antriebstechnik 12/2018

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STEUERN UND AUTOMATISIEREN Jeder Tropfen ein Genuss Hochdynamischer Frequenzumrichter in Papierbechermaschine punktet mit hoher Regelgüte Die Papierbechermaschine aus der BMP 100 Serie von der Michael Hörauf Maschinenfabrik produziert in geforderter Qualität bis zu 180 Becher pro Minute. Dabei sorgt ein leistungsfähiger Frequenzumrichter mit spezieller Regelung trotz starker elektrischer und mechanischer Belastungen für eine hohe Regelgüte. Der Kaffee „to go“ erfreut sich großer Beliebtheit. Er schmeckt nach frischen Bohnen, wärmt den Magen, aber bitte ohne sich dabei die Finger zu verbrühen oder dass beim Trinken ein Tropfen daneben geht. Auch wenn Papierbecher normalerweise keine große Aufmerksamkeit genießen, so erfüllen sie Tag für Tag die Qualitätsansprüche der Nutzer. Gleichzeitig müssen sie als milliardenfach verbrauchtes Standardprodukt kosteneffizient und in großen Mengen produziert werden. Dafür sorgen die Maschinen der Traditionsfirma Michael Hörauf Maschinenfabrik GmbH & Co. KG im schwäbischen Donzdorf. Das Portfolio umfasst neben hochwertigen Maschinen zur rationellen Fertigung von Papierbechern auch indivi Michael Grupp ist Corporate Account Manager bei der Drives, Motion & Controls Division der Yaskawa Europe GmbH in Eschborn 22 antriebstechnik 12/2018
STEUERN UND AUTOMATISIEREN duelle Lösungen für Markenartikler zur Inhouse-Produktion von Verpackungen aus Papierverbund. Die BMP 100 Compact wurde für die wirtschaftliche Produktion von Heiß- und Kaltgetränkebechern konstruiert, während die BMP 100 Super auf die Herstellung von großvolumigen Verpackungsbechern (z. B. für Snacks, Popcorn, Nudeln) ausgelegt ist. Beide Maschinen können sowohl vom Zuschnitt (Papiersegment) als auch von der Rolle arbeiten. Dabei werden – in Abhängigkeit vom Format – Taktraten von bis zu 180 Stück pro Minute erreicht. Das Knowhow des Herstellers basiert auf langjähriger Erfahrung und einem breiten Wissen im Bereich der Umformung und Verbindung von Papier bzw. Papierverbund. Antriebstechnische Herausforderungen Das Herzstück der Maschine ist die Becherform-Einheit, ein mit Kerndornen bestückter Stern mit ca. 1 m Durchmesser. Diese Einheit muss bei jedem Takt beschleunigt und wieder abgebremst werden – und das bis zu 180 mal pro Minute. Diese mechanisch anspruchsvolle Antriebsaufgabe übernimmt ein Asynchronmotor. Früher ergaben sich aus den generatorischen Betriebszuständen bei den Bremsvorgängen zwei charakteristische Probleme: Zum einen entstanden Spannungsspitzen, die die Antriebe stark belasteten und so zu Ausfällen führten. Zum anderen wurde die generatorische Energie beim 01 Solche hochwertigen Maschinen zur rationellen Fertigung von Heißund Kaltgetränkebechern oder großvolumigen Verpackungsbechern gehören zum Portfolio des Herstellers Bremsen in Wärme umgewandelt, wodurch die Temperatur am Bremswiderstand auf bis zu 80 °C angestiegen ist. Durch die Verwendung von Papier als leicht brennbarer Werkstoff war es zudem nicht möglich, die Bremswiderstände außerhalb der Schaltschränke zu installieren, dementsprechend musste die überschüssige Wärme aufwändig aus den Schaltschränken abgeführt werden. Grund genug für die Hörauf-Konstrukteure sich auf die Suche nach einer geeigneten Antriebslösung zu machen, welche die hohen mechanischen Anforderungen ohne Wärmeentwicklung meistern sollte. Umrichter mit Open Loop Vector Regelung 02 Das Herzstück der Maschine ist die Becherform-Einheit – ein Stern mit ca. 1 m Durchmesser – die bei jedem der 180 Takte pro Minute beschleunigt und wieder abgebremst werden muss 03 Der Einsatz des Frequenzumrichters GA700 führte zur Reduzierung der Zyklus-Spannungsspitzen um 30 % sowie zu einer Verringerung der Antriebsverluste Fündig wurden die Ingenieure bei Yaskawa. Der 2015 erstmals vorgestellte Frequenzumrichter GA700 bietet neben zahlreichen Features die klassischen Stärken der Yaskawa-Umrichter: Belastbarkeit, Langlebigkeit und Qualität werden durch das Design der Antriebe sichergestellt. Sie sind ausgelegt auf zehn Jahre 24/7-Dauerbetrieb bei einer Belastung von 80 % der maximalen Leistung. Dabei arbeiten sie ohne Leistungsverlust bei Betriebstemperaturen von bis zu + 50 °C. Die Anwender profitieren dadurch von sehr geringen Ausfallraten und minimalem Service-Aufwand. Im vorliegenden Fall konnte zusätzlich durch den Einsatz einer hochdynamischen Strom-Vektor-Regelung (Open Loop Vector Control) das Überschwingen der Mechanik sowie die generatorischen Effekte und Spannungsspitzen minimiert werden. Konkret ließen sich die Spannungsspitzen um 30 % reduzieren, wodurch weniger generatorische Energie entsteht. Die Temperatur der Bremswiderstände entspricht nun der Umgebungstemperatur. Durch die Open Loop Vector Control Regelung wird bei Asynchron- sowie Permanent-Magnet-Synchronmotoren das volle Drehmoment bereits bei sehr kleinen Drehzahlen ohne Geberrückführung erreicht. Wie nicht zuletzt das Beispiel der Maschine BMP 100 Compact belegt, zeigt der Asynchronmotor damit eine hohe Regelsteifigkeit. Der GA700 in Verbindung mit Permanent-Magnet-Synchronmotoren kommt sogar dem Verhalten von Servoantrieben sehr nahe. Intelligente Funktionen Über diese Vorteile der schnellen Open Loop Vector Regelung hinaus optimiert der Frequenzumrichter seine Applikationsparameter kontinuierlich im Betrieb. Zudem unterstützt Yaskawa die Ingenieure bei der Planung, der Inbetriebnahme und beim Betrieb durch eine Vielzahl von intelligenten Funktionen. Als neues Feature verfügt der GA700 über einen SD-Karten-Slot, eine Bluetooth- Schnittstelle sowie eine Echtzeituhr. Dies ermöglicht z. B. die zeitgenaue Aufzeichnung von Lastprofilen und unterstützt so den Servicetechniker bei der Fehlersuche. Der Umrichter lässt sich sehr komfortabel über das Bedienfeld, den PC oder das Smartphone in Betrieb nehmen. Die Yaskawa DriveWizard Mobile App ermöglicht es zudem, die Parameter auf Wunsch in der Cloud zu speichern oder mit anderen Mitarbeitern zu teilen. Dieses neue Konzept trägt wesentlich dazu bei, dass sich die Geräte der 700er-Reihe auch ohne Expertenwissen in kurzer Zeit in Betrieb nehmen und ohne große Vorkenntnisse einfach bedienen lassen. Mit integrierten Features wie dem EMV- Filter, interner 24-V-DC-Spannungsversorgung mit zusätzlichen 150 mA für die Versorgung von externen Sensoren (z. B. Temperatur oder Druck) sowie funktionaler Sicherheit nach STO SIL3 kann der GA700 auch bei Anwendungen mit einer höheren Risikostufe eingesetzt oder auf externe Sicherheitsmaßnahmen verzichtet werden. Fotos: Aufmacher + 02: Yaskawa; 01 + 03: Michael Hörauf Maschinenfabrik www.yaskawa.eu.com antriebstechnik 12/2018 23
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