrierte Antriebe durch die hinzugekommene Elektronik nicht größer werden dürfen.“
„Die Herausforderungen bei der Miniaturisierung bestehen in der Ableitung der Bauteilwärme und der Vermeidung der Einwirkungen elektromagnetischer Störeinflüsse. Je kompakter Frequenzumrichter werden, umso kleiner müssen auch die verwendeten elektrischen Bauelemente und ihre Abstände untereinander auf den Leiterplatten werden.“

Die Experten
  • Stefan Flöck, Leiter Vertrieb Drives & Motors bei ABB Automation Products GmbH in Ladenburg
  • Marcel Möller, Leiter Produktmanagement bei der Baumüller GmbH in Nürnberg
  • Jörg Niermann, Bereichsleiter Marketing bei der Nord Drivesystems Group in Bargteheide
  • Joerg Peters, Leiter Produktmanagement bei der Wittenstein Motion Control GmbH in Igersheim
  • Jürgen Rapp, Leiter Technisches Marketing bei der AMK Arnold Müller GmbH & Co.KG in Kirchheim/Teck
  • Carsten Rebbereh, Leiter Produkt Portfolio Management bei Siemens Large Drives in Nürnberg
  • Klaus Sirrenberg, Director Low Voltage Products bei WEG Deutschland in Kerpen
  • Thorben Steinmann, Produktmanagement Elektromechanik bei Lenze in Aerzen
  • Claus Wieder, Leiter Marktmanagement bei der SEW-Eurodrive GmbH & Co KG in Bruchsal

Anzeige

Festo: Digitalisierung

Smartenance
Die Digitalstrategie von Festo im Überblick

Video aktuell

Rahman Jamal, Business & Technology Fellow bei National Instruments, zur Bedeutung des Testens von smarten Maschinen

Aktuelle Ausgabe

Newsletter


Jetzt unseren Newsletter abonnieren

Webinare & Webcasts


Technisches Wissen aus erster Hand

Automation Award

Automation Award 2018
Die Besucher der SPS IPC Drives haben gewählt. And the winners are…

Videos


Hier finden Sie alle aktuellen Videos

Whitepaper


Hier finden Sie aktuelle Whitepaper

Anzeige

Industrie.de Infoservice

Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de