Intelligente Antriebslösungen sparen ein Drittel Energie...

Prof. Dr. Holger Borcherding

Lenze SE

Bereich Innovation

27.04.2016

Intelligente Antriebslösungen sparen ein

Drittel Energie - nicht nur in der

Intralogistik

Halle 20, Stand E4

2 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding

Familienunternehmen seit 1947 Sicher, flexibel und schnell.

Wir sind weltweit agierender Spezialist für innovative Antriebs- und Automatisierungslösungen.

• Mittelständisches Unternehmen in Familienhand

• Weltweit rund 3.400 Mitarbeiter, davon 1.700 in Deutschland, 90 Auszubildende

• Jahresumsatz: 634 Mio. €

• 62,2% Eigenkapitalquote

• Mehr als 1000 verschiedene gelöste Maschinenautomatisierungen pro Jahr

• in 60 Ländern mit Vertriebs- und Servicestützpunkten vertreten

• lösungsorientiert, global, innovativ, Werte getrieben


Agenda

1. Motivation für das Projekt „Energieeffiziente Intralogistik“

2. Generelles Vorgehen zur Minimierung des

Energieverbrauchs

3. Effizienzsteigerung durch energieeffiziente Komponenten:

a. Anwendungs-optimierte Antriebssysteme

b. neue, effiziente Antriebe

c. intelligente, modulare Energierückspeisung

4. Nachweis der Energieeinsparung

5. Aktuelle Beispiele von Lenze


Intralogistik Warenlager, Flughafen, Postverteilzentren, Factory Automation

Hinweis auf vor- und nachgelagerte intralogistische Prozesse bei

Werkzeugmaschienen bzw. in der Produktion

Herausforderung: Energiekosten, Komplexität, Kostendruck, Flexibilität


Teilsysteme der IntralogistikKomponenten und Aufgaben der

Teilsysteme

Intralogistikautomatisierte Transport- und Lagersysteme für Stückgüter

Eingesetzte Antriebslösungen

Band-/Gurtförderer

Rollen-förderer

Drehtische

Hubtische

Rollenbahnen

Kettenförderer

Hubstationen/HebezeugeHebebühnen

Vertikalförderer

Carousel / Liftsysteme / Kreisförderer / Power-

&Free-Förderer

Förderkettenantrieb

Fahrzeugantrieb

Anpassen der HöheElektro-Hängebahn

PalettiererZusammenstellen der Lage

Bewegen des Greifers

Positionieren auf Stapelhöhe

Abwickeln der Folie

Regalbediengerät (RGB)- Verfahren des RGB- Heben/Senken des RGB- Positionieren der Gabel

Verfahren des Fahrzeugs

Lenken des Fahrzeugs

Aufnehmen/Abgeben der Last

Heben/Senken der Last

Förderantrieb

Fahrantrieb

Hubantrieb

Positionierantrieb

Wickelantrieb

PalettenfördererBehälterfördererStaurollenfördererAusschleuser

46%

3%

5%

1%

2%

26%

15%Shuttle Systeme /

Fahrerlose Transportsysteme

Hochregallager

Transportbänder

Wo sind Potentiale für die Anwendung?

Fokus auf Anwendungen mit

hohem Volumen:

horizontale Fördertechnik und

Hochregallager

Antriebstechnik teilweise in

anderen Anwendungen

wiederverwendbar

Übertragbarkeit auf andere

Anwendungen


Innovationsprojekt itsowl-IASI Intelligente, energieeffiziente Intralogistik

2 min

Energieeffizienz in

der System-Ebene:

Baukasten

Energieeffizienz in

der Prozess-Ebene:

Anwendungen

Energieeffizienz in

der Aktor-Ebene:

Komponenten


itsowl-IASI nutzt Lenzes BlueGreen- Vorgehen zur Verbrauchsminimierung

Lenze BlueGreen Solutions

3 Wege zur Steigerung der Effizienz:

1. intelligente, bedarfsgerechte

Dimensionierung / Prozessführung

2. Nutzung von Energiewandlern mit hohem

Wirkungsgrad

3. Rückgespeiste Bremsenergie nutzen


1. Bedarfsgerechte Dimensionierung /

Intelligente Prozessführung


Energieeffiziente Komponenten Anwendungsoptimierte Antriebe

kurze Beschleunigungszeiten

oft kurze Zykluszeiten

MAnlauf [Nm]

MDauer [Nm] > 4:1

MMax


Energieeffiziente Bewegungssteuerung in Förderanwendungen

Ansatz:

bedarfsgerechte Anpassung der

Fördergeschwindigkeit in Abhängigkeit

des geforderten Materialdurchsatzes

Lösung:

Förderabschnitte passen in

Abhängigkeit der geforderten

Förderzeiten die Bewegungsprofile

eigenständig unter Minimierung des

Energieverbrauchs an!


Selbstoptimierende energieeffiziente Bewegungsführung

Echtzeit-

fähiger

Solver

Energieeffizientes

Bewegungsprofil -

Geschwindigkeit

Beschleunigung

Drehzahl

Drehmoment

Zeit [s]

Geschwindigkeit [m/s] • Start- und Zielposition

• Übergabegeschwindigkeit des

Transportguts (Start, Ziel)

• Zeit für Transport

• Masse des Transportguts

Materialfluss-Daten

• Länge des Förderbands

• Maximalgeschwindigkeit

• Maximalbeschleunigung

Daten der Förderstrecke Bewegungsmodell

der Förderanwendung

Quadratisches

Optimierungs-

problem

Ansteuerung

des Antriebs

Vorher:

Trapezprofil

Nachher:

Energieoptimales

Bewegungsprofil

Energieeinsparung: ca. 8,5%; höheres Potential bei geringerem Materialfluss!

0

1000

2000

3000

0

10

20

300

500

1000

1500

2000

2500

3000

Drehzahl [rpm]

Darstellung der Antriebsverlustleistung

Drehmoment [Nm]

Leis

tung

PV

,Ant

rieb [W

]

Verlustkennfeld des

Antriebs

Drehzahl [rpm] Drehmoment [Nm]

Leistung [W]


2. Effiziente Komponenten


Motor-Technologien und ihre erreichbaren Effizienzklassen

potentiell geeignete energieeffiziente Motorkonzepte:

PMSM und SynRM (Synchron-Reluktanzmotor) Quelle: IEC-60034-30, Edition 2


Hocheffiziente Antriebe Neue Motorkonzepte für intralogistische Prozesse

Anforderungen:

• hohe Überlastfähigkeit / Anlaufmoment

• hohe Effizienz bei Teillast / Teildrehzahl

• gute Systemeigenschaften (cos(j),

Pendelmomente)

• geringe Kosten

• gute geberlose Beobachbarkeit


Hocheffiziente Antriebe Optimierte, geberlose Regelverfahren und Motoridentifikation

PWM

Motormodel

2 Observer

Iu, Iv, Iw

Uu, Uv, Uw

Syn-

RM

SynRM

Transformation

Id,q Act

Current-

control

Speed-

control

nSet

nAct

MSet

Signal-

injectionjAct

MTPA

MTPA &

Field-Weakening

Id,q Set

UHF

motor

param.

Id,q Act

-500

50

-100

0

100

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

Iq / I

N [Piek]

Differentielle Längsinduktivität Ldd

Id / I

N [Piek]

Ld

d [H

]

-50

0

50

-100-500501000

0.01

0.02

0.03

0.04

Id / I

N [Piek]

Differentielle Querinduktivität Lqq

Iq / I

N [Piek]

Lq

q [H

]

-50

0

50

-100

-50

0

50

100

-202

x 10-3

Id / I

N [Piek]

Differentielle Kreuzsättigung Ldq

Iq / I

N [Piek]

Ld

q [H

]

-500

50

-100

-50

0

50

100

-5

0

5

x 10-3

Differentielle Kreuzsättigung Lqd

Id / I

N [Piek]

Iq / I

N [Piek]

Lq

d [H

]

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.06

0.08

0.1

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5x 10

-3

-2

-1

0

1

2

x 10-3

Beobachter:

• EMK-basiertes Grundwellenmodell

bei hohen Drehzahlen

• HF-Signalinjektion zur Lage-

erkennung bei kleinen Drehzahlen

Weitere Verfahren (MTPA,

Parameternachführung) zur Steigerung

von Effizienz und Robustheit nötig.

Nutzung der Erkenntnisse auch bei der

Motorkonstruktion sowie

Parameteridentifikation.


3. Nutzung der Bremsenergie


Nutzung generatorischer Energie State of the Art: Bremswiderstand oder rückspeisefähige FU

Rückspeisefähige Umrichter

weisen Nachteile auf:

- große Netzdrosseln / -filter

- Netzrückwirkungen

- feste Rückspeiseleistung


itsowl-IASI: Intelligentes, modulares Energierückspeisekonzept

Netz

~

= ~

=

~

=

3 ~ 3 ~ M

Energie

Energie

Energie

Motor

Generator

Einfache Nachrüstbarkeit,

paralleler Betrieb, kompakter

Aufbau und reduzierte

Komplexität:

die neue nachrüstbare,

modulare Rückspeiseeinheit


Ergebnis: Komponenten- und Lösungsbaukasten zum Energiesparen

PMSM SynRM

Motoren hocheffizient IE4 / leistungsoptimiert IE3

inkl. Beobachter- und Regelverfahren

P = 12… 48 kW P = 1…4 kW _

Generatorische Energie kompakte, modulare Rückspeiseeinheit

effiziente Profile Verlustmodelle

Energieeffiziente

Bewegungssteuerung modellbasiert, selbstlernend

Leistung [Watt]

Drehzahl [rpm] Drehmoment [NM] Zeit [s]

Geschwindigkeit [m/s]

Das Projekt „Energieeffiziente Intralogistik (Itsowl-IASI)“ wurde von der KlimaExpoNRW

auf der HMI 2016 als Vorreiterprojekt für Ressourceneffizienz ausgezeichnet


Nachweis der Energieeinsparung Horizontale & vertikale Fördertechnik

Zu sehen auf den it‘s OWL-

Gemeinschaftsstand

Halle 16 A04


Stand der Technik / linkes Hubwerk:

umrichtergespeister IE2-Motor IASI Komponenten / rechtes

Hubwerk:

umrichtergespeister PMSM mit

Rückspeiseeinheit Reduktion des Energieverbrauchs:

- bis zu 20% bei horizontaler Fördertechnik

- bis zu 35% bei vertikaler Fördertechnik

Nachweis der Energieeinsparung Horizontale & vertikale Fördertechnik


5. Aktuelle Produktbeispiele


Von der Forschung in die Anwendung Netzrückspeisung attraktiv und einfach

Trennung von Ein- und Rückspeisepfad

► Beide Zweige können separat ausgelegt werden, was eine exakte Dimensionierung ermöglicht.

► Die Rückspeiseleistung kann durch Parallelschalten mehrerer Module auf einfache Weise skaliert werden.

Die neue Smart Energy Recovery r700 macht das Rückspeisen auch in Anwendungen, in denen

sich das bisher nicht lohnte, wirtschaftlich attraktiv:

Sehr kurze Amortisationszeit

► Geringere Investitionskosten durch eine genaue Auslegung auf den Bedarf der Anlage und den technologisch bedingten Verzicht auf externe Filter.

► Sehr hoher Wirkungsgrad von mehr als 98%.

Extrem einfach zu handhaben

► Der Nutzer muss nichts einstellen, die Geräte können ohne Parametrierung direkt zum Einsatz kommen.

► Die Installation erfolgt am Zwischenkreis des Umrichters und am versorgenden Netz und kann so auch problemlos nachgerüstet werden.


Ein Weiteres Beispiel: i500

Konzentriert auf das Wesentliche – die neue Inverter Reihe i500.

• Modularität

• Baugröße

• Usability

1 min


Wngr ist mhr! Betriebskosten durch geringen Energieverbrauch des Umrichters. Niedrigste Umrichterverluste.

• Konsequente Nutzung aktueller Technologien: Microcontroller, IGBTs, drehzahlgeregelte Lüfter und mehr.

• Höchste mögliche Effizienz-Klasse IE2 nach EN 50598-2.

• Niedrigste Anwendungsverluste. • Energiesparfunktion VFC-Eco. • Unterstützung von Permanentmagnet-

Synchronmotoren. • Nutzung regenerativer Energie mit

DC-bus System.

2 min

0

200

400

600

800

1000

1200

ReferenceConverter

9400Servo Drive

i550 FrequencyInverter

[Wat

t]

Verlustleistung eines 11 kW Umrichters gemäß der Norm EN50598-2

Inverter Verlustleistung

Grenzwert IE1

Grenzwert IE2


0 min

Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit.

Das Forschungs- und Entwicklungsprojekte „itsowl-IASI“ wurde mit Mitteln

des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und

vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den

Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

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