In der Metall- und Bergbauindustrie sind Effizienz, Kostensenkung und Nachhaltigkeit von entscheidender Bedeutung.  In Zeiten, in denen die Margen  knapp sind, müssen Unternehmen technologische Innovationen finden, um ihre Abläufe zu optimieren, den Energieverbrauch zu senken und gleichzeitig die Produktivität aufrechtzuerhalten.   Ein Beispiel hierfür ist der Frequenzumrichter (VSD), eine Technologie, die die Leistung von Elektromotoren erheblich verbessert, indem sie ihre Drehzahl an die erforderliche Last anpasst.  Ein entscheidender Faktor für die Erzielung bester Ergebnisse ist die Anpassung der Software an die jeweilige Anwendung, was fundierte Branchenkenntnisse erfordert.

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

Herkömmliche Motoren arbeiten mit konstanter Drehzahl, was häufig zu Energieverschwendung führt, wenn nicht die volle Leistung benötigt wird.  Ein Frequenzumrichter ( , VSD), auch als variable Frequenzantrieb (VFD) bekannt, ist ein leistungselektronisches Gerät, das die Drehzahl und das Drehmoment eines Elektromotors durch Variieren der Frequenz und Spannung seiner Stromversorgung steuert.  Dadurch können Motoren mit optimaler Geschwindigkeit betrieben werden, was den Energieverbrauch und den Verschleiß der Anlagen reduziert.

Förderbänder und Pumpen

Bergbau- und metallverarbeitende Betriebe sind für den Transport von Materialien stark auf Fördersysteme angewiesen.  Frequenzumrichter ermöglichen eine präzise Drehzahlregelung, optimieren den Materialfluss und senken den Energieverbrauch.  Durch die Anpassung der Fördergeschwindigkeit an die Lastbedingungen des Systems tragen VSDs dazu bei, Materialverschüttungen, Riemenverschleiß und übermäßigen Energieverbrauch zu vermeiden.

Im Bergbau werden außerdem in großem Umfang Pumpen für die Entwässerung, den Transport von Schlamm und für Kühlsysteme eingesetzt.  Ältere Industriepumpen laufen oft mit voller Leistung, was zu Energieverschwendung führt.  Frequenzumrichter ermöglichen eine dynamische Drehzahlregelung, passen die Leistung der Pumpen an den Bedarf an und reduzieren so sowohl den Energieverbrauch als auch den Verschleiß der Anlagen.   In ähnlicher Weise profitieren auch Lüftungsventilatoren in Untertagebergwerken von VSDs, da diese die Luftzirkulation durch Drehzahlregelung optimieren und so den Energieverbrauch nach dem Prinzip des „Quadrat-Kubik-Gesetzes” reduzieren.

Brech- und Mahlarbeiten gehören zu den energieintensivsten Prozessen im Bergbau und in der Metallveredelung.   Durch den Einsatz von VSDs können Bediener das Drehmoment von Brechern und Mühlen an unterschiedliche Erzen  und Förderleistungen anpassen, wodurch die Effizienz erheblich verbessert, unnötiger Stromverbrauch reduziert, die Produktivität gesteigert und gleichzeitig Kosten gesenkt werden.

Präzise Steuerung und Funktionalität

Frequenzumrichter bieten auch eine verbesserte Steuerung für Hebesysteme und gewährleisten reibungslose Hebevorgänge bei geringerer mechanischer Beanspruchung der .  Dies ist besonders wichtig im Tiefbau, wo Förderanlagen schwere Lasten über große Entfernungen transportieren müssen. Kontrollierte Beschleunigung und Verzögerung verbessern die Sicherheit und verhindern plötzliche Bewegungen, die zu Schäden an der Ausrüstung führen könnten.   Regenerative Antriebssysteme, auch als Active Front End (AFE) bekannt, werden häufig in dieser Art von Industrieanwendungen eingesetzt, da sie die überschüssige Energie beim Bremsen nutzen und an das Netz zurückgeben oder in anderen Industriekomponenten 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 aufrechtzuerhalten, die Energie kosten zu senken und optimale Prozessbedingungen zu gewährleisten. Jeder Betrieb hat seine eigenen Anforderungen, und obwohl die Hardware  innerhalb einer Reihe von VSDs ähnlich sind, ist es die Software, die die detaillierte Steuerung und Funktionalität bereitstellt.

 Nachdem eine Lösung entsprechend dem Motortyp (AC, DC oder Servo) ausgewählt wurde, muss im nächsten Schritt sichergestellt werden, dass die erforderlichen Steuerungsfunktionen und -elemente integriert sind.   Moderne Umrichter, wie beispielsweise die von Nidec, sind auf die jeweiligen Anwendungen zugeschnitten, um sicherzustellen, dass sie die erforderlichen Eingänge, Ausgänge, Kommunikationsfunktionen, Motorschutzfunktionen und die Integration mit der angeschlossenen Steuerungshardware bieten, um eine optimale Leistung zu erzielen.

Wichtigste Vorteile 

Der Vergleich der Kosten für die Installation der zusätzlichen Feldhardware zwischen einer herkömmlichen Anwendung mit fester Drehzahl (Direktanschluss (DOL), Stern-Dreieck-Schaltung, Reaktorstarter usw.) und einer VSD ist aufgrund der intelligenten Optimierung der Motorfluss  während des ersten Startzyklus vorteilhaft. Dadurch werden übermäßige Spitzenstromstöße reduziert, was zu kleineren Stromkabeln  und geringeren Kosten führt.  Darüber hinaus ist der maximale Spitzenstrombedarf während des Startzyklus deutlich geringer, sodass die Grundgebühr für den Stromverbrauch niedriger ist.

Durch die bedarfsgerechte Optimierung der Motordrehzahlen können VSDs den Energieverbrauch um 20 % bis 50 % senken.   Durch die präzise Steuerung der Motordrehzahlen bei Anlagen, die unter schwankenden Lasten betrieben werden, wie Förderbänder, Brecher, Pumpen und Ventilatoren, bieten VSDs eine verbesserte Prozesssteuerung und -konsistenz.

Die durch den Einsatz von VSD erzielten Einsparungen sind nicht nur finanzieller Natur.  Die Reduzierung des Energieverbrauchs steht in direktem Verhältnis zur Senkung der damit verbundenen CO2-Emissionen, was zu den Nachhaltigkeitszielen des Unternehmens „ “ beiträgt.  Es werden zunehmend Gesetze eingeführt, um die Notwendigkeit der Reduzierung der globalen Emissionen zu verstärken, und industrielle Verbraucher sind für 37 % des weltweiten Energieverbrauchs verantwortlich.

Nachhaltigkeit

Im Bergbau und in der Metallverarbeitung ermöglichen VSDs eine reibungslosere Anpassung an Prozessanforderungen.  Dies trägt dazu bei, Produktionsengpässe zu vermeiden, den Durchsatz zu steigern und Betriebsunterbrechungen zu minimieren. Dies führt zu niedrigeren Betriebs ausgaben (OPEX) und einer reduzierten CO2-Bilanz, wodurch der Betrieb nachhaltiger wird.
 
 Ein Beispiel für einen Prozess mit hohem Energieverbrauch ist das Kühlsystem, das für die Aufrechterhaltung eines angenehmen Arbeitsumfelds in untertägigen Bergwerken von entscheidender Bedeutung ist.  Energieaudits zeigen häufig, dass die Installation von VSD-Technologie an Pumpen und Ventilatoren technisch machbar ist. Dies wird durch Pilotprojekte bestätigt, die reale Einsparungen belegen. 

Tatsächlich bieten VSDs sogar einen doppelten Vorteil.  Motoren, die mit geringeren Strömen laufen, verbrauchen nicht nur weniger Energie, sondern erzeugen auch weniger Wärme, was die Anforderungen an die Kühlsysteme reduziert. Darüber hinaus tragen VSDs zu einer leiseren Arbeits umgebung bei, indem sie Motorgeräusche minimieren und so die Arbeitsbedingungen weiter verbessern.

 Der Betrieb von Elektromotoren mit konstant hohen Drehzahlen kann zu übermäßiger mechanischer Beanspruchung führen, was die Lebensdauer der Geräte verkürzt und die Wartungskosten sowie den Bedarf an Ersatzteilen erhöht.  Frequenzumrichter mindern diese Belastungen, indem sie die Beanspruchung mechanischer Komponenten reduzieren, deren Lebensdauer verlängern und den Verbrauch von zusätzlichem Material in Form von Ersatz  verringern.

Vergleich der Technologien

 Einige der Vorteile von VSDs lassen sich auch mit Softstartern erzielen. Vor einer Entscheidung sollten jedoch die Unterschiede zwischen den beiden Technologien genau verstanden werden.   Softstarter sind eine Weiterentwicklung von DOL- oder Stern-Dreieck-Schaltungen und erhöhen die Versorgungsspannung des Motors, wobei sie nur während des Anlaufs die Drehzahl und das Drehmoment regeln.

 Sie werden häufig eingesetzt, wenn das vom Motor angetriebene mechanische System einen sanften Anlauf benötigt, um Drehmomentspitzen und Spannungen zu vermeiden, die beim normalen Anlaufen auftreten, beispielsweise bei Förderbändern, riemengetriebenen Lüftern und Getriebeantrieben.   Softstarter sind aufgrund ihrer Einfachheit und geringen Stellfläche weit verbreitet, aber es gibt viele Anwendungen, die von den fortschrittlicheren Funktionen des VSD profitieren würden.

 Frequenzumrichter bieten eine stufenlose Drehzahlregelung, ideal für Pumpen, Förderbänder und Ventilatoren, und können Anlauf, Betrieb, Stopp und Beschleunigung steuern.  Die Drehzahlregelung eines VSD kann dazu verwendet werden, die in Pumpensystemen verursachten Druckstöße zu reduzieren, wodurch die Leistung optimiert und die Lebensdauer verlängert wird.  Sie verfügen außerdem über eine dynamische Drehmomentregelung und sorgen für einen reibungslosen Betrieb in Anwendungen wie Aufzügen und Kränen.

 Die größten Vorteile ergeben sich jedoch aus der kontinuierlichen Regelung des Spitzenenergiebedarfs und der Reduzierung des Energieverbrauchs, wenn dieser nicht benötigt wird, wodurch die Energiekosten minimiert werden.  Die Fähigkeit, die Drehzahl bei schwankenden Drehmomentanforderungen aufrechtzuerhalten, ist für viele Anwendungen wie Förderbänder, Mischer, Mühlen und Brecher von entscheidender Bedeutung.

Umweltaspekte

Wenn es einen gemeinsamen Faktor zwischen dem Bergbau und der Metallverarbeitung gibt, dann ist es die raue Arbeitsumgebung, die abrasiven Staub, korrosive salzhaltige Luft sowie extreme Temperaturen mit sich bringen kann. Der Betrieb von Maschinen und ihren Steuerungen  ist eine anspruchsvolle Aufgabe.  Die Ausrüstung muss sorgfältig ausgewählt werden, nicht nur hinsichtlich ihrer Eignung für die jeweilige Aufgabe, sondern auch hinsichtlich ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber den örtlichen Umgebungsbedingungen.

Hier kommt es auf die Wahl des Ausrüstungslieferanten an.   Die Zusammenarbeit mit einem Hersteller, der über Erfahrung in der Branche sowie über Fachwissen in den spezifischen Anwendungsbereichen verfügt, ist für ein erfolgreiches Ergebnis der Implementierung von entscheidender Bedeutung.  Idealerweise können mehrere Beispiele aus der Praxis, die durch positives Feedback der Betreiber bestätigt werden, herangezogen werden, um die zuverlässige und robuste Konstruktion zu veranschaulichen.

Bei Bergbauanwendungen schneidet eine Marke, die in diesem Markt Langlebigkeit bietet, oft auch in allen anderen Branchen gut ab. Angesichts derart anspruchsvoller Bedingungen und Betriebsanforderungen bieten maßgeschneiderte Lösungen für drehzahlgeregelte Antriebe die besten Lösungen, damit Betreiber die Vorteile maximieren und ihre Anwendungen sorgenfrei einsetzen können.

Blick in die Zukunft

Der Schlüssel zum Erreichen dieser Vorteile liegt nicht nur in der Installation des VSD, sondern auch in der Art und Weise, wie der VSD die Steuerung übernimmt, wie er konfiguriert ist und wie die Hardware mit der Software interagiert.  Betreiber sollten sich auf jeden Fall an einen führenden Antriebshersteller wie Nidec wenden, um dessen industrielles Know-how zur Optimierung der Anwendung zu nutzen. 

 Da die Metall- und Bergbauindustrie weiterhin Nachhaltigkeit und Betriebseffizienz in den Vordergrund stellt, wird der Einsatz innovativer VSDs wahrscheinlich zunehmen.  Fortschritte in den Bereichen Digitalisierung, Automatisierung und Fernüberwachung verbessern die Leistungsfähigkeit der VSD-Technologie weiter.  Viele moderne VSDs sind mit intelligenten Sensoren und Konnektivitätsfunktionen ausgestattet, die eine Leistungsüberwachung in Echtzeit und vorausschauende Wartung ermöglichen. Dies reduziert Ausfallzeiten und optimiert den Energieverbrauch durch .

 Frequenzumrichter verändern die Metall- und Bergbauindustrie, indem sie die Energieeffizienz verbessern, die Prozesssteuerung optimieren, die Wartungskosten senken und zu einer sichereren Arbeitsumgebung beitragen. Von Förder systemen bis hin zu Brechern und Hebezeugen bieten VSDs unvergleichliche Vorteile, die zu Kosteneinsparungen und einer verbesserten Betriebs leistung führen.  Da Unternehmen bestrebt sind, Umweltvorschriften und Nachhaltigkeitsziele zu erfüllen, wird die Integration von Frequenzumrichtern in der Industrie eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Zukunft der Branche spielen.