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EFFIZIENTE GALVANIK

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Elektrische Energie effizient in einer Galvanik einsetzen

Dipl.Ing. (FH) Richard Utikal, Utikal Automation, Burgrieden

In einer Galvanik gibt es die unterschiedlichsten Komponenten, die es zu planen, zu installieren und anzusteuern gilt. Hier sei der Teil betrachtet, in dem elektrische Energie im Spiel ist und durch entsprechende Elektroplanung, Installation und Steuerungssoftware beeinflusst wird.

Allein durch Auswahl der Geräte kann vieles falsch gemacht werden. Schon bei der Wahl elektrischer Komponenten sollte auf die Effizienz geachtet werden. Durch die richtige Auswahl der Gleichrichter (getaktete Geräte), Heizungen und Motoren kann viel Geld in der laufenden Produktion eingespart werden. Da hier eine vorhandene Anlage als Maßstab dient, wird außer den Gleichrichtern auf die Analyse der anderen elektrischen Komponenten eingegangen. Bei Neubau einer Anlage ist die Entscheidung, welcher Gleichrichtertyp eingebaut werden soll, kein Thema, wird aber bei einem geplanten Umbau einer bestehenden Anlage oft wegen der sehr hohen Anschaffungskosten selten durchgeführt.

 

Auswahl des passenden Motors

In Europa gilt die Motorenverordnung (640/2009). Sie regelt die Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren und legt den Einsatz von elektronischer Drehzahlregelung gesetzlich fest. Es wird die umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren definiert und schrittweise bis 2017 eingeführt.

• Ab dem 16. Juni 2011 dürfen nur noch Motoren der Effizienzklasse IE2 eingesetzt werden.
• Zum 1. Januar 2015 kam eine weitere Verschärfung der Anforderungen hinzu. Ab diesem Zeitpunkt dürfen nur noch Motoren, die eine Nennleistung von 7,5 bis 375 kW haben, mit der Effizienzklasse IE3 eingesetzt werden. Werden Motoren mit der Klasse IE2 eingesetzt, müssen diese zusätzlich mit einer Drehzahlreglung ausgestattet sein.
• Ab dem 1. Januar 2017 wird diese Reglung auch auf Motoren von 0,75 bis 7,5 kW erweitert.

 

Beschreibung der Energieklassen

In Europa gilt die Motorenverordnung (640/2009). Sie regelt die Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren und legt den Einsatz von elektronischer Drehzahlregelung gesetzlich fest. Es wird die umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren definiert und schrittweise bis 2017 eingeführt.

• IE4 – Super Premium
• IE3 – Premium efficiency
• IE2 – High efficiency
• IE1 – Standard efficiency

Bei den in einer Galvanik eingesetzten Motoren handelt es sich um asynchrone Motoren meist in der Größenordnung zwischen 0,3–5,5 kW. In Ausnahmefällen, wie bei einer Absaugung werden größere Antriebe verwendet. Laut der oben erwähnten Motorenverordnung ist in einer Galvanik bei Neu- oder Umbauten auf die Effizienz der Motoren zu achten.

In Tabelle 1 sind die Mindestwirkungsgrade für einen 4-poligen Asynchronmotor bei 50 Hz angegeben. Ein großer Faktor, der bei der Umweltverträglichkeit von Elektromotoren eine Rolle spielt, ist die Dimensionierung. Je kompakter ein Motor, desto weniger Material erfordert seine Herstellung und desto weniger aufwendig ist die Entsorgung. Derzeit sind viele Motoren zu groß ausgelegt und werden nur mit Teillast betrieben. Je geringer die Auslastung des Motors, desto geringer auch sein Wirkungsgrad und sein Leistungsfaktor.

Durch Umfragen wird geschätzt, dass im Produktionsbereich die relative Leistungsaufnahme unter Volllast zu der installierten Leistung üblicherweise nur bei 50 %, im Leerlauf sogar bei nur 25 % liegt. Effizient wäre dagegen eine relative Leistungsaufnahme unter Volllast zu der installierten Leistung von 100 %, im Leerlauf immerhin von 50 %.

 

Auswahl der Motoransteuerung

Der Wirkungsgrad von Elektromotoren lässt sich mit Hilfe der feldorientierten Regelung (z. B. Vektorregelung) erhöhen. Diese Art der Regelung erfüllen sehr viele moderne Frequenzumrichter. Der große Vorteil der sensorlosen Vektortechnologie liegt in der Regelung des Motorflusses auf einen Wert, der dem Nennfluss des Motors entspricht. Mit ihr kann der Anwender den Motor jederzeit mit dem optimalen Drehmoment und der idealen Geschwindigkeit betreiben. Die bessere Dynamik bietet zudem eine präzise und vor allem schnelle Geschwindigkeitsregelung, etwa beim Umschalten zwischen den Stufen des Programms z. B. bei Fahrwagenantrieben. Außerdem sorgt die geringere Schwankung des Drehmoments für eine gleichmäßige Motordrehung im Betrieb, sowie beim Start und Stopp des Motors.

Hier sollte also Augenmerk auf die Funktionsweise des Frequenzumrichters und der eingestellten Regelungsart gelegt werden.

 

Motor anstatt Luft

In einer Galvanik wird vorwiegend Pneumatik im Bereich von Deckeln, Warenbewegungen, Verriegelungen (Türen, etc.) verwendet. Gibt es eine effizientere Möglichkeit? Elektrische Antriebe sind im Vergleich zu pneumatischen Antrieben um ca. 75 % effizienter. Die Investition amortisiert sich trotz höherer Anschaffungskosten bereits nach etwa 2,5 Jahren aufgrund der deutlich geringeren Betriebskosten. Und das trotz Berücksichtigung aller für den Betrieb benötigten Komponenten wie Ansteuerung, Anschlüsse, Schläuche und Kabel.

 

Ansteuerung von elektrischen Heizungen

Die größten Stromfresser in einer Galvanik sind neben den Gleichrichtern die elektrischen Heizungen. Durch entsprechende Auslegung der Heizungsansteuerung können hier größere Einsparungen bei den Energiekosten erzielt werden. Die Anschaltung und die Regelung beeinflussen diese erheblich.

Üblicherweise wird eine elektrische Heizung wie bei einem Trockner nur ein- und ausgeschaltet. Bei dieserArt der Regelung wird die Heizung abhängig von der Abweichung vollständig eingeschaltet (Zustand „EIN“ oder „ON“) bzw. abgeschaltet (Zustand „AUS“ oder „OFF“). Um bei Gleichheit von Soll- und Istwert ein permanentes Ein-/Ausschalten zu vermeiden, ist diese Funktion mit einer Hysterese belegt. Der Nachteil der Hysterese ist, dass die Regelgröße permanent eine von der Schaltzeit abhängige Schwingbewegung um den Sollwert ausführt.

Hier werden üblicherweise Schütze zur Ansteuerung verwendet. Diese kostengünstig zu realisierende Art der Regelung sollte nur dort verwendet werden, wo die Ansprüche an die Regelqualität und -güte nicht sehr hoch sind.

Eine Erweiterung der EIN/AUS-Regelung stellt die Zweipunktregelung dar. Ähnlich wie bei der EIN/AUS-Regelung wird die Heizung ein- und ausgeschaltet, hier jedoch wesentlich öfter. Da der durch die Zeit T/Ein und T/Aus festgelegte Schaltzyklus in der Regel kleiner als die Verzögerung der Heizung ist, ergeben sich bei einer Zweipunktregelung keine merklichen Schwingungen.

Durch die fortlaufende Beeinflussung des Verhältnisses zwischen T/Ein und T/Aus kann die Heizung sozusagen laufend angesteuert werden. Diese Art der Regelung ist die einfachste Variante eines kontinuierlichen Reglers. Übliche Schaltzykluszeiten (T/Ein+T/Aus) an Heizungen liegen bei 2 bis 10 Sekunden. Durch die hohe Schalthäufigkeit kommen dadurch nur verschleißfreie Schaltelemente wie Thyristorschalter oder elektronische Schütze zum Einsatz.

Weiter sollten die Heizungen in Gruppen aufgeteilt werden. Die größere Leistung wird dann zugeschaltet, wenn die Soll-Ist Differenz groß ist. Bei kleineren Abweichungen zwischen SOLL und IST wird nur die kleinere Heizstufe über eine Zweipunktregelung verwendet. Dadurch kann bei kleinerer Leistung die Temperatur konstant gehalten werden.

 

Energiemessung

Weiter ist auf die Effizienz der gesamten Anlage zu achten. Durch ein ausgewogenes Energiemanagement kann der Maximal-Strom im Rahmen gehalten werden, so dass der Hochtarif für den Strom, welcher immense Kosten verursacht, möglichst niedrig gehalten werden kann.

Durch Einbau von Energiemessgeräten werden Gruppen von Geräten sinnvoll zusammengefasst, um diese bei zu hohen Stromverbräuchen abzuschalten.

 

Fazit

Bei einer Galvanik gibt es viele Möglichkeiten zur Energieeinsparung. Hier wurden nur einige Möglichkeiten aufgezeigt. Bereits durch einige kleinere, sinnvolle Maßnahmen können schon Energiekosten eingespart werden, die sich für den Betreiber einer
Galvanikanlage binnen kurzer Zeit rechnen.

Effizientes Energiemanagement bei einer Galvanikanlage? Ist möglich. Vorher sind die individuellen Gegebenheiten vor Ort zu prüfen, sinnvolle und kostensparende Maßnahmen sind genau zu kalkulieren und entsprechend umzusetzen.

Galvanotechnik 5/2016 | Eugen G. Leuze Verlag

Galvanotechnik

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