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Damit der Motor kein Fieber bekommt

| Autor / Redakteur: Aenne Barnard / Sandra Zistl* / Benjamin Kirchbeck

Ein digitaler Zwilling, kombiniert mit mathematischen Modellen, macht es möglich, einen Elektromotor virtuell zu durchleuchten: Ein von Siemens-Forschern entwickelter virtueller Sensor ermittelt die Temperatur im Inneren, obwohl dort keine Sensoren angebracht werden können. Mit den Informationen können unnötige Stillstandszeiten vermieden werden – was die Kosten für Betreiber großer Industrieanlagen drastisch reduzieren kann.

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Der Betrachter sieht ihn, den digitalen Zwilling, überlagert mit dem realen Demonstrator. Farbcodes illustrieren die Temperaturentwicklung.
Der Betrachter sieht ihn, den digitalen Zwilling, überlagert mit dem realen Demonstrator. Farbcodes illustrieren die Temperaturentwicklung.
(Bild: Siemens)

Sie haben die Größe eines Raumes und dennoch ist es nicht einfach, an sie heranzukommen: die Rotoren großer Elektromotoren, die beispielsweise bei der Kompression von Gas eingesetzt werden. Da sie beim Anfahren hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind und bei Überhitzung Schaden nehmen, ist es wichtig, dass die Temperatur des drehenden Rotors kontrolliert wird.

Die Motoren, um die es geht, sind sogenannte Schenkelpolmotoren, große Maschinen, die oft in der Gas-, Öl- oder Chemieindustrie für das Pumpen hoher Volumen eingesetzt werden. Dadurch, dass sie direkt am elektrischen Netz – also ohne Frequenzumrichter – betrieben werden, erzeugen sie beim Anfahren kurzzeitig viel Wärme. Würden sie mehrmals hintereinander gestartet, dann entstünde in ihrem Inneren schnell eine extrem hohe Temperatur von bis zu 800°C , die den Motor schädigen würde. Deshalb müssen zwischen dem Ausschalten und dem erneuten Hochfahren immer Abkühlzeiten eingehalten werden. Da in den kritischen Bereichen im Inneren des Motors die Temperatur nicht direkt gemessen werden kann, wird bislang die Dauer der Abkühlzeit geschätzt. Normalerweise kalkulieren die Experten eine Sicherheitsreserve ein, um eine Beschädigung sicher ausschließen zu können. Oftmals werden so Stillstandszeiten angesetzt ‒ beispielsweise zwölf Stunden ‒, die deutlich länger sind, als es eigentlich notwendig wäre. Ein klarer Verlust für die Betreiber der Anlagen.

Blick ins Innere dank virtuellem Sensor

Instrumente aus der digitalen Trickkiste, entwickelt von Forschern der Corporate Technology (CT) – der globalen Forschungs- und Entwicklungseinheit von Siemens –, helfen nun weiter. Mit einem neuen virtuellen Sensor kann die Innentemperatur des Motors parallel zum Betrieb errechnet, die Stillstandszeiten können deutlich verkürzt und große Anlagen besser ausgelastet werden. Dem mathematischen Modell des virtuellen Prototypen liegt ein digitaler Zwilling zugrunde. Der Blick durch eine HoloLens – eine Augmented-Reality-Brille – auf einen Demonstrator veranschaulicht eindrücklich, dass das Unmögliche möglich ist: Der Betrachter sieht ihn, den digitalen Zwilling, beziehungsweise Teile aus dem Inneren des digitalen Zwillings, überlagert mit dem realen Demonstrator. Farbcodes – von blau bis rot – illustrieren die Temperaturentwicklung.

„Wir setzen auf der Arbeit der Kollegen von Process Industries and Drives, speziell des Motorenwerkes in Berlin, auf“, erklärt Birgit Obst, Simulationsexpertin der CT. „Sie verwenden während der Entwicklung der Motoren bereits mathematische Modelle, die Geometrie und Material erfassen, um die Eigenschaften der Antriebe zu bestimmen, und erstellen einen digitalen Zwilling jedes Bauteils.“ Allerdings sind diese Modelle so umfangreich und komplex, dass mit ihnen normalerweise nicht in Echtzeit gerechnet werden kann. Die Siemens-Forscher haben es jetzt geschafft, geeignete mathematische Reduktionsverfahren anzuwenden und daraus abstrakte Modelle abzuleiten, die weniger umfassend und dennoch hinreichend aussagekräftig sind. Diese können bei nur geringen und kontrollierten Abweichungen der Genauigkeit wesentlich schneller – bis zum Faktor 1000 – berechnet werden als in klassischen Simulationswerkzeugen aus dem Engineering. Damit sind digitale Zwillinge realisierbar, die parallel zum Betrieb durchgehend ausgewertet werden können und somit zu jeder Zeit ein aktuelles virtuelles Abbild der Realität liefern können. Durch den Vergleich mit Sensoren an den nicht beweglichen Bauteilen ist jederzeit auch eine Quantifizierung der Genauigkeit der virtuellen Modelle möglich.

Kostenersparnis in sechsstelliger Höhe

Diese neuartigen schnellen digitalen Zwillinge, die das wesentliche Wissen aus der Entwicklung in sich tragen, ermöglichen eine valide Aussage über die Rotortemperatur des Motors. Das in der Realität nicht Messbare kann mit Hilfe eines virtuellen Sensors gemessen werden. „Man kann sich das im übertragenen Sinne vorstellen wie beim Wetterbericht“, erklärt Dirk Hartmann, Koordinator der Kerntechnologie „Simulation und digitaler Zwilling“ bei Corporate Technology: „An bestimmten Stellen – in unserem Fall am Rotor – können wir die Temperatur jetzt ‚messen‘, also errechnen. Das Wissen aus dem Engineering in Form eines digitalen Zwillings ist so etwas wie die Klimasimulation. Kombiniert mit den verfügbaren Daten von den Messpunkten (Wetterstationen) ergibt es eine Vorhersage an allen Punkten, nicht nur an den Messpunkten.“

Und die kann Betreibern viel Geld sparen: „Ein entsprechend optimierter Prozess, bei dem die Überhitzung des Motors vermieden und Stillstandszeiten während der Abkühlphase reduziert werden, kann eine Ersparnis von bis zu 210.000 Euro pro Stunde bringen“, schätzt Artur Jungiewicz, Entwickler bei Process Industries and Drives in Berlin. Das Besondere an dem Simulator ist zudem seine Geschwindigkeit: Wie sich die Temperatur entwickelt, lässt sich jetzt nämlich in Echtzeit verfolgen und – ausgehend vom aktuellen Zustand – auch vorhersagen.

Demonstrator zum Anfassen

Ein Demonstrator in Tischgröße zeigt die Arbeitsweise des Simulators: Zwei kleine Elektromotoren sind über eine Welle gekoppelt. Der linke Motor bremst den rechten und erzeugt so eine Dauerlast. Temperatursensoren messen die Temperatur außen auf dem Motor, gleichzeitig werden Daten zu Betriebsdauer und Last erfasst. Aus diesen Eingabeparametern berechnet der Simulator mithilfe des mathematischen Modells des Motors die Temperatur im Inneren des rechten Antriebs und prognostiziert die Temperaturentwicklung.

„Unser virtueller Sensor ist so genau, als würde er die Temperatur direkt messen“, erklärt Dirk Hartmann. „Der Prototyp erfasst die aktuellen Bedingungen und Zustände und prognostiziert daraus den Zeitpunkt, an dem der Antrieb wieder eingeschaltet werden kann.“ Die zugrundeliegenden Modelle aus dem Engineering sind laut Birgit Obst „eine wertvolle Know-how-Basis, mit der wir uns von den rein datenbasierten Verfahren von Wettbewerbern abheben können“. „Die durchgängige Kette von Engineering-Modellen bis zu einer Online-Simulation und Kalibrierung ist ein Alleinstellungsmerkmal“, ergänzt Dirk Hartmann.

* Der Beitrag erschien im Original im Siemens-Magazin für Forschung und Innovation "Pictures of the Future"

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