intelligente antriebslösungen sparen ein drittel energie...
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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
3 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
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
4 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
Intralogistik Warenlager, Flughafen, Postverteilzentren, Factory Automation
Hinweis auf vor- und nachgelagerte intralogistische Prozesse bei
Werkzeugmaschienen bzw. in der Produktion
Herausforderung: Energiekosten, Komplexität, Kostendruck, Flexibilität
5 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
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
6 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
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
7 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
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
8 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
1. Bedarfsgerechte Dimensionierung /
Intelligente Prozessführung
9 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
Energieeffiziente Komponenten Anwendungsoptimierte Antriebe
kurze Beschleunigungszeiten
oft kurze Zykluszeiten
MAnlauf [Nm]
MDauer [Nm] > 4:1
MMax
10 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
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!
11 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
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]
12 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
2. Effiziente Komponenten
13 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
Motor-Technologien und ihre erreichbaren Effizienzklassen
potentiell geeignete energieeffiziente Motorkonzepte:
PMSM und SynRM (Synchron-Reluktanzmotor) Quelle: IEC-60034-30, Edition 2
14 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
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
15 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
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.
17 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
3. Nutzung der Bremsenergie
18 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
Nutzung generatorischer Energie State of the Art: Bremswiderstand oder rückspeisefähige FU
Rückspeisefähige Umrichter
weisen Nachteile auf:
- große Netzdrosseln / -filter
- Netzrückwirkungen
- feste Rückspeiseleistung
19 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
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
20 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
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
21 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
Nachweis der Energieeinsparung Horizontale & vertikale Fördertechnik
Zu sehen auf den it‘s OWL-
Gemeinschaftsstand
Halle 16 A04
22 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
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
23 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
5. Aktuelle Produktbeispiele
24 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
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.
25 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
Ein Weiteres Beispiel: i500
Konzentriert auf das Wesentliche – die neue Inverter Reihe i500.
• Modularität
• Baugröße
• Usability
1 min
26 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
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
27 Energiesparende Antriebe – nicht nur für die Intralogistik 27.04.2016 Referent: Prof. Dr. Holger Borcherding
0 min
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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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