Modernisierung der Produktion: Übergang von Festdrehzahlantrieben zur Steuerung über Frequenzumrichter

1. Einleitung: Der Modernisierungsbedarf industrieller Antriebe

In der modernen industriellen Produktion sind Effizienz, Zuverlässigkeit und Anpassungsfähigkeit der Anlagen entscheidend für die Wettbewerbsfähigkeit. Die immer noch weit verbreiteten Antriebe mit fester Drehzahl erfüllen oft nicht die heutigen Anforderungen an Energieeffizienz, präzise Prozesssteuerung und reduzierte Betriebskosten. Veraltete Systeme können zu erheblichen Mehrenergieausgaben, erhöhtem Verschleiß mechanischer Komponenten, häufigen ungeplanten Stillständen und einer Komplexität der Integration in moderne Automatisierungssysteme führen. Darüber hinaus drängen wachsende regulatorische Anforderungen, wie EU-Ökodesign-Richtlinien und nationale Energiemanagementstandards (z. B. DSTU EN ISO 50001:2018), Unternehmen dazu, energiesparende Technologien zu implementieren.

Die Modernisierung von Antrieben durch die Einführung von Frequenzumrichtern (VFD) oder VFD (Variable Frequency Drive) ermöglicht eine deutliche Reduzierung des Stromverbrauchs, eine Erhöhung der Genauigkeit der Steuerung technologischer Prozesse und eine Steigerung der Gesamtbetriebseffizienz. Dieses technische Handbuch untersucht die Schlüsselaspekte des Übergangs in die VR China und konzentriert sich dabei auf die wirtschaftlichen Vorteile und praktischen Empfehlungen für ukrainische Industrieunternehmen.

2. Bewertung bestehender Systeme: Kriterien für die Nachrüstung

Vor der Entscheidung für ein Upgrade ist eine gründliche Bewertung bestehender Antriebssysteme erforderlich. Dies wird es ermöglichen, die kritischsten Bereiche zu identifizieren und Investitionen zu rechtfertigen. In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten zu berücksichtigenden Kriterien aufgeführt:

3. Moderne Alternativen: Vergleich der Technologien

Der Übergang vom Direktstart zur Steuerung mit Hilfe von PRC ist ein grundlegender Schritt zur Effizienzsteigerung. Hier ist ein Vergleich einer typischen Lösung mit fester Geschwindigkeit und einer modernen Lösung mit CDP:

4. Berechnung des Return on Investment (ROI)

Eine detaillierte ROI-Berechnung ist der Schlüssel zur Rechtfertigung eines Modernisierungsprojekts. Betrachten Sie ein Beispiel für eine Pumpstation mit einem 30-kW-Motor.

Ausgabedaten:

• Motorleistung: P = 30 kW
• Betriebsstunden pro Jahr: H = 8000 Stunden
• Stromkosten: C_e = 0,15 EUR/kWh (Industriedurchschnitt für die Ukraine)
• Durchschnittliche Energieeinsparungen durch die Implementierung des CHRP: E_s = 25 % (typisch für Pumpen- und Lüfteranwendungen)
• Die Kosten für einen VFD (z. B. Heidenhain 355880-30 oder ähnlich): VFD_cost = 3500 EUR
• Die Kosten für Installation und Inbetriebnahme: I_Kosten = 1500 EUR
• Jährliche Wartungskosten der Altanlage: M_alt = 1200 EUR (Austausch von Kupplungen, Lagern, Reparatur)
• Jährliche Wartungskosten des neuen Systems: M_neu = 400 EUR (planmäßige Wartung des PRP)
• Die Kosten für Geräteausfallzeiten: D_Kosten = 500 EUR/Stunde
• Reduzierung der Ausfallzeiten dank PRP: R_Ausfallzeit = 20 Stunden/Jahr (durch sanften Anlauf, Lastreduzierung)

Berechnungen:

1. Jährlicher Energieverbrauch der Altanlage:
   Kalt = P * H * Ce = 30 kW * 8000 h * 0,15 EUR/kWh = 36000 EUR/Jahr
2. Jährliche Energieeinsparungen:
   Se = Сalt * Es = 36000 EUR/Jahr * 0,25 = 9000 EUR/Jahr
3. Ersparnis bei der Wartung:
   Sm = Malt - Mneu = 1200 EUR - 400 EUR = 800 EUR/Jahr
4. Einsparungen durch reduzierte Ausfallzeiten:
   Sd = DKosten * RAusfallzeit = 500 EUR/Stunde * 20 Stunden/Jahr = 10000 EUR/Jahr
5. Jährliche Gesamteinsparungen:
   Stotal = Se + Sm + Sd = 9000 + 800 + 10000 = 19800 EUR/Jahr
6. Gesamtinvestitionskosten:
   Itotal = VFDcost + Icost = 3500 EUR + 1500 EUR = 5000 EUR
7. Amortisationszeit:
   PP = Itotal / Stotal = 5000 EUR / 19800 EUR/Jahr ≈ 0,25 Jahre (ca. 3 Monate)

Somit amortisiert sich die Investition in die Modernisierung von Antrieben in kürzester Zeit. Selbst wenn das „alte System noch funktioniert“, übersteigen seine versteckten Kosten aufgrund schlechter Effizienz, häufiger Ausfälle und eingeschränkter Kontrolle die anfänglichen Kosten der Aufrüstung bei weitem. Angesichts der steigenden Energiepreise könnte diese Amortisationszeit sogar noch kürzer ausfallen. Es erfüllt auch die Anforderungen von Energieaudits und den DSTU EN ISO 50001:2018-Standards.

5. Implementierungs-Roadmap: Ein schrittweiser Ansatz

Die effektive Implementierung von HRC erfordert eine sorgfältige Planung, um Produktionsunterbrechungen zu minimieren. Es empfiehlt sich ein stufenweises Vorgehen:

1. Planung und Audit (1-2 Wochen)

   • Detailliertes Audit: Ermittlung aller aufzurüstenden Antriebe, ihrer aktuellen Betriebsparameter, Belastungen und Betriebsdauer.
   • Machbarkeitsstudie: Durchführung von ROI-Berechnungen für jedes Laufwerk oder jede Laufwerksgruppe.
   • Ausrüstungsauswahl: Beratung mit Lieferanten (z. B. UNITEC-D) zur Auswahl des optimalen PRP, wie z. B. Heidenhain 355880-30, und der zugehörigen Ausrüstung.
   • Projektdokumentation: Entwicklung von Anschlussplänen, Regelalgorithmen, Spezifikationen.

2. Kauf (2–4 Wochen)

   • Bestellungen: Vermittlung von Bestellungen für Steuergeräte, Kabel, Filter, Sensoren, Schaltschränke. UNITEC-D stellt die Lieferung zertifizierter Geräte sicher.
   • Logistik: Organisation der Lieferung der Ausrüstung an die Einrichtung.

3. Installation und Anschluss (1–3 Tage pro Geräteeinheit)

   • Demontage: Sorgfältige Demontage vorhandener Komponenten.
   • CRP-Installation: Installation von Schaltschrank, CRP, Anschluss von Strom- und Steuerkabeln unter Einhaltung der elektrischen Sicherheitsstandards (PUE, DSTU EN 60204-1:2018).
   • Erdung und Abschirmung: Sorgen Sie für ausreichende Erdung und Abschirmung, um elektromagnetische Störungen zu minimieren.

4. Inbetriebnahmearbeiten und Inbetriebnahmeservice (1-2 Tage pro Geräteeinheit)

   • Vorprüfungen: Überprüfung der korrekten Anschlüsse und des Isolationswiderstands.
   • Konfiguration der PRC-Parameter: Eingabe der nominalen Motorparameter, Vektorsteuerungseinstellungen (falls unterstützt), Konfiguration der PID-Regler.
   • Tests: Leerlaufstart, Start unter Last, Funktionsprüfung in verschiedenen Modi.
   • Integration in ATS TP: Einrichten des Datenaustauschs mit einer übergeordneten Managementebene.

6. Technische Herausforderungen und Möglichkeiten zu ihrer Lösung

Bei der Umsetzung des ChRP können bestimmte technische Schwierigkeiten auftreten, die ein qualifiziertes Vorgehen erfordern:

• Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV): RFCs erzeugen hochfrequente Störungen. Lösung: Einsatz von EMV-Filtern, abgeschirmten Kabeln, getrennte Verlegung von Leistungs- und Steuerkabeln gemäß DSTU EN 61000-6-2:2015 und DSTU EN 61000-6-4:2015.
• Oberschwingungen im Netz: Hohe Oberschwingungen können zur Überhitzung von Transformatoren und Blindleistungskompensatoren führen. Lösung: Einsatz von Drosseln, aktiven Oberwellenfiltern, Mehrpulsgleichrichtern.
• Motorkompatibilität: Ältere Motoren sind möglicherweise nicht für den Betrieb mit der hohen Schaltfrequenz des PWM HRP ausgelegt, was zu Überhitzung und beschleunigtem Isolationsverschleiß führen kann. Lösungen: Überprüfen Sie die Motorisolationsklasse, verwenden Sie dU/dt-Ausgangsfilter oder Sinusfilter, verwenden Sie Motoren, die für den Betrieb mit PRC ausgelegt sind (z. B. F- oder H-Isolierung).
• Resonanz und Vibration: Einige mechanische Systeme können ihre eigenen Resonanzfrequenzen haben, die mit den vom FRP erzeugten Frequenzen übereinstimmen. Die Lösung: die Funktion des Durchlassens von Resonanzfrequenzen in den Einstellungen des CRP, Auswuchten mechanischer Teile.
• Spannungsabfälle: Die Empfindlichkeit der Steuereinheit gegenüber Spannungsabfällen im Industrienetzwerk. Lösung: Einsatz von Netzdrosseln, Kondensatoren, unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen für die Steuerelektronik.

7. Beispiel: Modernisierung des technologischen Pumpenantriebs

„Vorher“-Situation

In einem der Chemieunternehmen der Ukraine war in der Düngemittelwerkstatt eine Kreiselpumpe zum Pumpen von Reagenzien in Betrieb. Der 45-kW-Motor arbeitete mit einer festen Drehzahl von 1500 U/min. Die Leistungsregulierung erfolgte durch Drosselung der Druckleitung mittels Ventil. Dies führte zu erheblichen Energieverlusten, Pumpenkavitation und häufigen Dichtungs- und Lagerausfällen. Die durchschnittliche Anzahl der Ausfallzeiten pro Jahr betrug 50 Stunden, die Kosten für eine Reparatur betrugen 1.500 EUR. Der jährliche Energieverbrauch beträgt 250.000 kWh. Die MTBF der Pumpeneinheit betrug 7000 Stunden.

Situation „Nachher“

Man entschied sich für eine Modernisierung des Antriebs durch den Einbau einer Heidenhain-Steuerung 355880-30 und deren Integration in die bestehende automatische Steuerung. ChRP ermöglichte eine stufenlose Anpassung der Drehzahl der Pumpe an die Anforderungen des technologischen Prozesses. Als Ergebnis:

• Energieverbrauch: Um 30 % auf 175.000 kWh/Jahr gesunken (Einsparung von 75.000 kWh/Jahr).
• Ausfallzeit: Reduziert auf 10 Stunden pro Jahr (aufgrund des Sanftanlaufs und ohne Kavitation).
• MTBF: Auf 18.000 Stunden erhöht (reduzierter Dichtungs- und Lagerverschleiß).
• Genauigkeit der Regelung: Der Druck in der Rohrleitung wird mit einer Genauigkeit von ±0,05 bar statt ±0,5 bar aufrechterhalten.
• Produktqualität: Die Stabilisierung der Reagenzienversorgung führte zu einer Steigerung der Qualität des Endprodukts.

Die gesamten jährlichen Energieeinsparungen, reduzierten Ausfallzeiten und geringeren Wartungskosten beliefen sich auf rund 17.000 EUR/Jahr. Die Investitionskosten (CRP, Installation, Inbetriebnahme) beliefen sich auf 7.000 Euro. Die Amortisationszeit beträgt weniger als 5 Monate.

8. Provisionsservice und Validierung

Nach der Installation und Inbetriebnahme ist eine Inbetriebnahme- und Validierungsphase erforderlich. Dies bestätigt die Übereinstimmung des Systems mit den Designparametern und funktionalen Anforderungen.

• Funktionsprüfung: Überprüfung des Betriebs des CHRP in allen angegebenen Modi, einschließlich Notstopps, Schutzfunktionen und Betrieb mit externen Signalen.
• Parametermessung: Messung von Stromverbrauch (vorher und nachher), Druck, Durchfluss, Temperatur, Vibration. Einsatz zertifizierter Messgeräte.
• Integrationstests: Überprüfung der Korrektheit des Datenaustauschs mit ACS- und SCADA-Systemen.
• Protokolle: Erstellung von Testprotokollen und Inbetriebnahme.
• Personalschulung: Durchführung von Schulungen für Betriebs- und Servicepersonal im Umgang mit neuen Geräten.
• Zertifizierung: Sicherstellung der Einhaltung der CE-Standards durch die etablierte VR China und ggf. Erlangung der UkrSEPRO-Zertifizierung für den Betrieb in der Ukraine.

Die Einhaltung des DSTU ISO/IEC 17025-Validierungsprozesses ist eine Bestätigung der Zuverlässigkeit der erzielten Ergebnisse.

9. Fazit

Die Modernisierung von Antriebssystemen mithilfe von Frequenzumrichtern ist nicht nur ein technisches Update, sondern eine strategische Investition, die eine deutliche Steigerung der Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und Präzision bei der Steuerung von Produktionsprozessen ermöglicht. Kurze Amortisationszeiten aufgrund von Energieeinsparungen, geringere Wartungskosten und weniger Ausfallzeiten machen diese Technologie für die heutige Industrie von entscheidender Bedeutung. Das Unternehmen UNITEC-D bietet ein umfassendes Lösungsspektrum – von der Lieferung moderner PRPs wie dem Heidenhain 355880-30 bis hin zu umfassendem Engineering und Support in allen Phasen der Umsetzung. Ausführliche Informationen zum Produktsortiment und zu Nachrüstlösungen finden Sie im UNITEC-D E-Katalog.

10. Links

• DSTU EN ISO 50001:2018 (ISO 50001:2018, IDT) Energiemanagementsysteme. Bewerbungsvoraussetzungen und Richtlinien.
• DSTU EN 50598-2:2016 (EN 50598-2:2014, IDT) Leistung elektrischer Antriebssysteme mit einstellbarer Geschwindigkeit. Teil 2. Allgemeine Anforderungen an die Gestaltung wirksamer Systeme.
• DSTU EN 60204-1:2018 (EN 60204-1:2018, IDT) Sicherheit von Maschinen. Elektrische Ausrüstung von Maschinen. Teil 1. Allgemeine Anforderungen.
• DSTU EN 61000-6-2:2015 (EN 61000-6-2:2005, IDT) Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Teil 6-2. Allgemeine Standards. Störfestigkeit für eine industrielle Umgebung.
• DSTU EN 61000-6-4:2015 (EN 61000-6-4:2007, IDT) Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Teil 6-4. Allgemeine Standards. Emissionsstandard für Industrieumgebungen.
• DSTU ISO/IEC 17025:2019 (ISO/IEC 17025:2017, IDT) Allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Prüf- und Kalibrierlaboratorien.
• EU-Richtlinie 2009/125/EG (Ökodesign-Richtlinie) zur Schaffung eines Rahmens zur Festlegung von Ökodesign-Anforderungen für energieverbrauchende Produkte.
• Technische Dokumentation und Handbücher für den Betrieb des Heidenhain 355880-30 CPP.