Flüssigkeitskühlung im System

Titel

Antriebe – Die flüssigkeitsgekühlte Ausführung durchgängig integrierter Antriebsstränge spart Kosten und liefert Prozesswärme. Siemens liefert dazu fertige Systemlösungen.

18. März 2016

Wenn Energieeffizienz und Abwärmebehandlung Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit nehmen, bieten durchgängig integrierte Antriebslösungen mit flüssigkeitsgekühlten Komponenten Kosten- und Produktivitätsvorteile. Standardisierte Systemlösungen liegen dabei im Trend und sind in der Prozessindustrie beliebt.

Solche Lösungen sind zum Beispiel Bestandteil des Portfolios von Siemens. Davon profitieren Anwender und Hersteller gleichermaßen, denn seit das Unternehmen von der Netzanschaltung bis zur drehenden Welle der Lastmaschine alles aus einer Hand liefert und durchgängig systemintegrierte Antriebe dort ein marktreifes Standardprodukt sind, nutzen Betreiber, Maschinenhersteller und Anlagenplaner die Vorzüge dieser »Integrated Drive Systems« (IDS).

Win-win

Schnelles Engineering, optimierte Energieeffizienz und geringer Platzbedarf vereinen sich hier laut Hersteller zu hoher Verfügbarkeit und geringen Wartungskosten – eine Win-win-Situation für alle Beteiligten. Die ist das Resultat einer über die einzelnen Komponenten hinausreichenden Systemoptimierung. Der Hersteller optimiert dazu schon die Entwicklung sämtlicher Elemente des Antriebsstrangs, dabei werden produktübergreifende Synergien konsequent genutzt.

Flüssigkeitskühlung bewirkt eine besser steuerbare Abwärmeführung als Umluftsysteme. Sie ist energieeffizienter als die Rückkühlung von Schaltschränken und Betriebsräumen mit Klimageräten, die selbst einen nennenswerten Energiebedarf haben und deren Verlustleistung in die Abwärmebilanz einbezogen werden muss.

Im Gegenzug ermöglicht Flüssigkeitskühlung die einfache Nutzung der Abwärme eines Antriebs als Prozesswärme oder zur Brauchwassererwärmung, entweder direkt oder mit Hilfe einer Wärmepumpe.

Somit führt Flüssigkeitskühlung zu kompakten, platzsparenden Lösungen mit hoher Energiedichte. All das steigert die Gesamteffizienz der Applikation nachhaltig und summiert sich zu signifikanten Kostenvorteilen im laufenden Betrieb.

Als anwendungsspezifische »Engineering-to-Order«-Lösung hat Siemens Schranksysteme schon länger auch mit flüssigkeitsgekühlten Komponenten realisiert. Eine solche Flüssigkeitskühlung steht im Standard als Schranksystem zur Verfügung: Denn ab sofort können Betreiber von Maschinen und Anlagen flüssigkeitsgekühlte Schränke mit einer Leistung von 90 Kilowatt bis ungefähr 5,7 Megawatt aus dem Rahmen des Standardportfolios bestellen.

Wie luftgekühlte Systeme werden sie nun von den Engineering-Tools als direkt konfigurier- und bestellbare Komplettlösung unterstützt – als abgestimmtes System für minimalen Aufwand bei Engineering, Installation, Wartung und Service. Durch das Verknüpfen der Synergien innerhalb des Gesamtsystems mit den Vorteilen der Flüssigkeitskühlung wird sich laut Siemens eine besonders wirtschaftliche Antriebslösung für den Anlagenbetreiber ergeben.

Wirksame Kombination

Das Herz eines solchen flüssigkeitsgekühlten Integrated Drive Systems besteht aus einem umrichteroptimierten Motor der Reihe Simotics FD (Flexible Duty) in wassergekühlter Ausführung sowie einem flüssigkeitsgekühlten Frequenzumrichter des Typs Sinamics S120 CM. Das Kürzel CM steht dabei für »Cabinet Modules«.

Die Motoren der Reihe Simotics FD sind speziell für den Betrieb an Frequenzumrichtern konzipiert. Das betrifft unter anderem die Auslegung der Wicklungen, deren Isolation, die Isolation der Lager und weitere Aspekte der Konstruktion. In der Kombination mit Sinamics-Umrichtern sind die Spannungen, Ströme und Pulsmuster des Frequenzumrichters sowie Regelstrukturen und -parameter gut aufeinander abgestimmt – was das Motorengeräusch mindern sowie den Aufwand für den Schallschutz senken kann.

Der Motor selbst beruht auf einem Baukastensystem mit neuem Gehäusekonzept. Wassergekühlte Ausführungen gibt es als Wassermantelkühlung und mit aufgesetztem Luft-Wasser-Wärmetauscher. Dabei sind Motorgehäuse und Anschlusskästen in Grauguss ausgeführt – für lange Lebensdauer auch unter widrigen Verhältnissen.

Flexibel einrichten

Zur Integration in bestehende Anlagen kann der Anwender die Lage des Anschlusskastens flexibel wählen. Dessen diagonale Teilung ermöglicht einen guten Zugang zum Stromschienensystem des Motors und damit seinen einfachen und schnellen Anschluss. Fußloch- und Wellenenden-Abmessungen sind identisch zu denen der Simotics-N-compact-Motoren von Siemens. Der Umstieg auf systemintegrierte Antriebe ist also selbst bei Retrofit-Projekten mechanisch unkompliziert.

Wenn um die gleichfalls sehr zeitgemäße zustandsabhängige präventive Wartung geht, ist der Motor vorbereitet für die Einbindung in Condition-Monitoring-Systeme. Eine besonders einfache und schnelle Wartung ist mit der optionalen Altfettentnahme möglich. Die Altfettkammer zum Entfernen des verbrauchten Schmiermittels ist zugänglich ohne Demontage der Kupplung oder eines eventuell nachgeschalteten Getriebes.

Der zu diesem integrierten Antriebssystem gehörende Umrichter ist ein flüssigkeitsgekühltes Schranksystem aus der Sinamics-S120-Familie. Die von Siemens realisierte modulare Schaltschranklösung beruht auf dem Rittal-System TS8, einem in der Industrie weitverbreiteten Schrankdesign. Dabei stehen ähnlich umfangreiche Optionen zur Verfügung wie für die luftgekühlten Ausführungen. Das Schranksystem ist somit flexibel auf die Kundenanforderungen zu konfigurieren.

Nicht nur der eigentliche Frequenzumrichter, auch die übrige im Schaltschank befindliche Leistungselektronik wie Geräte zur Einspeisung oder ein in spezifischen Applikationen benötigter Netzfilter, das so genannte Active Infeed, ist durchgängig flüssigkeitsgekühlt. Dadurch ist diese Antriebslösung standardmäßig bis Schutzart IP55 erhältlich und geeignet für den Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen.

Stabil entwärmen

In solchen oft auch thermisch anspruchsvollen Umgebungen bewirkt Flüssigkeitskühlung in aller Regel eine stabilere Entwärmung, die auch redundant konfigurierbar ist. Auf diese Weise steigert das Verfahren die Verfügbarkeit. Die physikalischen Eigenschaften des Wassers und der Umstand, dass zur Kühlung nur ein Bruchteil des Volumenstromes im Vergleich zur Luftkühlung bewegt werden muss, lassen den Energieverbrauch deutlich sinken. Dies führt zu einer günstigen Energiekostenentwicklung während des Betriebs. Diese effiziente Wärmeabfuhr verringert zudem den thermischen Stress der Komponenten, was eine längere Lebensdauer erwarten lässt.

Eine konsequente Integration, so sind sich die Verantwortlichen bei Siemens sicher, führt zu einem maximalen Nutzen für OEM und Betreiber. Mit dem wassergekühlten Motor Simotics FD und dem Baukastensystem Sinamics S120 CM profitieren auch flüssigkeitsgekühlte Antriebe standardmäßig von der bei Siemens verfolgten dreifachen Integration: horizontal entlang des Antriebsstrangs, vertikal in Bezug auf Steuerungs- und Softwaresysteme sowie über den Lebenszyklus der Komponenten und der damit realisierten Applikationen. Die werkseitige Abstimmung der Systemkomponenten über den Antriebsstrang hinweg bewirkt dabei eine effiziente, robuste und einfach zu wartende Systemstruktur.

Es ist möglich, die Gesamtverfügbarkeit des Antriebsstrangs mit flüssigkeitsgekühlten IDS auf einen Wert von über 99 Prozent zu heben – ein echter Produktivitätsvorteil, der zur Kosteneinsparung durch hohe Energieeffizienz noch hinzukommt. Ob in der Stahl-, Automobil- oder Prozessindustrie, ob in Offshore- oder Infrastruktureinrichtungen – die Flüssigkeitskühlung vereinfacht die Entwärmung leistungsstarker Antriebe und führt zu einer besseren Energieausnutzung. mk z

Auf einen Blick:

- Weltweit einzige echte Komplettlösung für gesamte Antriebssysteme.

- Spürbar kürzere Time-to-Market und eine entsprechend kürzere Time-to-Profit.

- Nahtlose Einpassung in jedes Antriebssystem, jede Automatisierungsumgebung und sogar in den gesamten Lebenszyklus.

Erschienen in Ausgabe: 02/2016