Eine Frage des Antriebs

<strong>Antriebsauslegung</strong> – Elektrische Antriebslösungen enthalten oft noch große Energiesparpotenziale. Eine neue Software unterstützt bei der energieeffizienten Auslegung von Maschinen und Anlagen und hilft damit zugleich, die Kosten zu optimieren.

10. April 2008

Spätestens seit der Diskussion um den weltweiten Klimawandel durch die verstärkte Freisetzung von CO2 in die Atmosphäre ist der möglichst effiziente Einsatz von Primärenergie ein Gebot der Stunde. Große Einsparmöglichkeiten ergeben sich auch an allen Stellen im Arbeitsprozess: So entfallen zwei Drittel des industriellen Stromverbrauchs auf elektrische Antriebe. Das jährliche Energiesparpotenzial beläuft sich hier auf etwa 27,5 Milliarden Kilowattstunden, das entspricht einer Kapazität von elf Kraftwerksblöcken der 400-MW-Klasse oder 2,2 Milliarden Euro.

Effizienz durch ganzheitliches Denken

Maßgeblich für die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes von Energie sind jedoch nicht immer der Einkaufspreis und der Wirkungsgrad einer bestimmten Technik: Eine wichtige Rolle spielen daneben auch die Kosten für Betrieb, Wartung, Instandhaltung und Entsorgung. Tatsächlich energieeffiziente Lösungen von Handhabungsaufgaben lassen sich deshalb nur durch eine gesamtheitliche Analyse realisieren. Der Schlüssel zum erfolgreichen Energiesparen ist deshalb die optimale Auswahl der geeigneten Antriebstechnologie.

Beim Einsatz eines Pneumatikzylinders beispielsweise zeigt die gesamte Antriebskette vom elektrischen Strom bis zur erzeugten mechanischen Kraft auf den ersten Blick einen eher schlechten Wirkungsgrad. Leicht übersehen wird dabei jedoch, dass der Wirkungsgrad bei der Pneumatik vom verwendeten Hub abhängt: Je kürzer der Hub ist, umso wirtschaftlicher wird ein pneumatischer Antrieb im Vergleich zu elektrischen Antrieben. Zudem nimmt bei elektrischen Antrieben der Wirkungsgrad bei kleinen Baugrößen deutlich ab.

Außerdem berechnet sich der Gesamtwirkungsgrad des Antriebs aus den multiplizierten Einzelwirkungsgraden aller Komponenten des Antriebsstrangs, vom Servomotor und der Motorsteuerung über Achsmechanik, Zahnriemen und Gleit- oder Kugelspindel bis zum Getriebe. Der Gesamtwirkungsgrad eines Antriebs ist deshalb oft höher, als es auf den ersten Blick erscheint.

Speziell in der Handhabungs- und Automatisierungstechnik werden zudem häufig nur einfache Positionierbewegungen benötigt, etwa das Einlegen eines Teils in eine Maschine zur Bearbeitung – danach wird die Position gehalten, und der elektrische Antrieb verbleibt im Stillstand im Wirkungsgrad null, ohne eine Arbeit zu verrichten. Pneumatikzylinder dagegen benötigen im Stillstand keine zusätzliche Energie und können eine Position recht lange halten, sodass der Wirkungsgrad nahe am Optimum liegt.

Durch den Einsatz eines selbsthemmend ausgeführten Gleitgewindetriebs verbrauchen auch elektrische Antriebe während der Stillstandzeit wenig Energie. Andere elektrischen Antriebe benötigen eine zusätzliche Haltebremse, um eine Bewegung im Stillstand zu verhindern. Natürlich funktioniert die effiziente Nutzung nur, wenn der elektrische Antrieb im Stillstand auch stromlos geschaltet wird.

Übertragungsverluste zwischen Motorcontroller und Last lassen sich zudem vermeiden, wenn elektrische Antriebssysteme möglichst bei ihrer Nennleistung betrieben werden. Erreicht wird dies zum Beispiel durch möglichst kurze Leitungen zwischen Controller und Motor und durch die Vermeidung von mechanischen Kraftübertragungskomponenten.

Ein Problem ist jedoch häufig auch die Überdimensionierung einer Anlage, weil bei der Konstruktion meist jede einzelne Maschinenkomponente getrennt ausgelegt wird, ohne die Anlage gesamtheitlich zu betrachten. In der Regel verwendet nämlich jeder Hersteller bei der Auslegung der jeweiligen Einzelkomponente einen Sicherheitsfaktor von 1,3 bis 2. Alleine in einer Achse aus Antriebsmechanik, Getriebe und Motor ist dieser Faktor deshalb schon dreimal enthalten, mit der Folge, dass der Motor meist mindestens doppelt so groß gewählt wird, wie eigentlich notwendig.

Optimierte Dimensionierung

Eine weitere Möglichkeit zum Energiesparen besteht darin, die kurzfristige thermische Überlastung von elektrischen Systemen besser auszunutzen: Damit lässt sich häufig ein kleinerer Motor verwenden. Solange bei der Projektierung ständig alle Komponenten im Blick bleiben, wird eine Überdimensionierung vermieden, da der Motor nur an die erforderliche mechanische Übertragungsleistung angepasst werden muss.

Die optimale und ganzheitliche Auslegung einer Antriebslösung ist also keine triviale Angelegenheit, schließlich beeinflusst schon die Auswahl des geeigneten Antriebsprinzips – ob Zahnriemen-, Spindel- oder Direktantriebe, Servomotoren, Schrittmotoren oder DC-Motoren, Kugelführungen oder Gleitführungen – das mögliche Einsparpotenzial.

Eine wirksame Unterstützung bei der Wahl der bestmöglichen Lösung und der zugehörigen Komponenten bietet deshalb jetzt eine intelligente Software, die der Esslinger Antriebstechnik- und Pneumatikspezialist Festo entwickelt hat. Die Auswahlsoftware namens Positioning Drives simuliert das Verhalten eines gesamten Antriebssystems im dynamischen Betrieb und ermöglicht so die energetische Optimierung einer Anlage oder Maschine. In vielen Fällen erschließt die Software durch diese ganzheitliche Auslegung genug Optimierungspotenziale, um den Energieverbrauch im Vergleich zur Einzelberechnung der Komponenten um mehr als 60 Prozent zu senken.

Zur Berechnung genügt die Eingabe der Applikationsparameter wie Einbaulage, Masse, Hub und Genauigkeit. Optional besteht die Möglichkeit, die geforderte Verfahrenszeit und eine Vorselektion der Antriebstechnologie anzugeben. Zur einfachen Auswahl des gewünschten Lösungspakets sind die Vorschläge sortiert nach Motor- und Achstechnologie, Komponentenauslastung, Zykluszeit oder dem Paketpreis.

Anschließend gibt das Programm die Detailergebnisse aus, beispielsweise die Motorkennlinie, dynamische Kennwerte, Systemdaten und Produktdaten sowie eine Stückliste, die sich für die Bestellung und zur Maschinendokumentation weiterverwenden lassen. Zuletzt präsentiert die Software eine Liste aller geeigneten Systeme, jeweils mit Achse, Motor, Getriebe, Controller und Software unter Berücksichtigung der mechanischen Anbindung von Achse und Motor und mit Angaben zur Auslastung von Achse und Motor sowie zur Führungsbelastung. Dazu kommen detaillierte Informationen über die verschiedenen Getriebevarianten, Positionier- bzw. Zykluszeiten und Verfahrdiagramme. Durch die Vorgabe diverser Projektparameter errechnet das Tool zudem schnell und zuverlässig die Belastungskennwerte für den ausgewählten Antrieb. Aufwendige Konstruktions- und Fertigungsarbeiten für mechanische Koppelelemente gehören damit der Vergangenheit an. Paul Kho, Festo/bt

Erschienen in Ausgabe: 02/2008