Bild 01: Im Automobilbau mit seiner hochautomatisierten Fertigung müssen Schaltschränke thermisch sicher und energetisch nachhaltig ausgelegt sein. (Quelle: istock.com_Traimak_Ivan_1066926878)
In der Automobilfertigung hat die Aktualisierung von Produktionsanlagen auf den neuesten Stand der Technik höchste Priorität, um so die stetig steigenden Ansprüche bezüglich Digitalisierung und Energieeffizienz erfüllen zu können (Bild 1). Die in die Jahre gekommene Fertigungsanlage bei einem Automobilhersteller sollte durch Lösungen ersetzt werden, die nicht nur die Effizienz im Schaltschrank steigern, sondern auch einen Beitrag zu einem nachhaltigen Klimamanagement leisten. Ein zentraler Aspekt war dabei die Umstellung von der Montageplatte auf das Verdrahtungssystem AirStream. Bei der Auslegung wurden nicht nur die mechanischen, sondern auch die thermischen Vorteile des Systems berücksichtigt. Der Fokus bei der Schaltschrankplanung lag dabei gemäß Kundenwunsch auf der Betriebssicherheit. Daher durfte die Temperatur in den Schränken nicht über 40 °C steigen. Zur Gewährleistung einer ganzheitlichen Lösung wurden AirBlower-Lüfter über das eplan-Planungssystem in das System integriert. Bei der Auslegung wurde Lütze [1] von der Universität Stuttgart [2] unterstützt, wo seit vielen Jahren im Bereich der thermischen Optimierung von Schaltschränken geforscht wird.
Präzise Planung als Voraussetzung für optimales Klimamanagement
Die Konstruktion der Schränke erfolgte in 3D und umfasste alle relevanten Komponenten. Am Anfang der Planung wurde eine theoretische Betrachtung mit dem AirTemp-Simulator durchgeführt. Durch die Eingabe verschiedener Parameter, wie Aufstellort, Umgebungstemperaturen und Leistungsaufnahme aller Komponenten, wurden die thermischen Eigenschaften der Schaltschränke berechnet. Besonderes Augenmerk lag dabei auf dem Verhalten der Schränke zueinander, da sie offen angeordnet waren. Die Berechnungen ergaben, dass eine einfache Aufsummierung der Schränke nicht ausreichte, da der Luftaustausch und die Leistungsverteilung uneinheitlich sind. Dies unterstreicht die Notwendigkeit einer präzisen Planung und Umsetzung, um ein optimales Klimamanagement in der Fertigungsanlage zu gewährleisten.
Berechnung der Temperaturen im 3-Zonen-Modell
Mit AirTemp wurden theoretische Berechnungen für alle Schaltschränke durchgeführt, wobei im ersten Schritt die freie Kühlung simuliert wurde (Bild 2). Die Ergebnisse zeigen, dass bei einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,7 (das heißt, alle Komponenten werden zu 70 % belastet) mindestens in einer der drei Zonen im Schaltschrank eine Temperatur von 40 °C überschritten wurde. Durch den Einsatz des Lüfters AirBlower konnten die Ergebnisse bei zwei Schränken nahezu auf 40 °C reduziert werden. Jedoch zeigte sich, dass der Schaltschrank mit Umrichtern selbst mit dem Lüfter noch über 57 °C erreichte, weshalb zusätzlich ein aktives Kühlgerät mit einer Kühlleistung von etwa 550 W benötigt wurde, um die Temperatur unter die vor geschriebenen 40 °C zu senken. Es ist anzumerken, dass das gewählte Kühlgerät eine Kälteleistung von 750 W besitzt und nicht unter Volllast betrieben wird, wodurch noch ein ausreichender Puffer vorhanden ist. Die Ergebnisse der Berechnungen zeigten deutlich, dass der Lüfter eine Homogenisierung der Temperaturen bewirkt hat.
Nach der theoretischen Betrachtung wurden die Ergebnisse mit dem Automobilhersteller diskutiert und gemeinsam das Kühlkonzept geplant. Unter Berücksichtigung von Analysen und Erfahrungen aus anderen Messungen und Projekten wurde beschlossen, die Reihenkombination wie folgt umzusetzen: Alle AirStream-Rahmen wurden mit einem AirBlower-Lüfter ausgestattet, zudem sollte der Schaltschrank, der die Umrichter enthält, zusätzlich mit einem Frontkühlgerät versehen werden. Ziel war, den Schrank mit der höchsten Verlustleistung aktiv mit kalter Luft zu unterstützen, wenn diese benötigt wird. Durch den Einsatz der Lüfter sollte sichergestellt werden, dass die Luft um die Rahmen zirkuliert und somit ein homogenes Klima erzeugt wird. Bei Überschreitung der maximal akzeptablen Innentemperatur sollte das Kühlgerät zugeschaltet werden, um das mittlere Temperaturniveau in der Schaltschrankkombination weiter zu senken.