Reduzierter Energieverbrauch durch Intelligenz

In diesem Bereich gibt es verschiedene Ansatzpunkte, mit dem sich beim Betrieb einer Maschine Energie sparen lässt. NUMDrive C ist ein für Multi-Achsen-Anwendungen optimiertes modulares Antriebssystem. Eine typische Architektur besteht aus einem Netzteil das mittels eines DC-Busses die Energie an die Antriebsverstärker verteilt. Die Antriebsverstärker bestehen aus zwei Teilen: einer Steuereinheit und einer Endstufe. Die Einheiten unterscheiden sich im Wesentlichen in der Leistung und den verfügbaren Safety-Funktionen (Bild 1). Netzteil Das gemeinsame Netzteil reduziert den Energieverbrauch durch eine sogenannte Energy Balance Funktion. Diese Funktion stellt den Energieaustausch zwischen den verschiedenen Achsen, basierend auf dem Energieverbrauch und der Energieerzeugung, sicher. Beim umwandeln von Strom in Drehmoment weist ein Servomotor eine sehr hohe Effizienz auf. Gleichzeitig weist der Motor aber auch eine hohe Effizienz auf, wenn es darum geht, die Bremsenergie in elektrischen Strom umzuwandeln. Wenn z.B. eine Achse bremst und eine beschleunigt, wird weniger Energie aus der Hauptleitung bezogen und als Resultat der Verbrauch reduziert (Bild 2). Produktionsmaschinen sind sehr häufig in Beschleunigungs- und Bremsphasen. Es kommt natürlich vor, dass alle Antriebe gleichzeitig bremsen. Dadurch kann die Energy Balance Function keinem der Antriebe die zurückfließende Energie zur Verfügung stellen. Üblicherweise wird die überschüssige Energie dann in Bremswiderständen in Wärme umgewandelt. Da dies aus energietechnischer Sicht nicht sinnvoll ist, bietet sich hier eine Netzrückspeisung an. Mit der Power Reinjection function kann die überflüssige Energie mit einem Wirkungsgrad von bis zu 98% ins Netz zurückgespeist werden. Die Endstufen weisen eine Effizienz von bis zu 97% auf. Dieser sehr geringe Energieverbrauch wird dank speziellen Algorithmen erreicht, die eine extrem schnelle Ein-/Ausschaltung der Transistoren erlauben (IGBT). Zusätzlich werden alle im Antrieb notwendigen internen Versorgungsspannungen über Switch Mode Power Supplies (SMPS) erzeugt. In einem herkömmlichen passiven Gleichrichter wird der Strom pulsförmig vom Netz bezogen, da der Strom erst in das System fließt, wenn die Spannung des Netzes das DC-Niveau des Busses übersteigt. Dies führt zu Energieverlusten aufgrund der folgenden Umstände: Eine große Strommenge wird für kurze Dauer bezogen. Führt man eine FFT-Analyse dieser Strommenge durch, ist es offensichtlich, dass diese einen Oberwellengehalt hat. Nur Strom, welcher in Phase mit der Spannung ist kann Leistung übertragen. Der Oberwellenanteil führt sowohl zu höheren elektromagnetischen Emissionen, als auch zu höheren Kupferverlusten. Als Ergebnis ist beim Übertragen der gleichen Leistung ins System, die blaue Oberfläche kleiner als die orange (Bild 3). Außerdem nehmen die Kupferverluste (Leitungsverluste) quadratisch mit der Stromstärke ab. Nimmt man an, dass die gleiche Menge Energie mit System A und B übertragen wird. Wenn System B nur 20% der DC-Spannung von System A hat, braucht man in System B eine fünf mal höhere Stromstärke um die gleiche Energie zu übertragen. Weil sich die Kupferverluste quadratisch mit der Stromstärke ändern, führt dies in diesem Beispiel im System B zu 25 mal höheren Kupferverlusten. Wenn man die Energie also pulsförmig mit x mal höherer Stromstärke vom Netz bezieht (anstatt sinusförmig), so erhöht sich der Kupferverlust. Die Netzteile verfügen über eine Option (Configurable DC Bus Voltage), mit welcher der Strombezug sinusförmig erfolgt. Dadurch lassen sich die Leitungsverluste auf die Zuleitungen minimieren. Genauso wichtig ist aber, dass sich mit dem sinusförmigen Strombezug Spannungsverzerrungen und damit Oberwellen in den Netzen vermeiden lassen. Die gesamte Verzerrung der ersten Harmonischen beträgt etwa 5%. Antriebsverstärker Die Antriebsverstärker müssen die bezogene Energie möglichst effizient an die Motoren weitergeben. Masse und Volumen helfen Verlustenergie zu verteilen. Speziell entwickelte Algorithmen optimieren laufend die Motoransteuerung. Anstelle der standard Motorsteuerungs-Algorithmen wird im NumDrive C die Current-Vector-Control verwendet. Der magnetische Fluss im Motor wird laufend überwacht und die Momentenmaximierung mittels Feldschwächung angewendet. Diese Methode ist international als der effizienteste Weg zur Ansteuerung von Motoren anerkannt. Die Endstufen können mit unterschiedlichen Steuereinheiten ausgerüstet werden, wodurch eine optimale Anpassung an beliebige Typen von Werkzeugmaschinen möglich ist. Die verschiedenen Steuereinheiten sind für unterschiedliche Anwendungen ausgelegt: HP (High Performance)-Steuereinheiten eignen sich besonders für Maschinen mit hoher Komplexität, Dynamik und Präzision. Die HP-Steuereinheiten sind als Mono- oder Bi-Achs-Typen verfügbar. Es lassen sich nahezu alle Motortypen und Messsystems mit diesen Einheiten ansteuern. BP (Basic Performance)-Steuereinheiten eignen sich besonders für Maschinen mittlerer Komplexität, Dynamik und Präzision. Auch diese Antriebe sind als Mono oder Bi-Achs-Typen erhältlich. Zertifizierte Safety-Funktionen (konform mit EN13849-1 PLd und IEC61508 SIL2) sind für beide Achs-Steuereinheiten erhältlich. Die Antriebsreihe deckt, beginnend bei wenigen Ampère bis zu 200 Arms pro Achse, die meisten Bedürfnisse der Werkzeugmaschinen ab. Motoren Ziel der Motoren ist es die vom Verstärker abgegebene Energie möglichst effizient in mechanische Bewegungen umzusetzen. Bei der Entwicklung der neuen Motorenreihen BHX and BPX wurde auf eine möglichst maximale Motoreneffizienz geachtet. Durch niedrigen Oberwellengehalt, Verwendung von Hochenergie permanent Magneten, umfassender Elektromagnetischer Dimensionierung, aber primär durch die Verwendung einer neuen Statorkonstruktion konnte eine erhebliche Reduktion der Kupferverluste erreicht werden. Es gibt viele Anwendungen bei welchen sich der Einsatz eines Linearmotors technisch als sinnvoll erweist. Wird der Linearmotor allerdings nur aus Marketingaspekten eingesetzt, so kann sich der Energieverbrauch – je nach Anwendung und Bearbeitungsart – stark zu ungunsten des Anwenders auswirken. Dies zeigt das folgende Beispiel einer Linearmotor-Lösung mit einer Standard Kinematik Lösung, angetrieben durch NUM Motoren: Linearachse mit Linearmotor: – Motor Nennkraft ca. 1800N – Typische Arbeitsgeschwindigkeit = 10m/min (0,16666m/s) – Nennkraft = 1800N x 0,16666m/s = 300W – Motorverluste bei Nennkraft: 1.500 W – Effizienz = 300 / (1.500 + 300) = 0,17 (=17%) – Im Fall von Flüssigkühlung muss auch der Energieverlust aufgrund des Kühlsystems beachtet werden, d.h. Effizienz tiefer als 15%. Linearachse mit Drehmotor + Schraube – Drehmotor: NUM BHX1262N – Nennmoment: 8,4Nm – Screw pitch: 20mm – Nenn Linear Kraft: 2.637 x 0,95 (screw Effizienz)= 2.500N – Typische Arbeitsgeschwindigkeit = 10m/min (0,16666m/s), Motor Geschwindigkeit = 500rpm (52,33rad/s) – Nennkraft bei Motorwelle: 8,4Nm x 52,333rad/s = 440W – Nennkraft (linear): 2.500N x 0,166666m/s (screw Effizienz) = 415W – Motor Verluste bei Nenndrehmoment: 120W – Effizienz= 415 / (120 + 415) = 0,77 (77%) In diesem Beispiel müsste man für diese eine Achse unnötigerweise 1,38kW mehr Verlustleistung akzeptieren. Über die gesamte Lebensdauer einer Maschine führt dies zu einem erheblichen Extra-Energieverbrauch und -Kosten. Dies könnte durch die richtige Wahl der Motor-Technologie/Mechanik verhindert werden. Zugegeben, in einigen Anwendungen ist die Geschwindigkeit und die mögliche Präzision eines Linearmotors notwendig. Natürlich ist die NUMDrive C Antriebsreihe in der Lage sowohl Linear- als auch Torque-Motoren an zu steuern. Aber es stellt sich immer die Frage ob es wirklich sinnvoll ist für die fragliche Applikation Direct Drive Technology anzuwenden.