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antriebstechnikk 3/2016

antriebstechnik 3/2016

ELEKTROMOTOREN Immer die

ELEKTROMOTOREN Immer die beste Lösung Energieeffiziente Antriebe für die Intralogistik – das lässt sich einsparen Holger Borcherding Der Energieverbrauch von elek trischen Antriebssystemen, die in der Intralogistik eingesetzt werden, stand bisher bei der Projektierung nicht im Vordergrund, Mehrinvestitionen amortisierten sich gegenüber den Energieein sparungen bei den bisher verfügbaren Geräten nicht innerhalb der erwarteten zwei Jahre. Um dieses Paradigma zu überwinden, sind sowohl kostengünstige Energie effizienztechnologien notwendig als auch belastbare Untersuchungen zur erreichbaren Energieeinsparung. Prof. Dr. Holger Borcherding ist fachlicher Leiter Bereich Innovation bei Lenze in Hameln Lösungen erarbeiten, die einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz in der Intralogistik leisten – das hat sich ein auf Initiative von Lenze entstandenes Forschungskonsortium zur Aufgabe gemacht. Neben Lenze gehören die Unternehmensgruppe Weidmüller, das Fraunhofer IOSB- INA und die Hochschule Ostwestfalen Lippe mit dem Institut Industrial IT (InIT) sowie das Labor Leistungselektronik und elektrische Antriebe (LLA) zu diesem Zusammenschluss. Durch das Forschungsprojekt „Intelligente Antriebs- und Steuerungstechnik für energieeffiziente Intralogistik“ (Itsowl-IASI) soll es künftig möglich sein, für jede antriebstechnische Anwendung in einem Intralogistiksystem, wie z. B. einem Warenlager, aus einer Varianz technischer Lösungen diejenige zu bestimmen, die bei festgelegten Kosten vorab nachweisbar die geringste elektrische Energie verbraucht. Das definierte Projektziel des Innovationsprojektes lautete, in einem Referenz-Intralogistiksystem mindestens 15 % elektrische Energie einzusparen, ohne dabei die Lebenszykluskosten zu erhöhen. Das Projekt Itsowl-IASI ist eines der Innovationsprojekte im Spitzencluster It`s OWL und startete im letzten Quartal 2012. Systembaukasten des Projekts Das Projekt Itsowl-IASI hat einen Systembaukasten erarbeitet, der aus folgenden Hauptkomponenten besteht: n hocheffiziente sowie leistungsoptimierte Motoren n Antriebsumrichter mit energieoptimaler Maximum-Power-Per-Ampere (MPPA) Regelung n modulare Netzrückspeisung für generatorische Energie n geberlose Positionsregelungen von Permanentmagnet- sowie Reluktanz-Synchronmotoren n Energiemonitoring durch vernetzte echtzeitfähige Leistungsmesser n Netzwerkkomponenten für Energiedatenerfassung eines Energiemanagements n modellbasierte energieeffiziente Bewegungssteuerung für die Optimierung von Bewegungsprofilen in Echtzeit Der Beitrag der einzelnen Komponenten des Systembaukastens zum Einsparen von Energie im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik liegt bei bis zu 30 %. So lassen sich z. B. mit PMSM bzw. Synchronreluktanzmotoren aus dem Systembaukasten zwischen 10 % und 30 % elektrische Energie gegenüber IE2-/IE3-Asynchronmotoren

ELEKTROMOTOREN 01 Hauptkomponenten des energieeffizienten Systembaukastens 02 Der itsowl-IASI Demonstrator belegt die Energieeinsparungen des Systembaukastens „Komponenten des IASI- Baukastens sind kompatibel zu marktüblichen Lösungen“ Prof. Dr. Holger Borcherding einsparen. Der tatsächliche Wert hängt von der Baugröße der Motoren und insbesondere von der Anwendung ab. Bei der Netzrückspeisung ist generatorische Energie notwendig. Fehlt diese, ist keine Energieeinsparung möglich. Bei Hubanwendungen können jedoch in vielen Fällen 30 % der Energie durch Netzrückspeisung wieder genutzt werden. Geberlose MPPA-Regelungen für Synchronmotoren sind besonders bei dynamischen Anwendungen vorteilhaft, in denen Standardantriebe mit Asynchronmaschinen wegen der Maschinenzeitkonstanten mit zu hohem Blindstrom betrieben werden müssen. Dort sind Energieeinsparungen bis zu 20 % möglich. Die energieeffiziente Bewegungssteuerung beruht auf Verlustkennlinien feldern der jeweiligen Förderer. Die Kennlinienfelder können vorab ermittelt oder im Betrieb geschätzt werden. Ein Mehr größenoptimierer berechnet dann vor Beginn eines Bewegungszyklus das energieoptimalste Bewegungsprofil und stellt es der SPS zur Verfügung. Im Vergleich zu Trapez-Bewegungsprofilen lassen bis zu 15 % zusätzlich einsparen. Das Energie-Management ist eine weitere Maßnahme, durch die sich der Anlagen-Energieverbrauch verringert. Durch Beobachtung des Verbrauchsverhaltens und gezielte Einflussnahme im Zeitbereich können zusätzlich bis zu 15 % eingespart werden. Viele Funktionen, wie das Energie-Monitoring, sind prinzipiell mit wenig Aufwand nachrüstbar, so dass auch ein Retro-Fit sinnvoll möglich ist. Die meisten Hauptfunktionen wie z. B. die geberlosen Regelungen können kostengünstig mit Standard- Antriebsumrichtern umgesetzt werden. Die Mehrkosten der Motoren sind auch eher gering, da Konstruktionsteile von Standard- Asynchronmotoren verwendet werden können. Daher ist zu erwarten, dass die Amortisationszeiten unter der bisherigen „Schmerzgrenze“ von zwei Jahren liegen werden. Die Energieeinsparung des Systembaukastens belegt ein Demonstrator, in dem die meisten Hauptfunktionen im Vergleich zu aktueller Technik gezeigt werden. Er besteht aus mehreren horizontalen Bandförderern sowie zwei Hubwerken, Standard- Antrieben für den Vergleich sowie Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) mit geberloser Regelung aus dem Baukasten. Für alle Antriebe werden die Energie verbräuche in Echtzeit gemessen und in der Visualisierung zur Anzeige gebracht. Als Lasten werden drei 25 kg schwere Metallblöcke verwendet und damit die Belastung durch Behälter simuliert. Der direkte Vergleich des Energieverbrauchs Alt-Neu zeigt, dass die Horizontalachsen 20 % und die Hubachsen 40 % weniger Energie benötigen. Bei den Hubachsen entfallen jeweils die Hälfte der Energieeinsparung auf die Motoren und die Netzrückspeisung. Mehr als erwartet Das Projekt Itsowl-IASI hat als Projektziel definiert, in einem Referenz-Intralogistiksystem mindestens 15 % elektrische Energie einzusparen, ohne die Lebenszykluskosten zu erhöhen. Die bisherigen Messergebnisse der Energieeffizienzmotoren und -regelungen zeigen eine etwa doppelt so hohe Energieeinsparung. Für die Restlaufzeit des Projektes ist geplant, die Energieeinsparung weiterer Hauptfunktionen zu ermitteln. Es ist zu erwarten, dass 40 bis 50 % Energieeinsparung durch den Systembaukasten darstellbar sind. Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Spitzenclusters „Intelligente Technische Systeme Ostwestfalenlippe (It´s OWL)“ gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. www.lenze.com www.its-owl.de antriebstechnik 3/2016 35

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