Die in die Jahre gekommene Fertigungsanlage des Automobilherstellers sollte durch Lösungen ersetzt werden, die nicht nur die Effizienz steigern, sondern auch einen Beitrag zu einem nachhaltigen Klimamanagement leisten. Ein zentraler Aspekt war dabei die Umstellung von der Montageplatte auf das Verdrahtungssystem ‚Airstream‘ von Lütze. Dabei ging es nicht nur um mechanische, sondern auch um thermische Vorteile. So wurde über das Eplan-Planungssystem von Beginn des Projekts an das Verdrahtungssystem und der Lüfter ‚Airblower‘ in Kombination mit einem Kühlgerät in das System integriert. Ziel war ein bedarfsgerechtes Kühlkonzept für die untersuchte Schaltschrankkombination. Dazu führte das Temperaturberechnungstool ‚Airtemp‘ eine Reihe von Simulationen für zukünftige Betriebsbedingungen durch. Im Serienbetrieb wurde anhand von Messungen die Ist-Situation der Temperatur erfasst und ausgewertet.

Gemäß Kundenwunsch lag der Fokus auf der Betriebssicherheit; zudem sollten auch nachträglich Optimierungen möglich sein, falls bei den Messungen Auffälligkeiten festgestellt würden. Unterstützt wurde Lütze von der Universität Stuttgart, an der seit vielen Jahren im Bereich der thermischen Optimierung von Schaltschränken geforscht wird.

Planung und Auslegung der Anlage

Die Konstruktion der Schränke erfolgte in 3D und umfasste alle relevanten Komponenten, wobei eine theoretische Betrachtung mit dem ‚Airtemp‘-Simulator durchgeführt wurde. Die Eingabe verschiedener Parameter wie Aufstellort, Umgebungstemperaturen und Leistungsaufnahme aller Komponenten ermöglichte die Berechnung der thermischen Eigenschaften der Schaltschränke. Da diese offen angeordnet waren, lag auf ihrem Verhalten zueinander besonderes Augenmerk: Die Berechnungen zeigten, dass eine einfache Aufsummierung der Schränke nicht ausreichte, da Luftaustausch und Leistungsverteilung uneinheitlich sind.

Berechnung der Temperaturen im 3-Zonen-Modell

Bild 1. Auszug aus Airtemp-Berechnung der einzelnen Schränke. Einspeiseschrank ohne und mit Lüfter, Antriebsschrank ohne und mit Lüfter, sowie Lüfter Airblower mit Klimagerät, Steuerschrank ohne und mit Lüfter (jeweils von oben nach unten).

© Lütze

Mit ‚Airtemp‘ wurden theoretische Berechnungen für alle Schaltschränke durchgeführt – im ersten Schritt mit freier Kühlung. Die Ergebnisse (Bild 1) zeigen, dass bei einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,7 (das heißt, alle Komponenten sind zu 70 % aktiv und rufen entsprechend dieser Leistung ab) mindestens in einer der drei Zonen im Schaltschrank eine Temperatur von +40 °C überschritten wurde. Zwar ließen sich die Ergebnisse bei zwei Schränken durch den Einsatz des Airblower nahezu auf 40 °C reduzieren, jedoch zeigte sich, dass der Schaltschrank mit Umrichtern selbst mit dem Airblower noch über +57 °C erreichte. Daher wurde zusätzlich ein aktives Kühlgerät mit einer Kühlleistung von etwa 550 W benötigt, um die Temperatur unter die vorgeschriebenen +40 °C zu senken. Das gewählte Kühlgerät mit einer Kälteleistung von 750 W wird nicht unter Volllast betrieben, wodurch ein ausreichender Puffer vorhanden ist.

Die Berechnungen zeigen, dass der Lüfter eine Homogenisierung der Temperaturen bewirkt hat. Abzuwarten bleibt, wie sich die tatsächliche Verteilung der Temperaturen unter den Schränken in der Realität darstellen wird. Es wurde bewusst mit knappen Grenzwerten und wenig Puffer gerechnet, um die Ergebnisse später nachträglich bewerten zu können.

Das Kühlkonzept

Unter Berücksichtigung von Analysen und Erfahrungen aus anderen Messungen und Projekten wurde gemeinsam mit dem Kunden beschlossen, die Reihenkombination wie folgt umzusetzen: Alle Airstream-Rahmen wurden mit einem Airblower ausgestattet. Der Schaltschrank, der die Umrichter enthält, sollte zusätzlich ein Frontkühlgerät erhalten. Ziel war, den Schrank mit der höchsten Verlustleistung aktiv mit kalter Luft zu unterstützen, wenn diese benötigt wird. Der Airblower sollte sicherstellen, dass die Luft um die Rahmen zirkuliert und somit ein homogenes Klima erzeugt wird. Bei Überschreiten der maximal akzeptablen Innentemperatur sollte das Kühlgerät zugeschaltet werden, um das mittlere Temperaturniveau in der Schaltschrankkombination weiter zu senken.

Nach einem Jahr Dauerlauf der Anlage startete das Projekt der Praxismessung. Dafür wurden zwei Datenlogger mit jeweils neun Temperaturmessfühlern und einem Feuchtigkeitssensor in den vier Schaltschrankfeldern integriert. Parallel dazu wurde außerhalb des Schaltschranks eine Messkapsel zur Aufzeichnung von Umgebungstemperatur und Feuchtigkeit platziert. Die Messungen dauerten insgesamt 18 Monate bei regelmäßiger Überwachung. Für tiefere Analysen wurden vor Ort gezielte Tagesmessungen durchgeführt.

In der im Dreischichtbetrieb laufenden Anlage wurden die Messpunkte im freien Raum (zentral im vorderen Bereich, zwischen den Komponenten und der Schaltschranktür) jeweils unten, in der Mitte und oben angebracht, um die drei Zonen zu überwachen. Zusätzlich wurden Sensoren zwischen und über den viel Wärme erzeugenden Komponenten platziert. Auf diese Weise ließen sich alle Schränke überwachen.