Energieeffizienz bei Servo-Systemen

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1 , Baden, Schweiz Carsten Kobusch, Bosch Rexroth AG 1

2 Agenda Einleitung Energieeffizienz Auswirkung von Überdimensionierung Möglichkeiten zur Energieeinsparung Energieeinsparung g bei hydraulischen Aggregaten g

3 Agenda Einleitung Energieeffizienz Auswirkung von Überdimensionierung Möglichkeiten zur Energieeinsparung Energieeinsparung g bei hydraulischen Aggregaten g 3

4 Steigender Stromverbrauch weltweit % + 19 % + 18 % USA Europa % Mittlerer Osten + 74 % Indien China Stromverbrauch in TWh Quelle: World Energy Outlook 4

5 Politische Ziele bis 00 USA Europäische Union Russland China Indien Brasilien 15 % 5 % 15 % 40 % 0 % 36 % Anteil Reduktion Reduktion Reduktion Reduktion Reduktion erneuerbarer Energien bei der Elektrizitätserzeugung der Treib- hausgase ggü der Treib- hausgase ggü CO -Intensität ggü. 005 CO -Intensität ggü. 005 der Treib- hausgase ggü. ohne Maßnahmen Energieverbrauch ist Treiber Quelle: World Energy Outlook 5

6 Steigende Energiekosten Entwicklung der Energiepreise in den letzten Jahren. 55? 0,14 Ene rgiekosten in Mrd. Eu uro Jahre + 6 % 0, ,10 0, ,08 0, ,06 0,05 n Euro je kwh Energ giekosten i Quellen: Energy Costs for Industrial End-Users, Average Price European Union (EU 15), Eurostat; 6

7 Agenda Einleitung Energieeffizienz Auswirkung von Überdimensionierung Möglichkeiten zur Energieeinsparung Energieeinsparung g bei hydraulischen Aggregaten g 7

8 Berechnungsbeispiele Zyklus vor: 0,5s 400mm Pause: 0,5s zurück: 0,5s 400mm Pause: 05 0,5s Bewegte Masse: 15kg 8

9 Betrachtung elektr. Antriebstechnik Netzfilter Antriebsregler Motor Mechanik Daten Doku P_Verlust = f(i_netz) Daten Doku P_Verlust = f(i_motor,f_puls) _p Kennlinien Entwicklung P_Verlust = (n,m) Daten LinSize P_Verlust = f(m,f_reib) 9

10 Technische Daten und Profile Kugelgewindetrieb: n [rpm] M [Nm] CKK Beschleunigung/Vor: g/ ,841 MSK030C-0900 HCS01.1E-W0006-_-0 Kugelgewindetrieb g (oversized): CKK0-145 MSK040C-0600 HCS01.1E-W Konstant/Vor: ,4 Bremsen/Vor: ,001 Pause/Vor: 0 0,4 Beschleunigung/Zurück: ,841 Konstant/Zurück: ,4 Bremsen/Zurück: ,001 Pause/Vor: 0-0,4 n [rpm] M [Nm] Beschleunigung/Vor: ,5 Konstant/Vor: ,6 _ Bremsen/Vor: ,05 Pause/Vor: ,6 Beschleunigung/Zurück: ,5 Konstant/Zurück: ,6 Bremsen/Zurück: ,05 Pause/Vor: 0-0,6 10

11 KGT: Bewegungsprofile MSK030C-0900 MSK040C Drehzahl 4 Drehmoment 4 3 Motorstrom Netzstrom 3 Drehzahl Drehmoment Motorstrom Netzstrom n [krpm], M [Nm], I [A] t [s] n [krpm], M [Nm], I [A] t [s] 11

12 KGT: Leistungen MSK030C-0900 MSK040C Leistungen 800 Leistungen P [W] P mech P Motor P WR P [W] P Netz 00 P mech P Motor P WR P Netz t [s] Verlustleistungen t [s] Verlustleistungen P reib P V,Motor 150 P reib P V,Motor P [W] 100 P V,WR P [W] 100 P V,WR 50 P V,NF 50 P V,NF t [s] t [s] 1

13 KGT: Energien MSK030C-0900 MSK040C Energien 350 Energien E Netz E Netz 300 E WR 300 E WR E Motor E Motor 50 E mech 50 E VMt V,Motor E mech E VMt V,Motor 00 E V,WR 00 E V,WR E [Ws] 150 E V,NF E [Ws] 150 E V,NF t [s] t [s] Ca. 60% mehr Energiebedarf pro Zyklus 13

14 Technische Daten und Profile Riementrieb n [rpm] M [Nm] CKR Beschleunigung/Vor: g/ ,364 MSK030C-0900 HCS01.1E-W0003-_-0 Riementrieb oversized CKR0-145 MSK040C-0600 HCS01.1E-W Konstant/Vor: ,58 Bremsen/Vor: ,15 Pause/Vor: 0 0,58 Beschleunigung/Zurück: ,364 Konstant/Zurück: ,58 Bremsen/Zurück: ,15 Pause/Vor: 0-0,58 n [rpm] M [Nm] Beschleunigung/Vor: ,90 Konstant/Vor: ,86 _ Bremsen/Vor: ,330 Pause/Vor: 0 0,86 Beschleunigung/Zurück: ,90 Konstant/Zurück: ,86 Bremsen/Zurück: ,330 Pause/Vor: 0-0,86 14

15 Riemen: Bewegungsprofile MSK030C-0900 MSK040C Drehzahl Drehmoment Motorstrom Netzstrom Drehzahl Drehmoment Motorstrom Netzstrom [A] n [krpm], M [Nm], I [ [A] n [krpm], M [Nm], I [ t [s] t [s] 15

16 Riemen: Leistungen MSK030C-0900 MSK040C Leistungen 400 Leistungen P [W] P mech P Motor P WR P [W] P Netz 100 P mech P Motor P WR P Netz t [s] Verlustleistungen 100 P reib t [s] Verlustleistungen 100 P reib P V,Motor P V,Motor P [W] 50 P V,WR P [W] 50 P V,WR P V,NF P V,NF t [s] t [s] 16

17 Riemen: Energien MSK030C-0900 MSK040C Energien 00 Energien 180 E Netz E WR 180 E Netz E WR 160 E Motor 160 E Motor E mech 140 E VMt V,Motor 10 E V,WR E mech E VMt V,Motor E V,WR E [Ws] 100 E V,NF E [Ws] 100 E V,NF t [s] t [s] Ca. 100% mehr Energiebedarf pro Zyklus 17

18 Agenda Einleitung Energieeffizienz Auswirkung von Überdimensionierung Möglichkeiten zur Energieeinsparung Energieeinsparung g bei hydraulischen Aggregaten g 18

19 Zwischenkreiskondensatoren Verwendung der Zusatzkapazität Dynamischer Energiespeicher für schnelle Start-Stop-Anwendungen Energiespeicher für Rückzugbewegungen nach Netzspannungsausfall Minimierung der Verlustwärme im Schaltschrank (verursacht durch den Bremswiderstand) 19

20 Zwischenkreiskondensatoren U ZW 3~ = - + = 3~ + Sperrung der Endstufe Arbeitsbereich Bremswiderstand U ZW,max U BW,ein Spannungshub im Zwischenkreis U U 1, 1 U ZW ZW U Netz Netz M C ZW,ex C ZW,Ger t Warnung / Abschaltung U ZW,min Speicherbare Energie im Zwischenkreis W C ZW,Ger CZW,ext U U BW,ein ZW Erforderliche externe Kapazität für eine bestimmte Energie W W CZW,ext C U U BW,ein ZW ZW, Ger 0

21 Zwischenkreiskondensatoren Daten Gesamte Massenträgheit J ges = 0,08 kgm² Verzögerung: von 1300/min in 0,5 s auf Stillstand Netzanschlussspannung: 3 x AC 400 V Geräteinterne Zwischenkreiskapazität C ZW,Ger = 0,405 mf Einsatzschwelle Bremswiderstand d U BW,ein = 80 V DC Anfallende Bremsenergie J 0,08 kgm 1300 W 741 Ws 60 s Zwischenkreisspannung U ZW U Netz 1,1 400 V 1,1 6 V Die Netzspannung ist mit +10 % Spannungstoleranz anzunehmen. Damit ist sichergestellt, dass auch bei höherer Netzspannung die geforderte Energie gespeichert werden kann. 1

22 Zwischenkreiskondensatoren Speicherbare Energie im Zwischenkreis (ohne Zusatzkapazität) CZW,Ger 0, F 58 Ws W U BW,ein U ZW 80 6 V Erforderliche externe Kapazität W CZW,Ger 741 Ws C ZW,ext U BW,ein U 80 6 V ZW 0, F 4,79 mf Gewählte externe Kapazität C ZW,ext = 5 mf Speicherbare Energie im Zwischenkreis (mit Zusatzkapazität) CZW,Ger CZW,ext 0, ,005 F 77 Ws W U BW,ein U ZW 80 6 V Beim Einsatz von Zusatzkapazitäten ist darauf zu achten, dass eine genügende Spannungsfestigkeit gegeben ist (max. Zwischenkreisspannung) und die Bremswiderstandseinsatzschwelle d i t auf einen entsprechenden hohen h Wert eingestellt ist.

23 Zwischenkreiskopplung Verwendung der Zwischenkreiskopplung Energieaustausch zwischen mehreren Achsen Minimierung der Verlustwärme im Schaltschrank (verursacht durch den Bremswiderstand) Umrichter + Wechselrichter Versorger + Wechselrichter 3

24 Ein-Rückspeisung Netzseitig ist ein Wechselrichter Die Zwischenkreisspannung ist unabhängig von der Netzspannung und wird auf konstantes Spannungsniveau geregelt Rückspeiseleistung ist gleich der Einspeiseleistung Sinusförmiger Netzstrom 4

25 Ein-Rückspeisung mit Smart-Energy Mode tung Netzleist konventionelle Lösung Smart Energy Mode Senkt den Energieverbrauch bei gleicher Performance bis zu 30 % weniger Energie bis zu 50 % weniger Spitzenleistung mechanische Ausgangsleistung bleibt unverändert Motorleistung Höhere Energieeffizienz und Produktivität mit IndraDrive 5

26 Netzversorger mit Smart Energy Mode KonventionelleVersorger einspeisend rückspeisend Versorger mit Smart Energy Mode hohe Zwischenkreisspannung + + ermöglicht höhere Drehzahlen mit kleineren Reglern ergibt geringere Ströme reduzierte Verluste in der Endstufe und Einsatz kleinerer Regler geregelte Zwischenkreisspannung + + entkoppelt Antrieb von Netzspannungsschwankungen kein Einfluss auf Performance ermöglicht Einsatz im Weitspannungsbereich einfache Projektierung für weltweiten Einsatz Nutzung von Energiespeichern am Zwischenkreis + + verhindert unnötigen Pulsbetrieb reduziert Energieverbrauch und Lastspitzen im Netz Netzversorger mit Smart Energy Mode vereinen Vorteile beider Versorgerprinzipien: Energiepufferung der Einspeiseversorger Unabhängigkeit von der Netzspannung und hohe DC-Spannung der geregelten Rückspeiseversorger 6

27 Vorteile & Kundennutzen Netzversorger mit Smart Energy Mode bewirken: Reduzierung der Leistungsaufnahme aus dem Netz Reduzierung der Impulsbelastung im Netz Reduzierung der Verlustleistung im Schaltschrank dadurch wird der Energieverbrauch gesenkt können kleinere Komponenten in Netzanschluss und zur Schrankentwärmung eingesetzt t werden wird Schaltschrankplatz eingespart 7

28 Einsatzgebiete Maschinen, in denen: kurzzeitig hohe Spitzenleistungen auftreten zyklischer Start-Stop-Betrieb stattfindet hohe h Beschleunigungen und Verzögerungen auftreten t gleichzeitig hohe & netzspannungsunabhängige Zwischenkreisspannung benötigt wird Stanzmaschinen, Querschneider... 8

29 Trumpf - TruPunch 3000 Stanzmaschine Trumpf Statement: Mit der Rexroth Funktion Smart Energy Mode liegt die mittlere Anschlussleistung der TruPunch 3000 mit elektrischem Stanzkopf bei rund 30 Prozent unter der Vorgängerbaureihe. Universalmaschine für restgitterfreies Stanzen sparsamster Umgang mit Energie- und Materialressourcenrcen Herkömmliche Lösung DC- / AC- Leistung Versorger mit Smart Energy Mode bei einer Maschinenperformance von 1060 Hüben / min Herkömmliche Lösung Smart Energy Mode DC- Spannung AC- Strom Netz-Dauerleistung 7,3 kw 5,1 kw Netz-Maximalleistung 53 kw kw 9

30 Schwungmassenspeicher Dynamischer Energiespeicher für Start-Stop-Anwendungen Energiespeicher für Rückzugbewegungen nach Netzspannungsausfall Drive configuration Solution Kinetic Buffering DC-Bus 540VDC *Option for higher power demand Flywheel Mass Motor Power supply Servo-Drive +Motor Servo Drive 30

31 Agenda Einleitung Energieeffizienz Auswirkung von Überdimensionierung Möglichkeiten zur Energieeinsparung Energieeinsparung g bei hydraulischen Aggregaten g 31

32 Energy on Demand Bedarfsgesteuerter Energieeinsatz / Standby-Modi Verbrauchen Sie nur so viel Energie, wie Sie benötigen Bedarfsgerechte Regelungen senken den Energieverbrauch elektrischer, hydraulischer Aktoren um bis zu 50 % 3

33 Drehzahlvariable Pumpe Regelung des hydraulischen Druck und Fluss. Auch für hochdynamische Anwendungen geeignet 33

34 Karl Klink Harträummaschine Ursprüngliche Antriebslösung an Masch. RISH H Speicherladeschaltung im Dauerbetrieb 1x 55 KW Motor mit Tandempumpe p x 50 ccm Verbrauch 35 KWh (Ø abhängig von Zyklus / Bearbeitungszeitraum) Energieaufnahme kwh/a Rexroth 4EE Lösung (Team SFA/SVE/SJF3/SEG) Speicherladeschaltung im EIN / AUS Betrieb (FU) Motoren gesplittet: 1 x 30 KW und 1 x 18,5 KW Wegen Einbauraum Änderung auf x V1 Bauweise Verbrauch Ø reduziert auf 17 KWh Energieaufnahme kwh/a Energy System Design Efficient Components Energy on Demand Einsparung kwh/a /a ** 5 % CO-Vermeidung * 66, t/a * Energiemix, Deutschland gemäß GEMIS Version 4. im Vergleichsjahr 004: 0,613 kg CO /kwh ** Strompreis 0,14 /KWh inkl. 3,59 ct/kwh EEG-Umlage, 4 h/tag, 50Tage/Jahr 34

35 Karl Klink Harträummaschine Ursprüngliche Antriebslösung an Masch. RISH H Speicherladeschaltung im Dauerbetrieb 1x 55 KW Motor mit Tandempumpe x 50 ccm Verbrauch 35 KWh (Ø abhängig von Zyklus / Bearbeitungszeitraum) Energieaufnahme kwh/a Rexroth 4EE Lösung (Team SFA/SVE/SJF3/SEG) Speicherladeschaltung im EIN / AUS Betrieb (FU) Motoren gesplittet: 1 x 30 KW und 1 x 18,5 KW Wegen Einbauraum Änderung auf x V1 Bauweise Verbrauch Ø reduziert auf 17 KWh Energieaufnahme kwh/a Energy System Design Efficient Components Energy on Demand Einsparung kwh/a /a ** 5 % CO-Vermeidung * 66, t/a * Energiemix, Deutschland gemäß GEMIS Version 4. im Vergleichsjahr 004: 0,613 kg CO /kwh ** Strompreis 0,14 /KWh inkl. 3,59 ct/kwh EEG-Umlage, 4 h/tag, 50Tage/Jahr 35

36 Kalandersteuerung Freudenberg Ursprüngliche Antriebslösung Hydraulik-Steuerung der Kalanderwalze: 5,5 kw Motor; Konstantpumpe p 16 l/min; 60 bis 10 bar (Bewegen der Walze und Erzeugung des Anpressdrucks) Energieaufnahme kwh/a Rexroth 4EE Automationslösung Hydraulik-Steuerung der Kalanderwalze: Drehzahlvariabler Pumpenantrieb Sytronix 3,0 kw Motor mit Zahnradpumpe 8 ccm Energy System Design Efficient Components Energieaufnahme kwh/a Energy on Demand Einsparung kwh/a.660 /a ** CO 78 % -Vermeidung * 11,6 t/a * Energiemix, Deutschland gemäß GEMIS Version 4. im Vergleichsjahr 004: 0,613 kg CO /kwh ** Strompreis 0,14 /KWh inkl. 3,59 ct/kwh EEG-Umlage 36

37 Kalandersteuerung Freudenberg Ursprüngliche Antriebslösung Hydraulik-Steuerung der Kalanderwalze: 5,5 kw Motor; Konstantpumpe p 16 l/min; 60 bis 10 bar (Bewegen der Walze und Erzeugung des Anpressdrucks) Energieaufnahme kwh/a Rexroth 4EE Automationslösung Hydraulik-Steuerung der Kalanderwalze: Drehzahlvariabler Pumpenantrieb Sytronix 3,0 kw Motor mit Zahnradpumpe 8 ccm Energy System Design Efficient Components Energieaufnahme kwh/a Energy on Demand Einsparung kwh/a.660 /a ** CO 78 % -Vermeidung * 11,6 t/a * Energiemix, Deutschland gemäß GEMIS Version 4. im Vergleichsjahr 004: 0,613 kg CO /kwh ** Strompreis 0,14 /KWh inkl. 3,59 ct/kwh EEG-Umlage 37

38 Vielen Dank! 38