Eine Möglichkeit der Energieeinsparung ist der Einsatz von hocheffizienten Motoren. So bietet es sich an, Asynchronmotoren mit einer geringen Energieeffizienzklasse durch Servomotoren abzulösen. In Frage kommt z.B. ein AKM-Servomotor, welcher der Energieklasse IE4 gleichzusetzen ist. Denn er besitzt durch hohe Leistungsdichte, kleines Trägheitsmoment und geringes Cogging einen höheren Wirkungsgrad. Durch Austausch eines Asynchronmotors mit effizienter Servotechnik – Synchronservomotor und Servoverstärker – lassen sich Einsparungspotenziale von bis zu 40% und mehr erzielen. Je nach Maschinenlaufzeit und Strompreis können somit bis zu 1.000E/Jahr an Energiekosten pro Achse eingespart werden, die Investition in ein Servosystem amortisiert sich in vielen Applikationen bereits innerhalb eines Jahres. Kollmorgen, als Lösungsanbieter für Antriebs- und Steuerungstechnik, hat sich bereits in den vergangenen Jahren auf diese Sachverhalte eingestellt und widmet sich u.a. gezielt der Entwicklung energieeffizienter Antriebstechnik. Vergleichende Testreihen haben gezeigt, dass die Auswahl geeigneter Motoren und deren Kombination mit Reglern wie dem AKD Servoverstärker zu bemerkenswerten Ergebnissen führen.
Selektion von elektromotorischen Antrieben
Die Massenträgheit eines Asynchronmotors kann gegenüber der eines Synchronmotors im Schnitt um den Faktor 10 höher liegen. Insofern muss zur Beschleunigung bei Synchronmotoren nur ein Zehntel der Energie aufgenommen werden. Bei Prozessen, deren Bewegungsablauf im Dauerbetrieb stets nur in eine Richtung erfolgt – ein typischer Pumpenbetrieb – kommt der Vorteil der kleinen Trägheitsmomente nicht zum Tragen. Darüber hinaus sollte berücksichtigt werden, dass eine eventuell etwas höhere Massenträgheit für einen gleichförmigen, ruhigeren Prozess sorgt. Hingegen können bei Anwendungen mit häufig wechselnden Drehzahlen erhebliche Einsparungen von teilweise bis zu 50% erzielt werden. Den Beweis lieferte ein Anwender aus der Werkzeugmaschinenbranche mit einem Mehrspindeldrehautomat mit 20 bis 70 Antrieben. Eine weitere von Kollmorgen durchgeführte vergleichende Untersuchung hat ergeben, dass je nach Maschinenlaufzeit und Strompreis bis zu 1.000E/Jahr an Energiekosten pro Achse eingespart werden können. Für die stets gleiche einachsige Applikation wurden eingesetzt:
- ein Asynchronmotor (Betrieb fest am Netz) ohne Regler bei einem Energiebedarf von 1.000W,
- ein Asynchronmotor (IE1, Standard Efficiency) mit AKD-Verstärker von Kollmorgen bei einem Energiebedarf von 600W,
- ein Asynchronmotor (IE4, Super Premium Efficiency) mit AKD-Verstärker von Kollmorgen bei einem Energiebedarf von 400W,
- ein marktüblicher Synchronservomotor (Standard) mit AKD-Verstärker von Kollmorgen bei einem Energiebedarf von 300W,
- ein AKM-Servomotor (IE4) mit AKD-Verstärker von Kollmorgen bei einem Energiebedarf von nur 220W.
- ein AKM-Servomotor (IE4) mit AKD-Verstärker und dem Kondensatormodul KCM-S bei einem Energiebedarf von nur 190W
Diese Vergleiche zeigen deutlich das erzielbare Einsparungspotenzial des Energiebedarfs in Bezug zur eingesetzten Technologie. Der AKM-Servomotor hat aufgrund hoher Leistungsdichte, kleinem Trägheitsmoment und geringem Cogging einen höheren Wirkungsgrad als Asynchronmotoren und konventionelle Synchronservomotoren. Hinzu kommt das optimale Zusammenwirken von AKM-Motor und dem AKD-Servoverstärker hinsichtlich eines bedarfsgerechten Energieabrufs. Darüber hinaus kann Energie gespart werden durch Kopplung der Zwischenkreise und Einsatz eines von Kollmorgen angebotenen Kapazitätsmoduls KCM-S. Dieses speichert die Energie der generatorisch arbeitenden Achsen. Das folgende Berechnungsbeispiel veranschaulicht die Bedeutung der Energieeffizienz: Eine Senkung des Energiebedarfs um 810W entspricht bei 16 Betriebsstunden der Maschine pro Tag und 250 Arbeitstagen einer Energieeinsparung von 3.240kWh im Jahr. Bei einem Lebenszyklus der Maschine von acht Jahren sind das 25.920kWh. Bei einem Strompreis von 15Cent/kWh sind das 3.888E pro Achse.
Bremsenergie nutzen – mithilfe des Bremsenergiespeichers
Der aktive dynamische Bremsenergiespeicher KCM-S wird nur bei einer Bremsung des Antriebs bestromt und geladen. Da keine Verbindung zum eingangsseitigen Stromnetz besteht, sind Netzrückwirkungen ausgeschlossen. Der Bremsenergiespeicher ermittelt den Wert der Einsatzspannung UKCM automatisch. Energie, die zu einer Spannungserhöhung über diesen Schwellwert führen würde, wird im Puffermodul gespeichert. Unterschreitet die Spannung im Zwischenkreis den Schwellwert, pumpt der Speicher Energie zurück, die ohne ihn aus dem Netz gezogen würde. In diesem Moment wird Energie gespart. Wenn das Energieniveau unter die dynamisch festgelegte Ladespannung sinkt, schaltet sich KCM-S ab und wartet auf die nächste Bremsung, bei der der Kondensator wieder geladen wird. Je kürzer diese Zykluszeit ist, desto effizienter wirkt das Prinzip.
Sukzessive Optimierungen reduzieren Energiebedarf
Generell sollte bei dem Thema der Energieeffizienz der Fokus nicht ausschließlich auf eine Komponente ausgerichtet sein – es empfiehlt sich eine ganzheitliche Betrachtung. Ein erster Schritt kann darin bestehen, einen Asynchronmotor durch einen mit einem höheren Trägheitsmoment ausgestatteten Servomotor abzulösen. Durch den Einsatz eines Servomotors wie des AKM werden aufgrund der hochauflösenden Smart Feedback-Technologie die Präzision erhöht und Bewegungsprofile verbessert. Weitere nicht zu unterschätzende Effekte sind stabilere Prozesse, höhere Maschinenverfügbarkeit, Produktivität und Lebensdauer sowie reduzierte Temperatur bei geringem Energieverbrauch. Wiederholt hat sich gezeigt, dass sich \’bessere Technik\‘ in weniger als einem Jahr amortisiert. In der Tat sind nicht nur die anfänglichen Investitionskosten, sondern auch die Life Cycle Costs als gesamte Verbrauchskosten zu berücksichtigen. Über die gesamte Lebensdauer einer Maschine hinweg kann eine erhebliche Einsparung an Energie erreicht werden.
