Industrie 4.0
Synchron-Servomotoren für intelligente Antriebe
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Der Teillastbereich in Zeiten steigender Energiepreise und von Industrie 4.0
Innerhalb der Wertschöpfungskette eines Kabels ist der Extrusionsprozess nach wie vor die Königsdisziplin. An solchen Anlagen wird nicht nur die Isolierung über den Leiter aufgebracht, sondern es werden die wesentlichen Eigenschaften geprägt, die ein Kabel zu einem High-Tech-Produkt machen (z.B. »fire resistant«, »flame retardent«, Permittivität und Impedanz). Grundsätzlich wird bei der Kabelextrusion das in Spulen oder Fässern gespeicherte Endlosmaterial mittels einer Einschub/Einzugs-Einrichtung dem Extruderkopf zugeführt und mit einer - unter Druck und Hitze gekneteten und geförderten - zähen Kunststoffmasse überzogen. Nach Verlassen des Extruderkopfes wird der heiße Strang über ein wassergekühltes Umlenkrollensystem geleitet und von einer Abzugs-Einrichtung zur traversierenden Wickelvorrichtung gezogen/geschoben. Bei Extrusions-Anlagen kommen bis heute überdimensionierte Konstantmoment- und Konstantleistungsantriebe zum Einsatz mit hohen und nicht genutzten Leistungsreserven.
Ist das sinnvoll? Eine gesunde Überdimensionierung eines Antriebssystems gilt auch heute noch als probates Mittel, um die Betriebssicherheit einer Arbeitsmaschine zu gewährleisten. Kennt der Entwicklungsingenieur die mechanische Last, das wirkende Lastkollektiv oder die Umgebungsbedingungen nicht genau, so bewegt er sich durch Überdimensionierung immer auf der sicheren Seite. Hinzu kommt, dass Antriebe mit definierten Lasten und Geschwindigkeiten auf maximale Betriebszustände auszulegen sind. Die damit installierten Leistungsreserven sind unter Umständen gerechtfertigt, etwa beim Extruder, der eine zähe Knetmasse fördert, um ein teures Endprodukt herzustellen (z.B. LWL-Kabel, Hochspannungskabel oder Telefonkabel). Fällt nämlich der Motor an einem heißen Sommertag wegen Überhitzung aus, so ist das teure Endprodukt verloren. Bei den Ab- und Aufwickelmaschinen sieht es ähnlich aus, hier ist die Überdimensionierung bedingt durch den Prozess erforderlich. Obwohl bei Wickelantrieben hohe Drehzahlen und hohe Drehmomente nicht gleichzeitig auftreten, muss der Motor beides erbringen können. Die Eckleistung ist in diesem Fall viel größer als die Prozessleistung. Nötig sind Elektromotoren mit einer hohen Antriebsleistung, die aber nur schlecht ausgenutzt werden kann. Umrichter können durch einen Betrieb des Motors im Bereich der Feldschwächung den Drehzahlbereich des Wickelantriebs erweitern. Daher lassen sich die Mehrkosten für den Strom rechtfertigen, die durch die Überdimensionierung von Antriebssystemen entstehen. Gibt es aber Alternativen?
Das intelligente Antriebssystem – so wenig Eckleistung wie möglich, so viel Eckleistung wie nötig
Der maximale Wirkungsgrad, also das Verhältnis zwischen der abgegebenen mechanischen Leistung und der aufgenommenen elektrischen Leistung, liegt bei einem genormten Asynchronmotor (Abb. 2) üblicherweise im Bereich von 60 bis 100 Prozent der Nennlast. Unter 25 Prozent Belastung sinkt der Wirkungsgrad steil ab. Betrachtet man nur den Wirkungsgrad, scheint es sinnvoll, Motoren in dem Belastungsbereich zu betreiben, wo sie ihren maximalen Wirkungsgrad haben. Betrachtet man die Lebensdauer, empfiehlt es sich, den Motor etwas größer zu dimensionieren. Dadurch ist zwar der Kaufpreis höher, aber man erwirbt Leistungsreserven, und der Motor erwärmt sich nicht so stark. Ein energieeffizientes Antriebssystem für Arbeitsmaschinen sollte daher kostengünstig, modular aufgebaut und wartungsfrei sein sowie mit hoher Präzision, Dynamik und Zuverlässigkeit arbeiten – und zwar im optimalen Wirkungsgradbereich des Motors und des gesamten mechanischen Antriebsstrangs.
Der störungsfreie Betrieb des Antriebssystems und des mechanischen Getriebestrangs muss bei hoher Produkt-, Parameter- und Prozessvarianz gewährleistet sein. Dabei liegt der optimale Wirkungsgradbereich des Motors bei 0,75 ± 0,15 x Nenndrehzahl und 0,75 ± 0,15 x Nennmoment. Diese Vorgaben erfüllt eine von der Firma Kabel.Consult.Ing zum Patent angemeldete Erfindung. Ein Hauptvorteil des neuen Antriebssystems auf Basis eines Synchron-Servomotors ist, dass Nennverluste und Leerlaufverluste des antreibenden Motors - gegenüber Asynchron-Servomotoren - um ein Vielfaches reduziert werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass alle am Antrieb beteiligten mechanischen Getriebestränge stets im optimalen Wirkungsgradbereich betrieben werden können. Das Leerlaufdrehmoment des mechanischen Antriebs bzw. der einzelnen Getriebestränge wird ebenfalls – gegenüber Asynchron-Servomotoren – um ein Vielfaches reduziert.
Abb. 3 zeigt: Wenn mehrere kleine Antriebe vorteilhaft eingesetzt werden, erhält man einen Zustand, in dem die installierte Eckleistung für eine Anwendung mit Konstantleistungskurve nicht wesentlich größer ist als die Prozessleistung; trotzdem ist noch eine ausreichend hohe Sicherheit gegeben, etwa gegen externe thermische Einflüsse oder eine in der Planungsphase nicht berücksichtigte und andauernde Überlastsituation. Als Resultat erhält man ein Antriebssystem mit einem sehr hohen Systemwirkungsgrad, einer optimalen Energiebilanz und somit niedrigen Energiekosten. Dadurch, dass der Motor und das Getriebe stets im optimalen Wirkungsgradbereich arbeiten, geht die meiste Antriebsleistung effizient in den Prozess ein. Das zum Patent angemeldete, energieeffiziente Antriebssystem auf Synchron-Servomotor-Basis ist vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen der SIGNO-Initiative (Schutz von Ideen für die gewerbliche Nutzung) gefördert.
Autor
Juan Carlos González Villar ist Inhaber der Firma Kabel.Consult.Ing.
- Synchron-Servomotoren für intelligente Antriebe
- Der Teillastbereich in Zeiten steigender Energiepreise und von Industrie 4.0
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