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antriebstechnik 3/2018

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Cooler Umrichter Dank

Cooler Umrichter Dank neuer Umrichter-Variante können Motor und Frequenzumrichter am gleichen Kühlkreislauf betrieben werden Anlagen mit hohen installierten Leistungen kommen meist nicht ohne wassergekühlte Antriebe aus. Je mehr davon verbaut sind, desto aufwändiger ist die Wärmeabfuhr. Genau für diese Situationen hat Siemens seine kompakten und effizienten Frequenzumrichter Sinamics S120 weiterentwickelt. Diese können Anwender nun direkt und ohne großen Aufwand an den gemeinsamen Kühlkreislauf von Anlage und Motoren anschließen. Stets den kompletten Antriebsstrang im Blick, konzentriert sich Siemens seit vielen Jahren auf die optimale Abstimmung sämtlicher Komponenten zu einem effizienten und wirtschaftlichen Gesamtsystem. Mit Integrated Drive Systems (IDS) dokumentiert der Konzern die Vorteile, die Hersteller und Anwender von Maschinen und Anlagen aus optimierten Antriebslösungen ziehen. Ein Beispiel sind aktuell die Frequenzumrichter Sinamics S120 mit großen Leistungen über 100 bis 1 500 kW im Niederspannungsbereich von 380 bis 690 V. Die Geräte gibt es mit dem gleichen technischen Interieur und der gleichen Leistungscharakteristik wie bisher – zusätzlich nun aber mit einem Unterschied: Bei den flüssigkeitsgekühlten Geräten gibt es eine neue Variante. Damit verbundene Vorteile sind eine kompaktere Bauweise, eine wirtschaftlichere Antriebslösung, ein geringerer Installationsaufwand sowie ein einfacherer Martin Sacherl ist Produktmanager Process Industries and Drives bei der Siemens AG in Nürnberg Service. Das Besondere an den neuen Chassis-Geräten, die parallel zu den bisherigen Umrichtern seit Ende 2017 angeboten werden, ist die Wasserkühlung für gemeinsame Kühlkreisläufe. Bisher musste die Flüssigkeitskühlung in einem separaten Kreislauf geführt werden, während das Fluid mit Inhibitoren wie Frostschutzmittel versehen sein musste. Bei den neuen Frequenzumrichtern Sinamics S120 genügt nun allerdings normales Leitungswasser mit einer in der Industrie üblichen Wasserqualität. Das bedeutet: Die neuen Geräte lassen sich leicht in den Kühlwasser-Volumenstrom von Anlage und Motoren integrieren. Geringe Anforderungen an die Wasserqualität War bisher der interne Kühlkreislauf des Umrichters über einen zusätzlichen Wärmetauscher entkoppelt, können die neuen Geräte nun direkt mit der Leitung eines vorhandenen Kühlkreislaufs verbunden werden. Gerade beim Einsatz mehrerer Antriebe in Reihe summieren sich die Vorteile der neuen Lösung. So kann z. B. eine große Versorgungsleitung entlang einer Anlage gezogen werden, während über Stichleitungen die Kühlmittelversorgung mit dem notwendigen Volumenstrom erreicht wird. Bei Eintrittstemperaturen von 0 bis 38 °C ist keine Derating erforderlich, von 38 bis 43 °C muss wie bisher ein geringes Derating der übertragenen Leistung erfolgen. Derzeit gibt es die Chassis-Ausführung des Sinamics S120 mit der neuen Kühlvariante, später sollen auch die Cabinet-Module mit Wasserkühlung für gemeinsame Kühlkreisläufe ergänzt werden. Hintergrund ist die Technik, die nun Wasser als Kühlmedium möglich macht. Denn bisher hatte das Kühlmittel direkten Kontakt mit dem Aluminium-Kühlkörper. Diese Leitungsführung wurde nun verändert und mit Rohren aus einer Kupfer-Nickel-Legierung realisiert. Somit ist die Wasserkühlung komplett robust, korrosionsbeständig und langzeitstabil. Das bedeutet auch, dass keine zusätzlichen Vorkehrungen gegen biozide Veränderungen getroffen werden müssen; es genügt Wasser mit keiner allzu anspruchsvollen Qualität ohne Zusatzstoffe. Das vereinfacht vieles. Wichtig für Anwender ist in diesem Zusammenhang: Trotz Verwendung der neuen Materialien ist die Wärmeleitfähigkeit der gesamten Kühlung im Frequenzumrichter nahezu gleich geblieben, sodass die Leis- 28 antriebstechnik 3/2018

UMRICHTERTECHNIK Line Module Motor Module Luft/ Wasserkühler oder Wasser/ Wasserkühler Luft/Wasser- Wärmetauscher Motor Steuereinheit Temp TCI Druck PT 3-Wege- Ventil TIAH Raumluft Filter Überdruckventil max. Systemdruck 600 kPa Pumpen Ausgleichsgefäß Druck Option PT G_D213_DE_00113 01 Durch Verwendung neuer Materialien können Motor und Frequenzumrichter am gleichen Kühlkreislauf betrieben werden 02 Aufgrund eines gemeinsamen Wasser-Kühlkreislauf beim kompletten Antrieb ergeben sich Vorteile in Bezug auf Engineering, Platzbedarf, Kosten und Service tungsmerkmale der Geräte fast identisch wie bisher sind. Der Mehrwert, der sich für Anwender daraus ergibt, ist groß: So lässt sich der üblicherweise benötigte Wärmetauscher einsparen, der i. d. R. direkt am Umrichter platziert wird. In der Praxis heißt das: Statt einem Schrank von etwa 1 m Breite genügt nun ein Schrank mit etwa 0,4 m, in dem sich ein Filter zur Wasseraufbereitung befindet. Siemens empfiehlt einen rückspülbaren Feinfilter mit 100 µm Filterrate. Über eine Zeitsteuerung oder bei Erreichen der maximalen Verschmutzung wird die Rückspüleinheit aktiviert und der Filter wird regeneriert. Zusätzlich empfiehlt Siemens die Installation eines 3-Wege-Ventilsystems, um das Risiko einer Betauung bei hoher Umgebungstemperatur zu vermeiden. Auch aus wirtschaftlicher Sicht ist damit nur etwa die Hälfte der sonst notwendigen Investition für das bisher genutzte, geschlossene Kühlsystem nötig. Bessere Gesamtlösung durch konstruktive Vereinfachungen Und noch ein Detail macht den Unterschied: Während beim dezentral am Frequenzumrichter installierten Flüssigkeitskühlsystem bisher ein kompletter Luftabschluss gegeben war, ist nun bei der zentral organisierten Kühlwasser-Gerätekühlung ein Sauerstoffeintrag zulässig. Die Konsequenz daraus ist, dass der Ausgleichsbehälter mit Wasser oben offen sein kann und somit konstruktiv eine deutliche Vereinfachung zur bisherigen Lösung darstellt. Konstruktiv einfach ist auch die Leitungsführung zu den einzelnen Frequenzumrichtern, die direkt – also ohne Entkopplung – angeschlossen werden. Bei mehreren Geräten in einem Kühlkreislauf stellt sich der notwendige Volumenstrom automatisch ein. Je nach Chassis-Gerätegröße sind das zwischen 9 und 27 l/min. Durch die 03 Statt eines ca. 1 m breiten Schranks (rechts im Bild) muss gegebenenfalls nur noch ein schmaler Schrank für den empfohlenen Rückspülfilter vorgesehen werden Wasserkühlung erreichen die Geräte eine Leistungsdichte, wie sie im Markt ihresgleichen sucht. Ab 250 kW gibt es sie nun mit der neuen Kühlungsvariante für den Einsatz in der Industrie gebräuchlichem Wasser. Unterhalb dieser Leistungsgrenze besitzen die Geräte schon immer statt der Kühlleitung aus Kupfer-Nickel-Legierung Leitungsführungen aus Edelstahl. Beide sind für den Einsatz mit direkter Wärmeabfuhr in den gemeinsamen Kühlkreislauf geeignet. Passend dazu gibt es nun Active Infeeds zur Einspeisung bzw. Motor Modules, die statt Aluminium ebenfalls den Kupfer-Nickel- Werkstoff verwenden, und so für die Wasserkühlung im gemeinsamen Kreislauf geeignet sind. Das zeigt: Gemäß dem IDS- Grundsatz hat Siemens auch hier großen Wert auf Systemdurchgängigkeit gelegt und alle notwendigen Komponenten für die direkte Wärmeabfuhr im gemeinsamen Kühlkreislauf ertüchtigt. IDS-Strategie: Wasserkühlung für komplette Antriebslösungen Mit der Entwicklung der neuen Frequenzumrichter Sinamics S120 in Chassis-Bauform für große Leistungen (315–5 700 kW) hat Siemens einen weiteren wichtigen Schritt in Richtung Systemverfügbarkeit, Effizienzerhöhung und Wirtschaftlichkeit getan. In Verbindung mit den wassergekühlten Motoren Simotics FD sind Anwender nun in der Lage, kompakte, energieeffiziente und leistungsfähige Antriebslösungen zu entwickeln, die auf Standardkomponenten basieren. Insofern ist ein gemeinsamer Kühlkreislauf für Anlage, Motor und Umrichter möglich, was sich auch in Bezug auf Engineering und Wirtschaftlichkeit positiv auswirkt. Durch Verwendung eines gemeinsamen Kühlsystems, das vollständig auf Inhibitoren verzichtet, erweist sich eine solche Lösung als service- und umweltfreundlich. Hinzu kommt, dass Ausgleichsbehälter offen ausgeführt sein können, sodass auch hier nur wenig Detailarbeit bezüglich Engineering und Installation erforderlich ist. Mit den Frequenzumrichtern Sinamics S120 für die Wasserkühlung in einem gemeinsamen Kreislauf belegt Siemens erneut seine Strategie der Durchgängigkeit. www.siemens.com antriebstechnik 3/2018 29

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