Teillast vollständig beherrschen

Dr. Tim Bendig, Leiter Strategisches Marketing & Corporate Communications, LenzeProf. Dr. Holger Borcherding, Fachlicher Leiter Bereich Innovation bei Lenze und Leiter des Labors Leistungselektronik und Elektrische Antriebe der Hochschule Ostwestfalen-Lippe

Die IE-Einstufung von Motoren wie auch die Energie-label einzelner Haushaltsgeräte sind Belege für die heute komponentenlastige Betrachtungsweise der Energieeffizienz. Die Analyse im Rahmen einer definierten Aufgabe findet in der Regel nicht statt. Dabei lässt sich mit dem kostspieligen Herumfeilen am Wirkungsgrad im Bemessungspunkt die Effizienz nur in homöopathischen Dosen verbessern. Gesamtzusammenhänge sind gefragt – und Systeme, die sich selber optimieren, um gerade auch bei Teillast so sparsam wie möglich zu arbeiten.

Der energetische Blick zurück auf die Antriebstechnik von gestern lässt sich in fünf Funktionsbereiche aufteilen, die sich durch die Komplexität der Anwendung unterscheiden. Waren auf Komponentenebene IE2-Motoren gefragt, stand bei geregelten Antrieben der Servomotor im Mittelpunkt. Optimierungen hatten die Aufgabe, die Bewegungsführung effizienter zu gestalten. Dafür hat Lenze die Auslegungssoftware Drive Solution Designer (DSD) entwickelt. Waren Antriebe in einem Mehrachsverbund gekoppelt, gab es erste Zwischenkreis-Lösungen, um die Bremsenergie als Folge des generatorischen Effekts wirkungsvoll zu nutzen. Schon früh gab es in der Antriebstechnik erste Versuche, die Bremsenergie größerer Einzelantriebe wieder in das Netz zurückzuspeisen. Ein typisches Beispiel sind Regalbediengeräte mit Leistungen oberhalb von 40 kW. Die dafür notwendige Technik gestaltete sich allerdings so komplex und kostspielig, dass die Realisierung keinen betriebswirtschaftlichen Nutzen erzielte.

Was bieten aktuelle Entwicklungen für eine energieeffiziente Antriebstechnik? Von der Komponentenebene ausgehend, beginnt sich der Blick langsam auf das Zusammenspiel mehrerer Elemente zu erweitern. In der Vergangenheit war nur der einzelne Motor interessant. Das führte manchmal dazu, dass ein vermeintlich effizienter IE2-Motor gerne mal mit einem wirkungsgradschwachen Schneckengetriebe kombiniert wurde – normseitig völlig in Ordnung, effizienzseitig ein Fehlschlag. In Anwendungen mit festen Drehzahlen prägen heute bereits IE3-Motoren das Bild. Lenze zum Beispiel kombiniert diese bei der neuen Getriebebaureihe g500 mit höher übersetzten Stufen. Auch wenn der Verbundgedanke wächst – die rechtliche Seite betrachtet noch immer nicht den Energieverbrauch der Getriebe.

Auch bei geregelten Antrieben kommen zunehmend IE3-Motoren verstärkt zum Einsatz. Hier bietet Lenze mit der Funktion VFCeco zur Anpassung des Magnetisierungsstroms eine weitere Verbrauchsoptimierung vor allem im Teillastbereich. Heute lassen sich selbst anspruchsvolle Mehrachsanwendungen auf den Punkt genau auslegen und optimieren. Und der Zwischenkreisverbund von gestern? Hier helfen dedizierte Berechnungsmöglichkeiten – auch mit Hilfe des DSD – Energieeinsparungen bis 30 % zu erreichen.

Sukzessive kommen immer mehr Software und Mechatronik plus ein zunehmendes Systemverständnis zum Einsatz. Zukünftig wird die Herausforderung vor allem darin bestehen, den Standby-Verbrauch gleichermaßen wirksam und betriebssicher zu minimieren. Dazu ist es notwendig, den Kontext einer Gesamtproduktion noch mehr in die Maschinenentwicklung einfließen zu lassen.

Auf Komponentenebene rechnet Lenze damit, dass der sparsame Stand-by-Betrieb genauso Thema sein wird, wie die weitere Einsparung von Getriebestufen oder das Ende des Schneckengetriebes. Bei drehzahl-variablen Antrieben werden IE4-Motoren mit Regelung das Bild bestimmen und neue Effizienzbewertungen von Systemen werden Einzug halten. Das ist bereits an der neuen Eco-Design-Norm DIN EN 50598 erkennbar. Dazu kommen neue Werkstoffe, die Geräte noch kompakter auslegen und Eigenverluste weiter senken.

Auch die Energierückspeisung wird sich dynamisch weiterentwickeln. Bei Lenze mit einem ganz neuen Weg. Bisher haben sich bei der Active Front End Technik (AFE) Energieeinsparungen nur mit einem hohen Aufwand erschließen lassen. Aus dem Spitzencluster „it’s OWL“ hat Lenze gemeinsam mit Partnern ein neues Rückspeisekonzept entwickelt, das serienreif ist.

Dieses Konzept lässt sich mit einem verteilten, dezentralen DC-Netz vergleichen – in dem der Zwischenkreis quasi seinen Schaltschrank verlässt und damit für alle Teilnehmer eines Systems offener wird. Die Bremsenergie wird über das DC-Netz zuerst direkt zu Verbrauchern geführt. Der verbleibende Rest durch eine skalierbare Rückspeisung genutzt und nicht in einem Brems-widerstand verheizt.

Auf Auslegungsebene wird es zu einer Anbindung von Softwarewerkzeugen wie dem DSD an die Entwicklungsebene kommen. Damit wird der Weg frei für weitere Optimierungen und eine bessere Orientierung an den tatsächlichen Bedürfnissen der Produktion an die eingesetzten Maschinen. Auf der Nutzungsebene wird diese Entwicklung zu neuen Messverfahren innerhalb eines übergreifenden Energiemanagements führen sowie zu individuellen Kennlinienfeldern, die alle Betriebszustände abdecken. Auch das wird Teillastverluste absenken.

Die Zusammenhänge cyberphysischer Systeme lassen sich in Zukunft für eine verbesserte Energieeffizienz nutzen. Maschinen werden durch höhere Freiheitsgrade automatisch erkennen, wann und wie sie ihren Betrieb optimieren können. Die Herausforderungen der Zukunft werden folglich darin bestehen, Maschinen und Anlagen nicht auf einen Nennpunkt hin auszulegen, sondern darauf, dass sie ihren Energiebedarf selbst minimieren – und das unter Berücksichtigung von Nebenbedingungen wie Zeit oder Leistung. Das Ziel ist die intelligente, dynamische Auslegung der Maschinen- und Anlagenperformance. Energetisch betrachtet wäre das dann eine Industrie 4.1-Lösung.

Die Entwicklung der Antriebs- und Steuerungstechnik zeigt, dass vor allem mechatronische Integration, funktionale Vernetzung und Systemintegration wirk-same Mittel zur Steigerung der Energieeffizienz sind. Mit den Möglichkeiten von Industrie 4.0 werden Maschinen in der Lage sein, sich in einem Produktionsverbund auf Basis der situativen Auslastung selbstständig zu optimieren und miteinander abzustimmen.