Energieeffiziente Antriebstechnik für Maschinen und Anlagen

Transkript

1 Energieeffiziente Antriebstechnik für Maschinen und Anlagen Dr. Dietmar Tilch, Bosch Rexroth AG, Referent Strategie Fabrikautomation und Anlagenausrüstung Vortrag im Rahmen der Efficiency Arena auf der Hannover Messe April 2010

2 Das Unternehmen The Drive & Control Company 2 A5

3 Das Unternehmen Die Produkte Elektrische Antriebe und Steuerungen Getriebe Lineartechnik Montagetechnik Hydraulik, Industrie Pneumatik Hydraulik, Mobil Service und Qualifizierung 3

4 Rexroth 4EE Rexroth for Energy Efficiency 4 wirksame Hebel für energieeffiziente Lösungen: Efficient Components Energy Recovery Energy on Demand Energy System Design Produkte und Systeme mit optimiertem Wirkungsgrad Rückspeisung und Speicherung überschüssiger Energie Bedarfsgesteuerter Energieeinsatz, Stand-by-Modus Systemische Gesamtbetrachtung, Projektierung, Simulation, Beratung Anwendung im gesamten Maschinenlebenszyklus Konzept Engineering Produktion/ Betrieb Konstruktion Inbetriebnahme Modernisierung 4

5 Rexroth 4EE - die Formel für Energieeffizienz Antriebstechnologien Elektrische Antriebstechnik Hydraulik Pneumatik 6

6 Energieeffiziente elektrische Antriebstechnik Effiziente Antriebskomponenten Energieeffiziente Antriebskomponenten IndraDrive mit Wirkungsgraden zwischen 97% und 99% Servomotoren mit Wirkungsgraden 80% bis 90% (asynchron) 86% bis 95% (synchron) Effizientes Antriebssystem Einspeisung Rückspeisung Energieausgleich 7

7 Antriebsauslegung Mechanik Dynamik Kinematik Prozesskräfte Massen Reibung Abmessungen Achswinkel Weg / Profil Zeit Beschleunigung Geschwindigkeit Ruck Die Masse m soll das Bewegungsprofil s in der Zeit t durchlaufen... mit einem effizienten Antrieb + 9

8 Berücksichtigung von Wirkungsgradkennlinien Wirkungsgradkennlinienfeld Synchronmotor Motor torque M max Motor B M Hold OP2 OP1 3,7 kws 4,3kWs Motor A I2 I1 Motor current η Optimale Auswahl der Motor-Reglerkombination => minimale Verluste im geforderten Betriebspunkt 10

9 Antriebssystemauswahl Auswahl-Tool IndraSize zur Auslegung von Rexroth-Antrieben Schnelle und sichere Zusammenstellung des optimalen Antriebssystems für die spezifische Anwendung 11

10 Energiesparpotenziale dezentraler Antriebstechnik Beispiel IndraDrive MI (Motor-integrierter Umrichter) Zusatzkapazitätsmodule Energiepufferung Energieeinsparung ca. 3 % Gleichspannungszwischenkreis Energieaustausch zwischen motorisch und generatorisch arbeitenden Antrieben Energieeinsparung ca. 15 % Weitere Einsparungen Reduzierte Ressourcen: Kabel, Leitungsschächte, Schaltschränke etc. Minimierter Klimatisierungsbedarf Rückspeisefähige Versorger Rückspeisung von Bremsenergie ins Netz Energieeinsparung ca. 20 % Synchronmotoren Hochenergetische Permanentmagnete im Rotor, Statoren in Polspulentechnik Energieeinsparung ca. 3 % Einsparung von Primärenergie bei der Produktion der Produkte Projektierung Fertigung im täglichen Betrieb * Die Zahlenangaben zur Energieeinsparung geben typische Werte wieder; die tatsächliche Einsparung kann in Abhängigkeit vom Anwendungsfall höher oder niedriger ausfallen 12

11 Anwendungsbeispiel Paketanlage mit dezentraler Antriebstechnik Anlagensteuerung Efficient Components Energy Recovery Energy System Design IndraDrive MI, motorintegrierter Umrichter Aufnahmeleistung der originären Anlage: 18,5 kw Aufnahmeleistung mit Rexroth Lösung: 12,0 kw Netzrückspeisung Verzicht auf Schaltschrankklimatisierung Energiepufferung mit Kapazitätsmodulen Energieaustausch über Zwischenkreis hocheffiziente Synchronmotoren Summe Einsparung: 6,5 kw (-35%) Energieeinsparung im Jahr*: kWh CO2-Vermeidung**: 25 t * Betrieb 18 Std./Tag, 360 Tage/Jahr ** Energiemix, Deutschland gemäß GEMIS Version 4.2 im Vergleichsjahr 2004: 0,613 kg CO2/kWh 13

12 Rexroth 4EE - die Formel für Energieeffizienz Antriebstechnologien Elektrische Antriebstechnik Hydraulik Pneumatik 14

13 Innovation in der Hydraulik Klassische Hydraulik Drehzahlvariable Pumpenantriebe Elektrische Antriebstechnik E-Motor (konstant) Regler Hydropumpe Servomotor Kraftdichte Robustheit Kombination der Stärken der Hydraulik (Kraftdichte, robust, verschleißarm) und der elektrischen Antriebstechnik (energieeffizient, geräuscharm, präzise) Energieeffizient Geräuscharm einfache Integration in Automatisierung 15

14 Arten drehzahlvariabler Pumpenantriebe Drehzahlgeregelte Pumpe Asynchronmotor mit Frequenzwandler Druckregelung, Aggregatsfunktion Servo-Pumpe Servoantrieb und motor Achsregelung Drehzahlvariables Druck- und Förderstromregelsystem DFEn Schwenkpumpe mit drehzahlveränderlichem Antrieb Intelligentes Hydraulikaggregat Druckregelung, Aggregatsfunktion 16

15 Drehzahlvariable Pumpenantriebe Anwendungsgebiete - Funktion Werkzeugmaschinen p-regelung Aggregatfunktion Hydraulischer Output Abkantpressen Q/s-Regelung Achsregelung Mechanischer Output Spritzgießmaschinen p/q-regelung Achsregelung / Aggregatfunktion Mech. / hydr. Output 17

16 Ihre Vorteile auf einen Blick Sehr hohes Energieeinsparpotential Signifikante Geräuschreduzierung Deutlich geringere installierte Kühlleistung Kleinere Antriebseinheit/-komponenten Hydraulische und elektrische Standardkomponenten von Rexroth dvp drehzahlvariable Pumpenantriebe Integrierte Sicherheit im Antrieb Einfache und flexible Steuerungsintegration 18

17 Anwendungsbeispiel Maschinen und Produktionsanlagen Beispiel Abkantpresse Ursprüngliche Antriebslösung : Hydraulik Konstantpumpe (Innenzahnrad) mit 2 Steuerblöcken und Druckregelventil Arbeitsprozess: Nebenprozess (Kühlung): Energieaufnahme: kwh/a kwh/a kwh/a Rexroth 4EE Automationslösung: Drehzahlvariable Pumpe Energierückspeisung über Antriebsverstärker Hocheffiziente Synchronmotoren Energieaufnahme: kwh/a Arbeitsprozess: kwh/a Nebenprozess (Kühlung): kwh/a Energy on Demand Energy Recovery Efficient Component Energy System Design Einsparung: kwh/a EUR/a (0,10 /kwh) CO2-Vermeidung*: 6,5 t -63% *Energiemix, Deutschland gemäß GEMIS Version 4.2 im Vergleichsjahr 2004: 0,613 kg CO2/kWh 19

18 Rexroth 4EE - die Formel für Energieeffizienz Antriebstechnologien Elektrische Antriebstechnik Hydraulik Pneumatik 20

19 Energieeffiziente Pneumatik Volumenoptimierung Vermeidung langer Zuleitungen durch Integration Ventil in Zylinder Drucklufteinsparung bis zu 30% Efficient Components Energy Recovery Druck-Optimierung nur soviel Energie wie nötig Zylinderrücklauf mit vermindertem Druck Zwischenspeicher im Zylinderrohr Drucklufteinsparung bis zu 50% 21

20 Rexroth 4EE - die Formel für Energieeffizienz 4 wirksame Hebel für energieeffiziente Lösungen: Efficient Components Energy Recovery Energy on Demand Energy System Design Produkte und Systeme mit optimiertem Wirkungsgrad Rückspeisung und Speicherung überschüssiger Energie Bedarfsgesteuerter Energieeinsatz, Stand-by-Modus Systemische Gesamtbetrachtung, Projektierung, Simulation, Beratung. Anwendung im gesamten Maschinenlebenszyklus Konzept Engineering Produktion/ Betrieb Konstruktion Inbetriebnahme Modernisierung 22

21 Energy System Design Systematische Gesamtoptimierung der Energieeffizienz Energy System Design Mechatronic Support Effiziente Programmiernung Konzept Konstruktion Engineering Inbetriebnahme Produktion / Betrieb Modernisierung 23

22 Mechatronic Support Systemsimulation im frühen Entwicklungsstadium Schritt 1 Schritt 2 Geometrie Kinematik Werkstoffe Mechanische Simulation (FEM Simulation) CAD (Kontruktion) Schritt 3 Y Z X Y Mechatronische Systemsimulation X X Z Z Nichtlineares Verhalten - Steifigkeit / Spiel - Reibung x 1..n x 2..n MSC.ADAMS F 1..n Matlab/Simulink Mechanische Optimierung Optimale Leistung Optimale Energiebilanz Mechatronic system simulation = Shorter time to market with reduced cost 24

23 Energy System Design Systematische Gesamtoptimierung der Energieeffizienz Energy System Design Mechatronic Support Effiziente Programmiernung Konzept Konstruktion Engineering Inbetriebnahme Produktion / Betrieb Modernisierung 25

24 Taktzeit- und Energieanalyse Taktzeitanalyse IndraMotion MTX cta Energieanalyse IndraMotion MTX ega Machine and process Multi-step analysis Machine and process analysis Machine components Process sequence Energy Monitor Parallele Optimierung von Zykluszeit und Energieeinsatz Original Werkzeugbahn Optimierte Werkzeugbahn 26

25 Energieanalyse Visualisierungbeispiel, Verbrauch je Satz (r. oben) 27

26 Beispiel: Optimierung NC Programm mit Taktzeit- und Energieanalyse Tool Ermöglicht ein ausgewogenes Optimum von Energieeinsatz und Produktivität bezogen auf die Maschine Energy System Design Cycle time bis zu - 15 % Vermeidung von unnötigen Beschleunigungs- und Abbremsvorgängen Reduzierung Haupt- und Nebenzeiten Grafische Darstellung des Energieverbrauchs Energy costs bis zu - 20 % 28

27 Zusammenfassung Energieeffiziente Maschine bedeutet: Moderne Antriebstechnologien Drehzahlvariable Pumpenantriebe Rekuperation und Energieausgleich Intelligente Antriebsauslegung Effizientes Zusammenspiel aller Systemkomponenten Mechatronische Optimierung Tools zur Prozessoptimierung 29

28 Energieeffizientes Gesamtsystem Kühlschmiertechnik- Booster Antriebssystem mit hohem Wirkungsgrad Rückspeisefähige Antriebsregelgeräte Taktzeitanalyse-Tools Drehzahlgeregelte Hydraulikantriebe Energie-Analyse-Tools reibungsarme Mechanikkomponenten Systemische Gesamtbetrachtung Bedarfsgesteuerte Nebenprozesse Standby- Modi Energieeffizienz durch Gesamtoptimierung 30