f+h fördern und heben 11/2023

PRODUKTE UND SYSTEME

PRODUKTE UND SYSTEME REGELBARE NETZTEILE MACHEN ANTRIEBSLÖSUNGEN IN MATERIALFLUSS- UND LAGERSYSTEMEN ENERGIEEFFIZIENTER KLEINER HEBEL, GROSSE WIRKUNG Materialfluss- und Lagersysteme verbrauchen in der Intralogistik beinahe die Hälfte der aufgewendeten Energie. Ein guter Grund, sich hier schlummernde Einsparpotenziale genauer anzusehen. Diese zu bergen, ist nicht immer mit Aufwand verbunden – manchmal reicht schon der Austausch von Standardnetzteilen durch fein justierbare, intelligente Netzteile. Ansatzpunkte für mehr Energieeffizienz in Materialfluss und Lager gibt es viele, aber nur wenige sind schnell und einfach umgesetzt. Dazu zählt zum Beispiel die Auswahl des richtigen Netzteils für den Betrieb der Intralogistiksysteme. Zur Spannungsversorgung von DC-Antrieben werden mehrheitlich konventionelle AC/DC-Netzteile eingesetzt – bei denen jedoch eine individuelle Anpassung von energierelevanten Parametern wie Geschwindigkeit und Antriebskraft unmöglich ist, weil sich die Leistung der Netzteile nicht dynamisch anpassen lässt. Die Folge: es wird unter Umständen mehr Energie verbraucht, als eigentlich nötig wäre. Die anders konzipierte Technologie der Netzteile des taiwanesischen Herstellers Cotek macht damit Schluss – eine kleine Stellschraube im Gesamtsystem, die jedoch interessante Potenziale zur Energieeinsparung birgt. ENERGIE-EINSPARUNGSPOTENZIAL BEI AC- UND DC-ANTRIEBEN Elektrische Motoren und Antriebssysteme sind robuste Komponenten. Schätzungen gehen davon aus, dass mehr als die Hälfte, der derzeit im Einsatz befindlichen Modelle ihre erwartete technische Lebensdauer überschritten haben. Im Durchschnitt sind sie doppelt so alt. Wegen ihrer Robustheit sind die Kosten für An- schaffung, Wartung und Reparatur gering. Demzufolge machen sie nur drei Prozent der Lebensdauerkosten aus. Anders sieht es mit den Betriebskosten, und hier den Stromkosten, aus. Diese verursachen bei einem Elektromotor rund 97 Prozent der Lebensdauerkosten. Aktuell sind in der EU rund acht Milliarden Elektromotoren im Einsatz. Diese sind für die Hälfte des elektrischen Energieverbrauchs und für ca. 70 Prozent des Stromverbrauchs in der Industrie verantwortlich. Angesichts der Energiepreise lohnt es sich daher, das Antriebssystem einer Überprüfung zu unterziehen und diese gegebenenfalls durch eine Lösung mit einem geringeren Energieverbrauch zu ersetzen. Ferner versucht die EU über Ökodesign-Richtlinien und Energieeffizienzklassen, den Energieverbrauch bei Neuanlagen, und damit verbunden auch die CO 2 -Emissionen zu verringern. Aufgrund der Lebensdauer der Motoren wird es aber eine geraume Zeit dauern, bis der Effekt greift. Die Richtlinie 2019/1781 trat im ersten Schritt Mitte 2021 in Kraft und wurde am 1. Juli 2023 um den zweiten Schritt erweitert. Sie regelt die Effizienz für Motoren mit direktem Netzanschluss, also AC-Motoren und die dazugehörigen Frequenzumrichter. Gemeint sind elektronische Leistungswandler, die die elektrische Leistung, mit der ein Elektromotor gespeist wird, kontinuierlich anpassen. Auf diese Weise wird die vom Motor abgegebene mechanische Leistung nach Maßgabe der Drehzahl- Drehmoment-Kennlinie der am Motor anliegenden Last gesteuert. AUSNAHME VON AC/DC-MOTOREN VON ÖKODESIGN-VERORDNUNG ABSEHBAR Bei der Ermittlung des Energieverbrauchs durch industrielle Antriebssysteme sind AC-Motoren und DC-Motoren einbezogen. Letztere sind von der Ökodesign-Richtline momentan ausgenommen. Fachleuten jedoch erscheint es nur als eine Frage der Zeit, bis für DC-Motoren ebenfalls eine entsprechende Verordnung in Kraft treten wird. Bei AC-Motoren geschieht die Änderung der Drehzahl durch eine Frequenzänderung mithilfe eines Frequenzumrichters. DC-Motoren werden über Gleichspannung versorgt. Wird diese geändert, ändert sich auch die Drehzahl. Die weiteren Ausführungen der Richtlinie beziehen sich auf DC-Motoren, wobei die Annahmen für Bürstenmotoren (mit Kol- 40 f+h 2023/11 www.foerdern-und-heben.de

lektor) und für bürstenlose Motoren (BLDC) zutreffen. Beide Technologien zeichnen, im Gegensatz zu AC-Motoren, folgende Merkmale aus: ein hohes Anlaufmoment, ein hohes Drehmoment, ein hochdynamisches Start-, Stopp- und Beschleunigungsverhalten, eine schnelle Drehrichtungsänderung sowie, wenn gefordert, eine hohe Drehzahl (BLDC bis ca. 100.000 min -1 ). Aus diesen Gründen sind diese Antriebskomponenten die erste Wahl für dynamische Applikationen. DC-MOTOREN HÄUFIG NICHT IM WIRKUNGSGRADMAXIMUM BETRIEBEN Gleichstrommotoren sind Leistungswandler. Die zugeführte elektrische Leistung wird in mechanische Leistung (Drehzahl und Drehmoment) umgewandelt. Ist bei einer Anwendung die DC-Betriebsspannung, das benötigte Drehmoment und die angestrebte Drehzahl bekannt, lässt sich ein Motor auf diesen Arbeitspunkt auslegen (Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie). Generell ist festzuhalten, dass der Motorstrom proportional zum Drehmoment und die Drehzahl proportional zur DC-Versorgungsspannung sind. Das Produkt aus aufgenommenem Strom und angelegter Spannung entspricht also der Leistungsaufnahme des Motors (bis zur Grenze der Motorparameter). Das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl ergibt die mechanische Abgabeleistung. Diese beiden Größen bestimmen den Motor-Wirkungsgrad, der nicht konstant über den kompletten Drehzahl-Drehmoment-Bereich ist. Jeder DC-Motor hat einen Arbeitsbereich, in dem er im Wirkungsgrad-Maximum arbeitet. Es treten aber noch weitere Einflussgrößen auf, die den optimalen Arbeitsbereich „verschieben“ können, zum Beispiel die Erwärmung der Motorwicklung (Verringerung des elektrischen Widerstands) sowie durch alterungsbedingte Ereignisse wie Zunahme der Lagerreibung oder Verschmutzung. Daraus resultiert ein Anstieg der Stromaufnahme. Da bei den meisten Anwendungen im industriellen Bereich auf Standard-DC- Motoren und Standard-Stromversorgungen zurückgegriffen wird, ist quasi vorprogrammiert, dass diese Systeme mit niedrigem Wirkungsgrad arbeiten. Dieser Betriebszustand führt zu unnötig hohen Betriebskosten. KONVENTIONELLE AC/DC-NETZTEILE VERBRAUCHEN MEHR STROM ALS BENÖTIGT Bei Materialfluss- und Lagersystemen werden jedoch häufig die erwähnten DC-Antriebe zur Erzeugung der Bewegungsenergie eingesetzt. Werden dann zur Spannungsversorgung konventionelle AC/DC-Netzteile verwendet, ist eine individuelle Anpassung in Bezug auf Geschwindigkeit und Antriebskraft kaum realisierbar. Anders beim Einsatz der regelbaren Strom-Spannungsquellen des Herstellers Cotek. Denn da sich bei diesen AC/DC-Netzteilen die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom von 1 bis 105 Prozent stufenlos regeln lässt, sind Anpassungen von Geschwindigkeit und Drehmoment der Antriebe aufwandsarm möglich. Das Ergebnis ist neben der Energieersparnis auch eine Reduzierung der Geräuschentwicklung. Und so funktioniert es: Ein Materialfluss- und Lagersystem besteht in der Regel aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten. Hier eröffnen die parametrierbaren Cotek-Netzteile Chancen der individuellen Anpassung, da die Regelung über I2C, RS 232, RS 485 oder Ethernet möglich ist. Gleichzeitig können die Betriebsparameter einschließlich der Netzteiltemperatur überwacht werden, was Rückschlüsse auf etwaigen Verschleiß oder Überlastung zulässt. Auf diese Weise lässt sich der optimale Arbeitsbereich ganz gezielt anpassen. Die Cotek-Netzteile haben eine Ausgangsleistung von 800 W bis 3 kW, sind in der Low-Voltage-Serie mit Ausgangsspannungen von 12 bis 60 VDC und in der High- Voltage-Serie mit Spannungen von 150 bis 400 VDC verfügbar und können sowohl in Reihe als auch parallelgeschaltet werden. Infolge des Weitbereichseingangs von 100 bis 240 VAC und einer UL-Zulassung sind die Netzteile für den weltweiten Einsatz geeignet. Die Mitarbeiter der Systemtechnik Leber GmbH unterstützen bei der Parametrierung der Netzteile. Hierbei greifen sie auf die Erfahrungen bei der Einführung der Netzteile zurück, die in verschiedenen Anwendungsfeldern erworben wurden. Zum Leistungsspektrum zählen unter anderem die Auswahl des geeigneten Netzteils, aber auch die Integration in das jeweilige Antriebskonzept sowie die zugehörige Programmierung der Steuerung. Autor: Denny Vogel, Experte Stromversorgungen, Systemtechnik Leber GmbH, Nürnberg Foto: Systemtechnik Leber www.leber-ingenieure.de DER WELTMOTOR vom Antriebsdesigner Elektrokleinmotoren AC, DC, BLDC Stepper, Getriebe ISO 9001 ATEX, IECEX UL, CSA, VDE Tel. 04743 2769 0 astro@astro-motoren.de www.astro-motoren.de www.foerdern-und-heben.de f+h 2023/11 41