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Energieeffizienz und Nachhaltigkeit ist und bleibt eine wichtige Triebfeder für Innovationen: Ausgabe 01/2019, 01.04.2019

Nächste Revolution der Motorsteuerung

Der kontinuierliche Fokus auf höhere Energieeffizienz und Nachhaltigkeit ist und bleibt eine wichtige Triebfeder für Innovationen des Maschinenbaus und der Elektrotechnik. Die verbesserte Drehzahlregelung durch Umrichtertechnik hat bereits erhebliche Energieeinsparungen ermöglicht, aber der nächste Schritt muss drastischer ausfallen: Das Forschungsprojekt DC-Industrie leistet einen Beitrag dazu.

Gemeinsam mit 21 Firmen aus der Industrie und vier Forschungsinstituten hat der deutsche ZVEI das Gleichstrom-Forschungsprojekt DC-Industrie ins Leben gerufen. Das Ziel ist die Energiewende in der industriellen Produktion umzusetzen und die Energieeffizienz und -flexibilität zu steigern. Die Installation von DC-Netzen an Industriestandorten hat hohes Potenzial zur Reduzierung von Betriebskosten und Nutzung regenerativer Energiequellen.

Viele Bereiche profitieren davon
Eines der beteiligten Unternehmen ist Bauer Gear Motor, Teil der Altra Industrial Motion Corporation. Bauer-Geschäftsführer Karl-Peter Simon ist in führender Position an den Forschungen beteiligt. Ein grosser Automobilhersteller plant bereits die Umsetzung einer Reihe von Empfehlungen in einer neuen Testanlage. Bauer möchte sich mit seiner Expertise an der Umsetzung dieser zukunftsweisenden Vision beteiligen und massgeblich zur weiteren Verbesserung der Energieeffizienz beitragen.
In der Industrie entfallen 70 % des Stromverbrauchs auf Elektromotoren. Damit sind sie der mit Abstand grösste Stromverbraucher. Jede Reduzierung der Leistungsaufnahme dieser Antriebe durch Optimierungen bedeutet auch eine Reduzierung der CO2-Emissionen.

Projekt hat Laufzeit von drei Jahren
Seit dem 1. Januar 2017 müssen alle in Europa neu verkauften Drehstrommotoren des Leistungsbereichs von 0,75 bis 375 kW die Anforderungen der Energieeffizienzklasse IE3 erfüllen bzw. IE2 bei Frequenzumrichterbetrieb. Diese Effizienzklassen sind für Drehstrom-Asynchronmotoren bei Nenndrehzahl und Nenndrehmoment definiert. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass die Wirkungsgradregelung einer Komponente den Energieverbrauch nur in bestimmten Betriebszuständen nachhaltig reduzieren kann. Vor diesem Hintergrund will das Projekt DCIndustrie mithilfe von Gleichstromnetzen die Energiewende und die bessere Ausnutzung von Energie vorantreiben und darüber hinaus die Industrie 4.0 realisieren. Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert und hat eine Laufzeit von drei Jahren.

Ineffizienzen bei der Drehzahlregelung
Der Vorteil des Betriebs an einem Frequenzumrichter ist die kontinuierliche Anpassung der Motordrehzahl an den tatsächlichen Bedarf der Anwendung, was im Nebeneffekt häufig zu Energieeinsparungen führt. Frequenzumrichter werden an Wechselstrom betrieben. Dieser wird zunächst durch einen Gleichrichter in Gleichstrom gewandelt. Der Gleichstrom wird anschliessend durch einen aus dem Zwischenkreis gespeisten Wechselrichter in eine in der Frequenz und Amplitude veränderbare Wechselspannung zur elektronischen Veränderung der Drehzahl eines Drehstrommotors gewandelt.
Im Bremsbetrieb des Drehstrommotors, z.B. beim Senken der Last an einem Kran, kehrt sich der Energiefluss um. Allerdings kann diese Energie über den Frequenzumrichter nicht zurück ins Netz eingespeist werden, weil der Eingangsgleichrichter den Strom nur in einer Richtung durchlässt. Aus diesem Grund muss zurückfliessende Energie über den Gleichspannungszwischenkreis des Frequenzumrichters abgeführt werden.
Hierfür ist der Zwischenkreis mit einem Brems-Chopper zur Überwachung des Spannungsniveaus ausgestattet. Wenn die Spannung des Zwischenkreises den festgelegten Grenzwert überschreitet, schaltet der BremsChopper einen Bremswiderstand zwischen den positiven und den negativen Pol des Zwischenkreises. Hierbei handelt es sich in der Regel um einen zusätzlichen, externen Bremswiderstand, der die Bremsenergie in Wärmeenergie umwandelt.

Netzrückwirkungen
Der vermehrte Einsatz von Frequenzumrichtern zur Regelung von Motordrehzahlen hat zu Netzrückwirkungen durch Oberwellen und Spannungsverzerrung geführt. Leider gibt es hierfür keine Standardlösung, denn die Netze und ihre elektrischen Verbraucher sind sehr unterschiedlich. Letzten Endes ist aber der Netzbetreiber verantwortlich für die Spannungsqualität seiner Erzeugungseinrichtungen. Mit zunehmender Verbreitung von Frequenzumrichtern und anderen Geräten mit moderner Leistungselektronik nehmen die Netzrückwirkungen zu. Die dargelegte Situation zeigt, dass eine weitere Verbreitung von Umrichtern zur flexiblen Regelung von Elektromotoren wünschenswert und in vielen Fällen sogar unumgänglich ist. Sie sind derzeit die einzige Chance, die Produktionsprozesse zu verbessern und den Energieverbrauch zu senken. Aufgrund der Netzstörungen durch Oberwellen und der Kosten für technische Abhilfemassnahmen sind dieser Entwicklung  Grenzen gesetzt. Um wirklich entscheidende Fortschritte im Bereich Energieeffizienz und Systemkostenoptimierung zu machen, bedarf es eines ganz neuen Konzepts: Für maximale Energieeffizienz, Energiewandel und Industrie 4.0 braucht es neue Netzstrukturen.

Neuer Netzaufbau basiert auf einer Versorgung mit Drehstrom
Der neue Netzaufbau basiert auf einer Versorgung mit Drehstrom, der über einen zentralen Gleichrichter in Gleichstrom für die Produktionsmaschinen umgewandelt wird. In den zentralen Gleichrichter sind aktive Netzfilter für eine oberschwingungsfreie Spannungsqualität integriert. Durch die direkte Versorgung der Frequenzumrichter mit Gleichstrom kann auf alle dezentralen Komponenten der Energiewandlung verzichtet werden. Weil die zentrale Energiewandlung (Gleichrichtung) wesentlich effizienter ist, sind die Verluste entsprechend geringer.

Gleichstrom aus Photovoltaikanlagen direkt einspeisen
Bei der direkten Gleichstromversorgung aller Elektromotoren über Frequenzumrichter sind alle installierten Motoren an ein gemeinsames Gleichspannungsnetz angeschlossen. Ausserdem verursachen Gleichstromnetze im Wesentlichen lediglich Übertragungsverluste durch den ohmschen Widerstand. Im Gegensatz zum Wechselstromnetz treten keine kapazitiven und induktiven Leitungsverluste auf. Darüber hinaus bietet ein zentrales Gleichstromnetz die Möglichkeit, Gleichstrom mit dem Spannungsniveau aus einer Photovoltaikanlage direkt zu integrieren. Auch hier ist also die Wandlung von Gleich- in Wechselstrom durch einen Wechselrichter überflüssig. Diese Netzinfrastruktur ermöglicht eine Optimierung der Energiebeschaffung und Netzstabilisierung.
Weil die Eingangsgleichrichter und die Netzfilter bei den Frequenzumrichtern wegfallen, lassen sich letztere kostengünstiger und kompakter gestalten. So sind sie leichter zu integrieren, und die entsprechenden Motorlösungen gewinnen an Attraktivität.

Infoservice
Bauer Gear Motor GmbH
Eberhard-Bauer-Strasse 37, DE-73734 Esslingen
Tel. 0049 711 351 82 76, Fax 0049 711 351 84 56
info@bauergears.com, www.bauergears.com

 

 



Die Wandlung von Gleich- auf Wechselstrom muss nicht durch einen Wechselrichter erfolgen – die Netzinfrastruktur erlaubt eine Optimierung der Energiebeschaffung und Netzstabilisierung


Der anhaltende Fokus auf die Verbesserung von Energieeffizienz und Nachhaltigkeit bleibt eine treibende Kraft für Innovationen