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Steigerung von Effizienz und Nachhaltigkeit

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Die Rolle von Antrieben mit variabler Drehzahl in der Metallindustrie und im Bergbau

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In der Metall- und Bergbauindustrie sind Effizienz, Kostensenkung und Nachhaltigkeit von entscheidender Bedeutung. In einer Zeit, in der die Gewinnspannen knapp sind, müssen die Unternehmen technologische Innovationen finden, um den Betrieb zu optimieren und den Energieverbrauch bei gleichbleibender Produktivität zu senken. Ein solches Beispiel ist der drehzahlvariable Antrieb (VSD), eine Technologie, die die Leistung von Elektromotoren erheblich steigert, indem sie deren Drehzahl an die erforderliche Last anpasst. Ein Schlüsselfaktor für die Erzielung optimaler Ergebnisse ist die Anpassung der Software an die jeweilige Anwendung, wofür Expertenwissen in der Branche erforderlich ist.

Jose Giacomoni, Senior Commercial Product Manager bei Nidec, erklärt die Rolle von VSDs und wie sie die Leistung optimieren können.

Herkömmliche Motoren arbeiten mit einer konstanten Drehzahl, was oft zu Energieverschwendung führt, wenn nicht die volle Leistung benötigt wird. Ein VSD, auch bekannt als variabler Frequenzumrichter (VFD), ist ein leistungselektronisches Gerät, das die Drehzahl und das Drehmoment eines Elektromotors steuert, indem es die Frequenz und die Spannung der Stromversorgung variiert. Dadurch können die Motoren mit optimalen Drehzahlen betrieben werden, was den Energieverbrauch und den Verschleiß der Geräte reduziert.

Förderanlagen und Pumpen

Bergbau- und Metallverarbeitungsbetriebe sind beim Materialtransport in hohem Maße auf Förderanlagen angewiesen. VSDs ermöglichen eine präzise Geschwindigkeitssteuerung, die den Materialfluss optimiert und den Energieverbrauch senkt. Durch die Anpassung der Fördergeschwindigkeit an die Lastbedingungen helfen FUs, Materialverschüttungen, Bandverschleiß und übermäßigen Energieverbrauch zu vermeiden.

In Bergbaubetrieben werden auch viele Pumpen für die Entwässerung, den Schlammtransport und die Kühlsysteme eingesetzt. Ältere Pumpen laufen oft mit voller Leistung, was zu Energieverschwendung führt. VSDs ermöglichen eine dynamische Drehzahlregelung, die die Pumpenleistung an den Bedarf anpasst und damit sowohl den Energieverbrauch als auch den Verschleiß der Anlagen reduziert. Auch die Belüftungsventilatoren in unterirdischen Bergwerken profitieren von VSDs, indem sie die Luftzirkulation durch Drehzahlregelung optimieren und so den Stromverbrauch auf der Grundlage des "Square-cube"-Gesetzes reduzieren.

Zerkleinerungs- und Mahlvorgänge gehören zu den energieintensivsten Prozessen im Bergbau und in der Metallveredelung. Durch den Einsatz von VSDs können die Betreiber das Drehmoment von Brechern und Mahlwerken an unterschiedliche Erzhärten und Aufgabemengen anpassen, was die Effizienz erheblich verbessert und den unnötigen Stromverbrauch reduziert.

Präzise Steuerung und Funktionalität

VSDs können auch die Steuerung von Hebesystemen verbessern und so einen reibungslosen Hebevorgang mit geringerer mechanischer Belastung gewährleisten. Dies ist besonders wichtig bei Anwendungen im Tiefbau, wo Hebezeuge schwere Lasten über lange Strecken transportieren. Kontrollierte Beschleunigung und Verzögerung verbessern die Sicherheit und verhindern plötzliche Bewegungen, die die Ausrüstung beschädigen könnten. Regenerative Antriebssysteme, auch bekannt als Active Front End (AFE), werden bei dieser Art von Anwendungen gut eingesetzt, da sie die überschüssige Energie beim Bremsen nutzen und sie ins Netz zurückspeisen oder in anderen Teilen des integrierten Systems wiederverwenden.

Beim Schmelzen und Raffinieren können verschiedene elektrisch angetriebene Anlagen, wie Mischer, Gebläse und Gießanlagen, von VSDs profitieren. Diese Anwendungen erfordern eine präzise Drehzahlregelung, um die Produktqualität zu erhalten, die Energiekosten zu senken und optimale Prozessbedingungen zu gewährleisten. Jeder Betrieb hat seine eigenen Anforderungen, und während die Hardware innerhalb einer Reihe von FUs ähnlich ist, ist es die Software, die für die detaillierte Steuerung und Funktionalität sorgt.

Nach der Auswahl einer Lösung je nach Motortyp - Wechselstrom, Gleichstrom oder Servo - besteht der nächste Schritt darin, sicherzustellen, dass die erforderlichen Funktionen und Steuerungen integriert sind. Moderne Antriebe, wie z. B. die von Nidec, sind auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten, um sicherzustellen, dass sie die erforderlichen Eingänge, Ausgänge, Kommunikationsmöglichkeiten, den Motorschutz und die Integration mit der angeschlossenen Hardware bieten, um eine optimale Leistung zu erzielen.

Die wichtigsten Vorteile

Der Vergleich der Installationskosten für die Zusatzhardware im Feld zwischen einer konventionellen Anwendung mit fester Drehzahl (Direktantrieb (DOL), Stern-Dreieck-Antrieb, Drosselstarter usw.) und einem FU ist aufgrund der intelligenten Optimierung des Motorflusses während des ersten Startzyklus von Vorteil. Dadurch werden die übermäßigen Einschaltspitzenströme reduziert, was zu kleineren Stromkabeln bei geringeren Kosten führt. Darüber hinaus ist der maximale Spitzenstrombedarf während des Startzyklus deutlich geringer, so dass die Stromabrechnung zu einem niedrigeren Tarif erfolgt.

Durch die bedarfsabhängige Optimierung der Motordrehzahlen können FU den Energieverbrauch um 20 bis 50 % senken. Durch die präzise Steuerung der Motordrehzahlen von Anlagen, die unter schwankenden Lasten arbeiten, wie z. B. Förderbänder, Brecher, Pumpen und Ventilatoren, bieten FUs eine verbesserte Prozesssteuerung und -konsistenz.

Die durch die Einführung von VSDs erzielten Einsparungen sind nicht nur finanzieller Natur. Die Verringerung des Energieverbrauchs ist direkt proportional zum Rückgang der damit verbundenen Kohlendioxidemissionen, was zu den Nachhaltigkeitszielen des Unternehmens beiträgt. Es werden immer mehr Gesetze erlassen, die die Notwendigkeit einer Reduzierung der globalen Emissionen unterstreichen, und die Industrie verbraucht 37 % der weltweit produzierten Energie.

Nachhaltigkeit

Im Bergbau und in der Metallverarbeitung ermöglichen VSDs eine reibungslosere Anpassung an die Prozessanforderungen. Dies trägt dazu bei, Engpässe zu vermeiden, den Durchsatz zu erhöhen und Betriebsunterbrechungen zu minimieren. Dies führt zu niedrigeren Betriebskosten (OPEX) und einem geringeren CO2-Fußabdruck, was den Betrieb nachhaltiger macht.

Ein Beispiel für Prozesse, die eine beträchtliche Menge an Energie verbrauchen, ist das Kühlsystem, das für die Aufrechterhaltung einer komfortablen Arbeitsumgebung im Untertagebau von entscheidender Bedeutung ist. Energieaudits zeigen häufig die Machbarkeit der Installation von VSD-Technologie für Pumpen und Ventilatoren auf, und dies wird durch Pilotprojekte unterstützt, die reale Einsparungen aufzeigen.

VSDs bieten sogar einen doppelten Nutzen. Motoren, die mit niedrigeren Strömen laufen, verbrauchen nicht nur weniger Energie, sondern erzeugen auch weniger Wärme, was den Bedarf an Kühlsystemen reduziert. Darüber hinaus tragen VSDs zu einer ruhigeren Arbeitsumgebung bei, indem sie die Motorgeräusche minimieren, was die Arbeitsplatzbedingungen weiter verbessert.

Der Betrieb von Elektromotoren mit konstant hohen Drehzahlen kann zu übermäßiger mechanischer Belastung führen, was die Lebensdauer der Geräte verkürzt und die Wartungskosten sowie den Bedarf an Ersatzteilen erhöht. VSDs verringern dies, indem sie die Belastung der mechanischen Komponenten reduzieren, ihre Lebensdauer verlängern und den Bedarf an zusätzlichen Materialien in Form von Ersatzteilen reduzieren.

Technologien im Vergleich

Einige der Vorteile von Frequenzumrichtern lassen sich auch mit Sanftanlassern erzielen, aber es ist wichtig, die Unterschiede zwischen den beiden Technologien zu verstehen, bevor man eine Entscheidung trifft. Im Gegensatz zu DOL- oder Stern-Dreieck-Anordnungen erhöhen Sanftanlasser die Versorgungsspannung des Motors und steuern Drehzahl und Drehmoment nur während des Anlaufs.

Sie werden häufig eingesetzt, wenn das mechanische System, das der Motor antreibt, einen sanften Start benötigt, um die mit dem normalen Start verbundenen Drehmomentspitzen und Spannungen abzubauen, z. B. bei Förderanlagen, riemengetriebenen Lüftern und Getriebeantrieben. Softstarter sind wegen ihrer Einfachheit und ihres geringen Platzbedarfs weit verbreitet, aber es gibt viele Anwendungen, die von den fortschrittlicheren Funktionen des FU profitieren würden.

Drehzahlgeregelte Antriebe bieten eine vollständig einstellbare Drehzahl, die sich ideal für Pumpen, Förderanlagen und Ventilatoren eignet, und können den Start, das Anhalten und die Beschleunigung steuern. Die Drehzahlregelung, die ein VSD bietet, kann genutzt werden, um die in Pumpsystemen verursachten Druckstöße zu reduzieren und so die Leistung zu optimieren und die Lebensdauer zu verlängern. Außerdem verfügen sie über eine dynamische Drehmomentsteuerung und sorgen für eine gleichmäßige Bewegung bei Anwendungen wie Aufzügen und Kränen.

Die übergreifenden Vorteile liegen jedoch in der kontinuierlichen Kontrolle des Spitzenenergiebedarfs und der Reduzierung der Leistung, wenn diese nicht benötigt wird, wodurch die Energiekosten minimiert werden. Die Fähigkeit, die Geschwindigkeit beizubehalten, während der Drehmomentbedarf schwankt, ist für viele Anwendungen wie Förderanlagen, Mischer, Mühlen und Brecher wichtig.

Umweltaspekte

Wenn es eine Gemeinsamkeit zwischen Bergbau und Metallverarbeitung gibt, dann ist es die raue Arbeitsumgebung, die mit abrasivem Staub, korrosiver Salzluft und extremen Temperaturen einhergehen kann. Der Betrieb von Maschinen und deren Steuerung ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Die Ausrüstung muss sorgfältig spezifiziert werden, und zwar nicht nur im Hinblick auf ihre Eignung für die jeweilige Aufgabe, sondern auch auf ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber den örtlichen Umweltbedingungen.

Hier kommt der Wahl des Ausrüstungslieferanten große Bedeutung zu. Die Zusammenarbeit mit einem Hersteller, der sowohl über Erfahrung in der Branche als auch über Fachwissen über die zur Diskussion stehenden spezifischen Anwendungen verfügt, ist für ein erfolgreiches Ergebnis von entscheidender Bedeutung. Im Idealfall können mehrere Beispiele aus der Praxis, unterstützt durch positives Feedback der Bediener, herangezogen werden, um die zuverlässige und robuste Konstruktion zu veranschaulichen.

Bei Anwendungen im Bergbau wird eine Marke, die sich auf diesem Markt durch Langlebigkeit auszeichnet, häufig auch in allen anderen Sektoren gut abschneiden. Bei solch anspruchsvollen Bedingungen und Betriebsanforderungen liefern maßgeschneiderte Lösungen für drehzahlvariable Antriebe die besten Lösungen, die sicherstellen, dass die Betreiber die Vorteile maximieren und sich auf ihre Anwendung verlassen können.

Ein Blick in die Zukunft

Der Schlüssel zum Erreichen dieser Vorteile liegt nicht nur in der Installation des FUs, sondern auch in der Art und Weise, wie der FU die Steuerung übernimmt, wie er konfiguriert ist und wie die Hardware mit der Software interagiert. Die Betreiber sollten sich auf jeden Fall mit einem führenden Antriebshersteller wie Nidec in Verbindung setzen, um dessen industrielles Fachwissen zur Optimierung der Anwendung zu nutzen.

Da in der Metall- und Bergbauindustrie Nachhaltigkeit und Betriebseffizienz weiterhin Priorität haben, wird der Einsatz von VSDs wahrscheinlich zunehmen. Fortschritte bei der Digitalisierung, Automatisierung und Fernüberwachung verbessern die Möglichkeiten der VSD-Technologie weiter. Viele moderne FUs sind mit intelligenten Sensoren und Konnektivitätsfunktionen ausgestattet, die eine Leistungsüberwachung in Echtzeit und eine vorausschauende Wartung ermöglichen. Dadurch werden Ausfallzeiten reduziert und der Energieverbrauch weiter optimiert.

Drehzahlvariable Antriebe verändern die Metall- und Bergbauindustrie, indem sie die Energieeffizienz erhöhen, die Prozesssteuerung verbessern, die Wartungskosten senken und zu einer sichereren Arbeitsumgebung beitragen. Von Förderanlagen bis hin zu Brechern und Hebezeugen bieten VSDs unvergleichliche Vorteile, die zu Kosteneinsparungen und verbesserter Betriebsleistung führen. Da Unternehmen bestrebt sind, Umweltvorschriften und Nachhaltigkeitsziele zu erfüllen, wird die Integration von VSDs eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Zukunft der Branche spielen.