Abhängig vom Lastdrehmoment: Wird der Antrieb nicht im Bemessungspunkt betrieben, so sind die Verluste wesentlich größer.
Erschienen in: Energy 2.0-Kompendium 2010, S. 171
Antriebe  |  

Die Kunst, Antriebe auszulegen

Jede Komponente eines Antriebssystems birgt Verluste in sich, die auf unterschiedliche Ursachen zurückzuführen sind

Jede Komponente eines Antriebssystems birgt Verluste in sich, die auf unterschiedliche Ursachen zurückzuführen sind. Um zu effizienten und verlustarmen Antriebslösungen zu gelangen, muss der Maschinenbauer das Zusammenwirken und die Wechselwirkung von Mechanik, Bewegung und den einzelnen Antriebskomponenten im Blick haben. Mit einer Software zur Antriebsauslegung kann er Kosten- und Energieeinsparpotenziale bereits bei der Planung einer Maschine erkennen und ausschöpfen. * Text:Olaf Götz, Peter Vogt Fotos:Lenze

Umweltschutz, Energiepreisentwicklung, Wirtschaftskrise – der Maschinenbauer ist gezwungen, innovative und zukunftsfähige Konzepte zu entwickeln, um im Wettbewerb mithalten zu können. Energie stellt im Rahmen der Total Costs of Ownership einen der größten Posten bei den Betriebskosten dar. Daher gilt es, Antriebsprodukte mit geringerem Energieverbrauch einzusetzen – die Normen schreiben es für die Zukunft vor. Ein großes Einsparpotenzial liegt aber darüber hinaus darin, die Energie intelligent einzusetzen. Das geschieht zum Beispiel durch den geregelten Betrieb des Motors am Frequenzumrichter, eine energieeffiziente Bewegungsführung und vor allem eine bedarfsgerechte Antriebsauslegung [1]. Der Vergleich des Energieverbrauchs unterschiedlicher Motoren im Bemessungspunkt greift gerade bei dynamischen Anwendungen zu kurz. Eine wirksame energetische Optimierung muss auch die Anwendungsmechanik und jede Komponente im Antriebssystem – hinsichtlich ihres Eigenverbrauchs oder des Energiebedarfs durch ihr Speichervermögen – mit einbeziehen. Zusätzlich wird der Energieverbrauch von der Art der Bewegungsführung bestimmt. Die verschiedenen Profiltypen führen auf unterschiedliche Maximalgeschwindigkeiten beziehungsweise -beschleunigungen. Dies beeinflusst einerseits die grundsätzliche Auswahl der Antriebskomponenten, führt aber auch zu einem unterschiedlichen Energiebedarf der Komponenten.

Drive Solution Designer: Das Software-Tool benennt exakt die Prozessgrößen und die optimale Abstimmung der Komponenten untereinander.

Kenntnis der Verlustursachen grundlegend

Jede Komponente eines Antriebssystems hat Verluste, die auf unterschiedliche Ursachen zurückzuführen sind. Dabei sind die Verluste abhängig von den jeweiligen Belastungsgrößen. Bei rotativen Antrieben lassen sie sich direkt und indirekt auf das benötigte Drehmoment und die Drehzahl des Antriebssystems zurückführen. Zur Darstellung der Verluste werden häufig Wirkungsgrade angegeben. Diese gelten jedoch nur für den Bemessungspunkt. Sie lassen sich nicht ohne die detaillierte Kenntnis der Verlustursachen auf einen anderen Betriebspunkt übertragen. Die eigentliche Bewegungsaufgabe ist häufig mit unterschiedlichen mechanischen Systemen (Spindel, Zahnriemen, Kurbel) lösbar. Die wesentlichen Ursachen für Verluste in den Anwendungen sind Reibungskomponenten, wie Gleit- oder Rollreibung. Durch geeignete Wahl der Mechaniken lassen sich die Verluste minimieren. Die Verluste in einer Anwendung hängen zudem auch von den Beschleunigungskräften und der Geschwindigkeit ab. Diese werden durch das kinematische Profil der Anwendung bestimmt, wo auch etwa unterschiedliche Nutzlastmassen Berücksichtigung finden. Die Konsequenz ist, dass in vielen Anwendungen der Leistungsbedarf über einen gewissen Zeitraum nicht konstant ist. Energieeffizient kann sich ein Antriebssystem erst dann nennen, wenn die Komponenten auf den sich ändernden Leistungsbedarf abgestimmt werden. Hierzu ist die Kenntnis der Verlustursachen in den Antriebskomponenten erforderlich.Die Verluste des Getriebes werden bestimmt durch die Reibungsverluste zwischen den Zahnflanken, die Lagerreibung, die Dichtungs- und die Planschverluste. Letztere bezeichnen die Verluste, die durch die Bewegung der Zahnräder im mit ölgefüllten Getriebegehäuse entstehen. Sie sind drehzahlabhängig und können – vor allem im Leerlauf – spürbare Leistungsverluste verursachen. Während im unteren Drehzahlbereich die Reibungsverluste an den Zahnflanken überwiegen, gewinnen die Planschverluste mit steigender Umfangsgeschwindigkeit an Bedeutung. Um die Planschverluste zu begrenzen, darf die Eintriebsdrehzahl des Motors in das Getriebe nicht zu hoch sein. Aufgrund ihrer Bauart sind Schneckengetriebe aus energetischer Sicht anderen Getrieben gegenüber prinzipiell im Nachteil. Elektrische Motoren haben unterschiedliche Verlustquellen. In den Wicklungen entstehen Stromwärmeverluste, die vom Quadrat der Stromstärke abhängen. Je nach Maschinentyp kann es sich um Verluste im Stator oder im Rotor handeln. Die Verluste für die Erregung im Grundstellbereich der Maschine entfallen bei permanentmagneterregten Maschinen. Bei der feldorientierten Regelung einer Maschine bleibt der feldbildende Anteil des Stroms konstant, der drehmomentbildende Anteil erhöht sich proportional zur Belastung. Dadurch sind die Stromwärmeverluste näherungsweise quadratisch abhängig von der Drehmomentbelastung. Hohe Überlastungen führen also zu überproportional ansteigenden Wicklungsverlusten. Neben den Verlusten in den Wicklungen der Maschinen entstehen Verluste in den Eisenkreisen. Dabei sind Wirbelstrom- und Hystereseverluste zu unterscheiden, diese sind abhängig von der speisenden Frequenz und der Induktion in der Maschine. Sie wachsen im Grundstellbereich des Motors überproportional mit der Drehzahl an. Um die Verluste in der elektrischen Maschine gering zu halten, ist es für den Betreiber sinnvoll, den Drehzahlbereich des Motors optimal auszunutzen und eine hohe Überlastung zu vermeiden. Die Verluste im Frequenzumrichter lassen sich in Verluste am Gleichrichter, Leiterbahnverluste, in den Zwischenkreiskondensatoren, in der Steuerelektronik und im Wechselrichter unterteilen. Liegt ein Frequenzumrichter am Versorgungsnetz, so wird auch dann Leistung für die Steuerelektronik benötigt, wenn der Motor selbst nicht aktiviert ist. Die Verluste im Wechselrichter sind bei vorgegebener Netzspannung im Wesentlichen abhängig von dem zu übertragenden Strom, der Pulsfrequenz und der Modulationsart. Die Stromwärmeverluste im Frequenzumrichter sind in erster Näherung proportional zum Scheinstrom des Motors.

Exakte Bestimmung der Prozessgrößen

Der gesamte Energiebedarf lässt sich aus der Integration der Summe der einzelnen Leistungen – wie etwa Verluste, Beschleunigungsleistung und Prozessbedarf – über den Maschinenzyklus ermitteln und auf einen Betrachtungszeitraum hochrechnen. Mit diesen Werten können dann die Energiekosten sowie die CO 2 -Emissionen ermittelt werden. Um zu effizienten Antriebslösungen zu gelangen, muss der Maschinenbauer also das Zusammenwirken ebenso wie die Wechselwirkung von Mechanik, Bewegung und den einzelnen Antriebskomponenten betrachten. Dies ist keine triviale Aufgabe, denn die Wechselwirkung der Komponenten untereinander ist groß. Eine gute Kenntnis der Produkte ist Voraussetzung. Zudem möchte der Maschinenplaner diese Aufgabe schnell und einfach durchführen. Eine Unterstützung gibt hier das Auslegungswerkzeug „Drive Solution Designer“ (DSD) von Lenze. Das Software-Tool ermöglicht die Bestimmung der Prozessgrößen und die Abstimmung der Komponenten untereinander durch den darin enthaltenen Konfigurator. Zur Erhöhung der Energieeffizienz stellt der DSD den „Energiepass Antriebslösung“ bereit. Mittels der integrierten Verlustmodelle lassen sich die Verluste auf ihre Ursachen zurückführen. Sowohl Energiebedarf als auch Energiekosten der jeweiligen Anwendung und ihrer Antriebslösung berechnet das System. Zusätzlich erfasst es die Menge der rückspeisbaren Energie, die über den DC-Bus ausgetauscht oder über ein Rückspeisemodul in das Versorgungsnetz zurückgeführt werden kann. Durch den Vergleich unterschiedlicher Lösungen kann der Anwender so die optimale Kombination der Komponenten und den besten Bewegungsablauf für die Antriebsaufgabe finden. Die Energieeffizienz ist dabei nur ein Optimierungsziel, aber ein sehr wichtiges. Hinzu kommen andere Kriterien, wie etwa Anschaffungskosten, Zuverlässigkeit und Bauraum, die im Rahmen eines ganzheitlichen Lösungsansatzes mit dem DSD-Werkzeug berücksichtigt werden können.

Weitere Informationen

    [1] Edwin Kiel: Energie intelligent einsetzen, Energy 2.0 März 2009, S. 41

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