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Antriebsstrang aus einem Guss

Einzel- und Systemoptimierung für hohe Energieeffizien z
Antriebsstrang aus einem Guss

In der Prozesstechnik gibt es unzählige Pumpen, Kompressoren und Lüfter, die meist von Elektromotoren angetrieben werden. Jedes Quäntchen Energieeinsparung, das hier erzielt wird, wirkt sich positiv auf die Kosten aus. Einzeloptimierungen von Motoren und Geräten plus die zusätzliche Systemoptimierung des gesamten Antriebsstrangs vom Motor bis zur Steuerung führen zu maximaler Einsparung von Ressourcen.

Autoren Tom Schulz-Heise BU Large Drives, Siemens Reiner Gehrke BU Large Drives, Siemens

Pumpen, Lüfter und Kompressoren stellen in vielen Industriebereichen die Grundversorgung sicher. Man kann davon ausgehen, dass etwa 43 % (Quelle: ZVEI) des elektrischen Energiebedarfs in Deutschland von der Industrie in Anspruch genommen werden. In diesem Zusammenhang wird davon gesprochen, dass 70 % (Quelle: ZVEI) davon auf elektrische Antriebe zurückzuführen sind. Vor diesem Hintergrund gehört die Steigerung der Energieeffizienz in den unterschiedlichsten Prozessen durch bessere Antriebslösungen zu den wichtigsten Maßnahmen, um Ressourcen zu sparen und die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen.
Um den Energiebedarf elektrischer Antriebe zu reduzieren, sollte die Applikation, mitunter auch der komplette Antriebsstrang, betrachtet werden, lautet zum Beispiel ein möglicher Lösungsweg. Siemens adressiert dieses Systemdenken mit der Strategie „Integrated Drive Systems (IDS)“. Dabei optimiert bereits der Hersteller sämtliche Komponenten vom Motor bis zur Steuerung und stimmt sie perfekt aufeinander ab. Entscheidend bei diesem Ziel ist, eine hohe Energieeffizienz für Hersteller von Maschinen und Anlagen zu erreichen, ohne dass diese einen allzu großen konstruktiven sowie steuerungstechnischen Aufwand und Life-Cycle-Services betreiben müssen.
Energieeffizientes Gesamtsystem
Ein klassisches Beispiel dafür ist der Einsatz von Drehstromasynchronmotoren, wie sie in der Prozesstechnik seit Jahren und millionenfach im Einsatz sind. Die Motorenbaureihen Simotics FD sowie Simotics GP/SD und TN von Siemens gibt es beispielsweise durchgängig in der hohen Energieeffizienzklasse IE3. Diese ist ab 1. Januar 2015 im europäischen Wirtschaftsraum für den Leistungsbereich zwischen 7,5 und 375 kW vorgeschrieben. Um Konstrukteuren entgegenzukommen und dadurch den IDS-Ansatz voranzutreiben, werden die Motoren bei unveränderter Leistung und gesteigerter Effizienz in unveränderten Achshöhen angeboten. Dank optimierten Läufer- und Ständerdesigns wurde der Mehraufwand für Material minimiert. Dies kommt dadurch zum Ausdruck, dass die IE3-Motoren lediglich etwas länger sind als ihre IE2-Pendants. Sie fügen sich somit sehr gut in die meisten Maschinen und Anlagen ein.
Wie wichtig solche modernen Komponenten sind, zeigt die Statistik: Laut ZVEI wird allein in Energiesparmotoren ein Einsparpotenzial von etwa 10 % des insgesamt möglichen Gesamtpotenzials vermutet. Noch mehr soll mit 30 % Einsparungen der vermehrte Einsatz elektrischer Drehzahlregelungen statt mechanischer Lösungen bringen. Insofern spielen auch die Frequenzumrichter eine wichtige Rolle bei der Energieeinsparung. Bestes Beispiel im selben Portfolio ist der Sinamics G120P, der für die Anforderungen in der Prozesstechnik optimiert wurde und bis Leistungen von 200 kW zur Verfügung steht. Zur Hannover Messe 2014 werden Geräte bis zu einer Leistung von 400 kW vorgestellt. Damit gibt es energieeffiziente Standardsysteme von klein bis groß.
Weniger Verluste im Elektromotor
Alle Geräte sind modular aufgebaut aus Leistungsteil (Power Module) und Reglerbaugruppe (Control Unit) und auf den Betrieb von Pumpen, Lüftern und Kompressoren ausgelegt. Ein Beispiel im Zusammenspiel von Simotics FD mit Sinamics-Umrichtern zeigt: Durch eine niedrigere Taktfrequenz gehen die Verluste (Schaltverluste) im Frequenzumrichter zurück. Im Zusammenspiel mit einer Optimierung der Pulsmuster, die eine höhere Ausgangsspannung erlaubt, wird dadurch der Motor durch geringere Ströme und Oberschwingungen belastet. Folglich entstehen weniger Verluste im Elektromotor. Darüber hinaus gibt es Geräte, bei denen sich durch die besondere Gestaltung des Zwischenkreises ein nahezu rechteckförmiger Netzstrom ergibt, was die Rückwirkungen auf das speisende Netz deutlich reduziert. Insbesondere bei der 5. und 7. Oberwelle zeigen sich diese konstruktiven Verbesserungsmaßnahmen sehr deutlich. Folglich wird so das Netz entlastet und die Stromaufnahme gesenkt.
Energieeinsparung bis in die Mechanik
Als weitere Maßnahme zur Erhöhung der Energieeffizienz sieht der ZVEI die mechanische Systemoptimierung, wodurch sich weitere 60 % des vorhandenen Energiesparpotenzials rund um den Einsatz elektrischer Antriebe nutzen lassen. Auch hierbei kommt der IDS-Systemansatz zum Tragen. Beispiel Pumpensteuerung: Häufig wird der Volumenstrom über Ventile gedrosselt oder in einen Bypass geleitet, um veränderliche Drücke bzw. Durchflüsse zu erzeugen. Energetisch sinnvoller ist in dieser Situation eine bedarfsabhängige Förderung mithilfe drehzahlveränderbarer Pumpenantriebe.
Darüber hinaus gibt es noch weitere Möglichkeiten, die Durchgängigkeit von Systemlösungen bis in die mechanische Konstruktion hinein energetisch zu nutzen. Beispielsweise passt Siemens die Antriebe zusammen mit Kompressorenherstellern an die gestellten Anforderungen an. Dafür werden bereits Elektromotoren mit Energieeffizienzgrad IE4 verbaut. Zusätzlich wurden die Aggregate so in die Gesamtkonstruktion integriert, dass bezüglich der Kraftübertragung und der Lagertechnik weitere Verbesserungen erzielt werden konnten.
Die Drehstromasynchronmotoren auf Basis der Baureihen Simotics GP und SD sind zum Beispiel technisch in der Lage, durch kleine Modifikationen, wie sie das Produktionswerk in Bad Neustadt durchführen kann, Drehzahlen von bis zu 10 000 min-1 zu erreichen, ohne dabei Qualitätseinbußen zu erfahren. Durch die entsprechende Drehzahlregelung über Frequenzumrichter können dann zumeist Getriebestufen eingespart werden, was sich in einer Effizienzsteigerung aufgrund der besonderen mechanischen Konstruktion auswirkt.
Bedarfsoptimierte Auslegung
Wer jedoch Systemdurchgängigkeit praktiziert, möchte in bestimmten Fällen die gleichen Motoren auch mit konstanter Drehzahl über Standardmotorabzweige aus dem modularen Baukastensystem Sirius ansteuern. Bei einer bedarfsoptimierten Auslegung in einer energieeffizienten Gesamtlösung mit Drehstromasynchronmotoren ist dies ohne Weiteres gegeben. Gerade der Schütztechnik kommt im Zuge von Integrated Drive Systems und dem Wunsch nach erhöhter Energieeffizienz eine neue Bedeutung zu. Gerade Elektromotoren mit erhöhter Energieeffizienz wie die IE3- und IE4-Motoren weisen in der Regel eine geringe Impedanz auf. Das bedeutet, dass beim Ein- und Ausschaltvorgang kurzzeitig erhöhte Stromwerte auftreten können. Die Gestaltung der Überlastauslöser, der Schützkontakte und die gesamte Auslegung der Motorstarter müssen auf diese Situation abgestimmt sein. Diese wenigen Beispiele zeigen deutlich, dass es sinnvoll ist, im Zuge der Energieoptimierung den gesamten Antriebsstrang unter die Lupe zu nehmen und dabei alles aus einem Guss zu projektieren.
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