Gut für den Geldbeutel

Frank Borchardt

Die elektronische Drehzahlregelung von Motoren hat die Automatisierung der Fertigungsprozesse maßgeblich beeinflusst. Speziell der Einsatz von hocheffizienten Frequenzumrichtern bietet darüber hinaus die immer wichtiger werdenden Energiesparpotenziale. Dies manifestiert auch die von der Europäischen Kommission erlassene Richtlinie Nr. 640/2009 zur umweltgerechten Gestaltung von Elektromotoren. Darin wird festgestellt, dass auf die Antriebssysteme, in denen diese Motoren zum Einsatz kommen, zirka 70 % des Stromverbrauchs der Industrie entfallen. Die Energieeffizienz dieser Antriebssysteme kann kostengünstig um insgesamt 20 bis 30 % gesteigert werden. Deshalb wird in dieser Verordnung vorgeschrieben, dass bestimmte Motoren ab 2015 mit elektronischer Drehzahlregelung ausgestattet sein müssen. Der Einsatz von moderner Antriebstechnik in Nahrungsmittelmaschinen bietet neben den Möglichkeiten zum Erhöhen der Maschinenleistung vor allem Potenziale zum Energiesparen, von denen die wichtigsten im Folgenden erläutert werden sollen.

Die Verwendung einer stufenlosen Drehzahlstellung in Nahrungsmittelverarbeitungsmaschinen erlaubt die optimale Anpassung der Produktionsgeschwindigkeit bei gleichzeitig höherer Wirtschaftlichkeit. Die Kutteranwendung ist zum Beispiel durch stark veränderliche Drehmomente gekennzeichnet, die durch die unterschiedlichen Produkteigenschaften der zu verarbeitenden Nahrungsmittel verursacht werden. Die elektronische Drehzahlregelung mit Frequenzumrichtern bietet daher viele Vorteile: Der Frequenzumrichter sichert das notwendige Drehmoment an der Messerwelle und damit die Durchzugskraft der Maschine. Die produktabhängige Wahl der Messerwellengeschwindigkeit erfolgt über den Frequenzumrichter. Neben dem geringeren Energieverbrauch schont dies die zu verarbeitenden Nahrungsmittel, aber auch den Motor und die Mechanik.

Frequenzumrichter mit interner Energiesparfunktion ermöglichen es, die Spannungs-Frequenz-Kennlinie des Asynchronmotors dynamisch an die Belastung anzupassen. Durch diese Funktion gelingt es, die Magnetisierung und damit den Strom des Motors im Leerlauf drastisch zu reduzieren. Neben der Reduktion der Verlustleistung bis auf ein Viertel, kann damit auch die Motorerwärmung stark verringert werden.

Auch beim Hochlaufen und Abbremsen von Anlagen werden mit drehzahlgeregelten elektrischen Antrieben große Energiesparpotenziale erschlossen. Das direkte Einschalten von Drehstrommotoren am Netz führt zu sehr hohen Anlaufströmen in der Größenordnung vom Achtfachen des Nennstroms – das erzeugt hohe Verluste im Motor und belastet das Netz. Deshalb gelten für Spitzenleistungen erhöhte Tarife. Wenn ein Frequenzumrichter zum Einsatz kommt, werden hohe Anlaufströme ebenso vermieden wie die Belastung der Mechanik und des Netzes.

Beispielhaft für den Einsatz in Nahrungsmittelmaschinen sind die Unidrive-SP-Kompaktumrichter für Leistungen von 0,75 bis 132 kW (erweiterbar bis 1900 kW) und Eingangsspannungen von 200 bis 690 V. Zu den zahlreichen Optionen, die die Funktionen der Antriebsplattform erweitern, gehört das SM-Applikationsmodul, über das man den Unidrive SP optimal in das individuelle Automatisierungskonzept der Maschine integrieren kann. Die Programmierung erfolgt komfortabel über die SyptPro-Software, die die komplette Implementierung kundenspezifischer SPS- und Motion-Aufgaben erlaubt – bei erhöhter Verarbeitungsleistung und deutlich geringerem Aufwand im Vergleich zur Programmierung einer konventionellen SPS.

So spart der Anwender nicht nur Hardwarekosten, sondern er kann auch gleichzeitig die Präzision der Maschine um Größenordnungen erhöhen.

Die Präzision ist oft entscheidend, wenn es um Schnelligkeit und um die reproduzierbare Produktion von Produkten mit exakt identischen Gewichten geht. Hierbei führen Optimierungen zu nennenswerten Wettbewerbsvorteilen.

Mehrachsantriebe mit Unidrive SP bieten den Vorteil, dass das SM-Applikationsmodul die Vernetzung der Antriebe erlaubt, deren Bewegungsabläufe gekoppelt sind. So ist zum Beispiel bei einer Füllmaschine stets die optimale Koordination von Förderelement und Zuführschnecke gewährleistet – eine wichtige Voraussetzung für die hohe Leistung der Maschine. Noch komplexer und anspruchsvoller wird eine Applikation, wenn in einer Produktionslinie verschiedene Maschineneinheiten exakt aufeinander abgestimmt werden müssen. Im Anwendungsfall einer Wurstmaschine ist die Vakuumfüllmaschine mit einer Formmaschine mechanisch direkt verbunden. Die exakt portionierten Fleischmassen werden in die gewünschte Form gebracht und anschließend der Verpackungslinie zugeführt. Alle Maschinen lassen sich leicht in ein regelungstechnisches Gesamtkonzept einbinden, da ihre Antriebe über Unidrive SP mit integriertem SM-Applikationsmodul geregelt werden. Die exakte Synchronisierung kann entweder über die standardmäßige RS485- Schnittstelle oder über ein schnelles Bussystem mit entsprechenden steckbaren Modulen erfolgen. Darüber hinaus arbeiten die über Unidrive SP geregelten Antriebe mit großer Laufruhe und niedriger Geräuschentwicklung.

In modernen Maschinen wird eine Vielzahl von geregelten Antrieben eingesetzt. Zur Reduktion des Energiebedarfes der Motoren werden Standard-Asynchronmotoren mehr und mehr durch hocheffektive Servomotoren ersetzt. Damit werden der Magnetisierungsstrom und die dadurch verursachten Verluste eingespart.

Oft werden hochdynamische Bewegungen wie Positionierungen ausgeführt. Um hohe Materialdurchsätze zu erreichen, liegen die Taktraten immer höher und damit wird die Beschleunigung der Antriebe immer größer. Zur Reduzierung der erhöhten Beschleunigungsströme werden trägheitsarme Servomotoren eingesetzt. Auch wird bei vielen Anwendungen der Spitzendruck nur kurze Zeit im Bearbeitungszyklus benötigt. Dann macht es Sinn, über eine dynamische Regelung des Pumpendrucks mittels moderner Servoantriebe nachzudenken. Heute gelingt es schon an vielen Stellen, die mechanischen Getriebe durch moderne Direktantriebstechnik zu ersetzen. Neben der einfacheren und kompakteren Ausführung der Maschine führt dies zur Reduktion des Energieverbrauchs und der Betriebskosten, die durch Wartung, Stillstandzeiten und Schmierstoffe entstehen.

Online-Info www.dei.de/0910446