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Integrated Drive Systems heißt die dreistufige Integration der Antriebstechnik in die Automatisierungswelt. Bild: Siemens
Motor und Umrichter

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Symbiose mit Schmackes

Text: Heinz Hollet, Siemens
Experten sehen in der engen Symbiose von Elektromotor und Frequenzumrichter einen bedeutsamen Trend: Als Alternative zu mechanischen Regelungen im Leistungsbereich ab 200 kW versprechen sie das größte Energiesparpotenzial im industriellen Umfeld. Und es geht noch mehr!

Die Vision Industrie 4.0 ist geprägt vom Einsatz durchgängiger Systeme, die in vielerlei Hinsicht die Menschen bei ihrer zunehmend komplexen Arbeit unterstützen sollen. Als der Begriff erstmals auftauchte, wurde damit ein Trend betitelt, der hie und da bereits voll im Gange war. Siemens zum Beispiel verfolgt die Entwicklung zu durchgängigen, in sich abgestimmten Gesamtsystemen mit dem Konzept Totally Integrated Automation (TIA) seit annähernd zwei Jahrzehnten.

Was in der Steuerungstechnik begann, wird nun auf der Antriebsseite fortgesetzt. Mit dem Begriff Integrated Drive Systems (IDS) unterstreicht die Division Drive Technologies, dass auch hier aufeinander abgestimmte Gesamtsysteme die Grundlage für funktional und energetisch besonders leistungsfähige Lösungen sind. Damit fördert das Unternehmen das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 in der Hightech-Strategie der Bundesregierung und unterstützt die Hersteller von Maschinen und Anlagen bei der Sicherung ihrer Wettbewerbsfähigkeit.

Einheit aus Motor und Umrichter

Ein Beispiel dafür ist die neue Motorenreihe Simotics FD. Sie wurde für den flexiblen Einsatz von Drehstrom-Asynchronmotoren mit hoher Leistung zwischen 200 und 1600 kW entwickelt. Das Besondere daran ist, dass die Motoren, dem Systemgedanken folgend, auf den Frequenzumrichterbetrieb ausgelegt worden sind. Die damit verbundenen Vorteile spüren Anwender bereits bei der Projektierung und Parametrierung und genauso bei der Energieeffizienz. Denn das größte Energiesparpotenzial im Vergleich zur mechanischen Regelung wird in Antriebssystemen aus Motor und Frequenzumrichter gesehen.

Durch die Anpassung der Motoren Simotics FD auf Frequenzumrichter der Sinamics-Baureihen G und S ergeben sich im Detail spürbare Verbesserungen. So wurden beispielsweise die Motornennspannungen an die Umrichterausgangsspannungen angepasst. Gleichzeitig sind die Motoren auf die Nennpulsfrequenz der Umrichter ausgelegt. Folglich laufen die ­Motoren leise bei gleichzeitig hoher Überlastfähigkeit. Das bedeutet in der Projektierung, dass Überdimensionierungen des Umrichters künftig obsolet sind und der Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems entsprechend hoch ist. All das resultiert in wirtschaftlichen Gesamtlösungen, wie es die Hersteller von Maschinen und Anlagen fordern.

Integration führt zu hoher Einsatzbreite

Integration zählt zu den wichtigsten Trends innerhalb der Automatisierung und beim industriellen Einsatz von Antriebs- und Steuerungstechnik. Vor diesem Hintergrund hat die Motorenreihe eine Reihe von Highlights zu bieten, die diesen Trend untermauern. OEMs wünschen sich beispielsweise hohe Flexibilität in der Anlagenplanung. Mit sechs unterschiedlichen Anschlusskastenlagen, vier Fremdlüfter-Anbaupositionen und zwei Fremdlüftervarianten wird die geforderte Individualität geboten. Unterschiedliche Kühlwasserqualitäten sowie bestimmte Varianten für explosionsgefährdete Bereiche (Zone 2 oder 22) bieten die notwenige Anwendungsbreite. Diese gehört zu den besonderen Merkmalen der Motorenreihe Simotics FD. Sie fügt sich damit in die horizontale Integration von Antriebsprodukten ein. Die vertikale Integration von IDS-Produkten in die TIA-Welt gelingt dadurch, dass innerhalb des Engineering Frameworks TIA Portal die Antriebstechnik bereits abgebildet ist. Das bedeutet, dass Projekteure mit der Software auf ein und derselben Plattform Steuerungstechnik, Visualisierung, Antriebstechnik, Schalttechnik und sogar die Sicherheitstechnik umsetzen können.

Flexibilität ist gefragt

Interessant ist auch hier die problemlose Integration jedes einzelnen Antriebs innerhalb der Systemarchitektur des TIA-Portals. Durch eine einfache Auswahl der jeweiligen Antriebslösung in der Software lässt sich die hohe Flexibilität der Flexible-Duty-Motoren einfach beherrschen. Wie sinnvoll die Integration in die Steuerungsarchitektur nach dem Vorbild von TIA ist, zeigen beispielsweise die unterschiedlichen Möglichkeiten der Kühlung, die diese Motorenreihe bietet.

Es gibt sie luftgekühlt in geschlossener Ausführung mit Eigen- und mit Fremdbelüftung sowie beides in offener Ausführung. Des Weiteren stehen wassergekühlte Varianten zur Verfügung, entweder mit aufgesetztem Wärmetauscher oder als Wassermantelkühlung. Sie bieten mit ihrer hohen Leistungsdichte und der kompakten Baugröße sowie der kontrollierten Ableitung der Abwärme eine Reihe von Vorteilen, die Anlagenhersteller brauchen. Die hohe Effizienz der Kühlung wird dadurch erreicht, dass es keine äußeren Kühlrippen gibt, sondern die Wärmeabfuhr im Inneren nahe der Wärmequelle, also der Blechpaketoberfläche, erfolgt.

Hohe Verfügbarkeit

Der dritte Aspekt des Integrated Drive Systems ist neben der horizontalen und der vertikalen Integration die Life­cycle-Integration. Darunter sind all die Funktionalitäten eines Antriebs zu verstehen, die den Betrieb effizient und störungsfrei gestalten. Mit der richtigen Wahl von Motor und Frequenzumrichter lassen sich systematisch Wirkungsgradverbesserungen erzielen. Damit werden auch die Bestimmungen der Ökodesign-Verordnung der Europäischen Kommission für Elektromotoren erfüllt, die 2015 und 2017 verschärft werden.

Auch die einfache Integration von Condition-Monitoring-Systemen wie zum Beispiel CMS 2000 von Siemens gehört zur Lifecycle-Integration innerhalb der IDS-Strategie. Darüber hinaus bieten die Motoren optional die Möglichkeit der Altfettentnahme. All diese Merkmale signalisieren den Trend zu besseren, effizienteren und komfortableren Gesamtsystemen.

Durch den Integrationskurs, der nun mit Nachdruck ­betrieben wird, profitieren Hersteller von Maschinen und ­Anlagen überall auf der Welt. Typische Einsatzgebiete für die luftgekühlten Motoren Simotics FD in Verbindung mit ­Frequenz­umrichtern sind zum Beispiel Pumpen, Lüfter und Kompressoren in den Bereichen Wasser/Abwasser, Energieerzeugung, Chemie und Öl/Gas. Aber auch Walzstraßen, Förderbänder, Krane und Papiermaschinen profitieren von den Vorteilen dieser Antriebe. Die hohe Bandbreite der Systemlösung wird durch die wassergekühlten Ausführungen ergänzt. Dabei bietet sich der Einsatz in Extrudern, Walzen, Winden, Bugstrahlrudern, Propellerantrieben an. Davon profitieren Branchen wie Textil, Papier, Stahl und Marine oder auch die Kunst­stoffindustrie.

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