Antriebssysteme mit dem Drive Solution Designer energieeffizient auslegen

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1 Antriebssysteme mit dem Drive Solution Designer energieeffizient auslegen Autor: Dipl. Ing. Peter Vogt, Lenze Extertal (Entwicklung Software für Antriebsauslegung) Einführung In den letzten Jahren hat die Bedeutung der Energieeffizienz stark zugenommen. Spätestens seit klar ist, dass sich die durch Verbrennung fossiler Energieträger verursachte Komponente der Erwärmung der Erdatmosphäre nicht mehr verhindern lässt, wird von Seiten der Regierungen daran gearbeitet die Erwärmung wenigstens auf ein erträgliches Maß zu begrenzen. Dies führte auch zur stärkeren Reglementierung der Antriebstechnik, mit der EUP- Richtlinie (2005/32/EC) und deren Durchführungs- Verordnungen. Durch die Verordnung 640/2009 wurden schließlich auch die Energieeffizienzklassen IE1 bis IE3 eingeführt, wobei die IE2-Motoren ab Juni 2011 für Motoren im Dauerbetrieb am Netz Pflicht werden. Zusätzlich zwangen die steigenden Energiepreise der Jahre 2005 bis 2008 auch unabhängig vom Klimagedanken zur energetischen Optimierungen von Produktionsanlagen. Auf dieser Basis entwickelte Lenze die Theorie des 3-Säulenmodells. 1.Elektrische Energie intelligent einsetzen 2. Energie mit hohem Wirkungsgrad wandeln 3. Rückgespeiste Bremsenergie nutzen Abb.:1 Dreisäulenmodell Energieeffizienz Nähere Untersuchungen zeigten, dass das wesentliche Potenzial im intelligenten Einsatz der Energie liegt. Hier stellt sich jedoch die Frage, wie ein intelligenter Einsatz von Energie aussehen kann, immerhin haben elektrische Antriebe im Vergleich zu anderen Systemen immer schon einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad. Energieeffizienz ist nicht allein das Ergebnis effizienter Antriebskomponenten, sondern fängt schon bei der Konstruktion der Maschine und der optimalen Wahl des Antriebssystems an. Dazu werden wirkungsvolle Werkzeuge benötigt, mit denen sich eine energieeffiziente Antriebslösung erstellen lässt. Mit dem Energiepass Antriebslösung im Drive Solution Designer lässt sich dies, von der Planung der Mechanik bis zur Wahl der einzelnen Antriebskomponenten schnell und effizient erledigen. Dabei werden die Verluste

2 in der Anwendung und Antriebs-Komponenten berechnet und hieraus der Energiebedarf und die Energiekosten ermittelt. Somit kann sich der Anwender das für ihn optimale Antriebssystem zusammenstellen. Der Drive Solution Designer Der Drive Solution Designer (DSD) ist das Auslegungswerkzeug für Lenze- Kunden und den Lenze- Vertrieb. Mit ihm können Antriebskomponenten bedarfsgerecht ausgelegt werden. Die Auslegung beginnt dabei mit der Berechnung der Antriebsphysik und endet bei der Auswahl der Produktoptionen. Der DSD stellt hierfür einen umfangreichen Satz an vordefinierten Anwendungen zur Verfügung. Im DSD sind die notwendigen Daten für die Produkte, wie zum Beispiel Motor-Regler-Grenzkennlinien als auch die für die Kombinierbarkeit notwendigen Produkteigenschaften hinterlegt, so dass sich der Anwender ein in Hinblick der physikalischen Eigenschaften als auch der Kombinierbarkeit der Produkte geprüftes Antriebssystem wählen kann. Abgerundet werden diese Prüfungen durch die Sicherstellung der Auswahl von schnell verfügbaren Komponenten des Lenze- Standard-Produktraums. Neben diesen schon bekannten Funktionen des Programms entwickelte sich im Hause Lenze der Gedanke, dass Energieeffizienz als Systemeigenschaft nur dann erfüllt werden kann, wenn diese schon bei der Auslegung eines Antriebsstrangs berücksichtigt würde. Hieraus entstand die Integration der Verlustmodelle der Antriebskomponenten und der Energieberechnung in den Auslegungsgang. Abb.:2 Oberfläche Drive Solution Designer Soll ein Antriebssystem dimensioniert werden, so stehen meist unterschiedliche Antriebstechnologien zur Verfügung. So können Getriebe verschiedener Bauweisen, Übersetzungen und Stufenzahlen gewählt werden. Bei den Motoren ist zu unterscheiden zwischen Asynchronmotoren, Servo- Asynchronmotoren und verschiedenen Typen von Synchron-Servomotoren. Bei den Umrichtern können Frequenzumrichter mit U/f, sensorlose Vektorregelung, beziehungsweise Servoregelung zum Einsatz kommen. Alle diese Komponenten können auch im DSD ausgewählt werden. Dem Anwender stellt sich dann jedoch die Frage, welche der Vielzahl von Varianten für ihn die effizienteste ist. Dies lässt sich jetzt mit dem Drive Solution Designer ohne viel Aufwand klären. Durch die im

3 Programm implementierte Möglichkeit zur schnellen Bildung von alternativen Antriebslösungen und des Projektvergleichs, kann der Anwender unterschiedliche Ansätze vergleichen und bewerten. Ebenfalls bietet sich die Möglichkeit die Bewegungsabläufe zu optimieren, als auch die Frage zu beantworten ob sich ein DC-Verbund oder eine Ein- Rückspeiseeinheit lohnt. Beispiel : Hubantrieb eines Regalbediengerätes Daten der Anwendung: Masse Förderzeug: m Cag =250kg Masse Nutzlast : m L =850 kg Durchmesser der Räder: d=325mm Wirkungsgrad Hubwerk η =0.9 Maximalweg :h hoi = 3m Maximalgeschwindigkeit : v= 35 m/min Maximalbeschleunigung: a=0,5m/s² Für die Berechnung des Hubantriebs kann im DSD das entsprechende Modell aus der Anwendungsbibliothek gewählt werden. Abb.:3 Anwendungsauswahl Hier steht dem Anwender eine Vielzahl von Anwendungen unter anderem auch aus der Hubwerkstechnik zur Verfügung.

4 Die Bewegungsparameter können im Kinematik-Dialog eingegeben werden. Abb.:4 Kinematik- Dialog Mit den eingegebenen Daten werden dann innerhalb des Programms die Bedarfswerte ermittelt. Diese können auch in Diagrammen dargestellt werden. Abb.:5 Berechnungsergebnisse Für die Komponentenauswahl sind in den Auswahltabellen die Grenzkennlinien des Motor- Regler-Systems hinterlegt, mit diesen und den berechneten Auslastungswerten ist eine optimale Ausnutzung aller Komponenten möglich. In unserem Fall wird zunächst ein Standard- Getriebemotor MDXMA im Direktanbau an ein Kegelstirnradgetriebe GKS11-3 gewählt. Als Antriebsregler kommt ein E94ASXE0174 zum Einsatz.

5 Abb.:6 Auswahltabelle Am Ende des Auslegungsgangs kann dann die Energieeffizienzberechnung durchgeführt werden. Wird diese gewählt, so werden die Verlustleistungen in den Einzelkomponenten mittels komplexer Verlustmodelle berechnet und zum Energiebedarf aufintegriert. Abb.:7 Berechnung der Energieeffizienz für das Antriebssystem Das Ergebnis steht in Form des Energiepass Antriebslösung zur Verfügung. Er enthält eine Kurzbeschreibung der Anwendung, sowie den Energiebedarf, die Energiekosten und die CO 2 - Emissionen.

6 Abb.:8 Berechnung der Energieeffizienz für das Antriebssystem Um Anwendungen schnell optimieren zu können gibt es im DSD die Möglichkeit Alternative-Antriebslösungen bilden zu können und diese im Projektvergleich zu vergleichen. Im Folgenden wird an Stelle des Servo- Asynchronmotors ein Synchronservomotor MCS19J30 im Flanschanbau an ein Kegelstirnradgetriebe GKS09-3 gewählt, dabei kommt derselbe Antriebsregler zum Einsatz. Im Projektvergleich werden die beiden Lösungen verglichen.

7 Abb.:9 Projektvergleich alternativer Lösungen Es lässt sich schnell erkennen, dass in diesem Fall mit der alternativen Lösung ca. 850 in fünf Jahren gespart werden können, wird hierbei die rückgespeiste Energie genutzt. So beträgt der Unterschied sogar ca Werden die Investitionen für die Produkte in die Kalkulation einbezogen, so lässt sich unter Ausnutzung eines DC-Verbundes folgende Amortisierungsgerade darstellen. Das System hat sich dann nach weniger als 1,5 Jahren amortisiert. Abb.:10 Projektvergleich der Systeme (Antrieb1: Standard-Asynchronmotor, Antrieb2: Synchron-Servomotor)

8 Zusammenfassung Mit dem Drive Solution Designer lässt sich der Energiebedarf einer Anwendung und Ihrer Antriebskomponenten berechnen und mit unterschiedlichen Lösungen vergleichen. So kann schnell die hinsichtlich des Energiebedarfs effizienteste oder zusammen mit den Komponentenpreisen die wirtschaftlichste Lösung gefunden werden.