Energiespeicherlösung

Meinolf Droege,

Weniger Lastspitzen – mehr Betriebssicherheit

Das schnelle Beschleunigen großer Massen treibt gerade in Portalsystemen den elektrischen Leistungsbedarf der Antriebe in die Höhe. Der generatorische Effekt beim Bremsen holt die Energie zurück. Die Herausforderung für Ilsemann Automation bestand darin, die Bremsenergie möglichst effektiv zu nutzen, um sie nicht in Widerständen abführen zu müssen. Das Unternehmen setzt in seinen Entnahmerobotern für Kunststoffverarbeiter auf eine Antriebslösung, die die Energieströme im Verbund behält. Zeitgleich soll die Betriebssicherheit der Anlage steigen.

Angesichts von Millionenstückzahlen sind die Ansprüche an die Technik zur Entnahme von Verpackungen aus dem Spritzgießwerkzeug sehr hoch. © SEW-Eurodrive

Dünnwandige Kunststoffverpackungen kommen in der Lebensmittelindustrie reichlich zum Einsatz. Die Ansprüche an die Spritzgießtechnik hinsichtlich Produktivität, Effizienz und Verfügbarkeit sind angesichts der Millionenstückzahlen entsprechend hoch. Dieses Anforderungsprofil gilt ebenfalls für die Entnahmetechnik, die die fertigen Verpackungen aus der Spritzgießmaschine entnimmt. Ilsemann Automation setzt für diese Aufgabe ein XYZ-Portal mit mehrachskoordinierten Servoantrieben ein. Die Versorgung der Portalantriebe sowie weiterer Dreh-, Transfer-, Klapp- und Ablageachsen im DC-Zwischenkreisverbund übernimmt eine zentrale Einspeisung von SEW-Eurodrive.

In einer Neuentwicklung integriert das Unternehmen einen Doppelschichtkondensator für die Zwischenpufferung freiwerdender Energie in die Energieversorgung. Die Speichereinheit aus der Movi-DPS-Reihe ist elektrotechnisch platziert zwischen der Einspeiseeinheit und den insgesamt sieben Antriebsreglern der Baureihe Movidrive. Dieser Aufbau soll Betriebssicherheit, Energieeffizienz und die Begrenzung von Spitzenlasten mit sich bringen.

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Energiekonzept verschafft Vorsprung

Die Entnahmeeinheit greift vier Becher aus der geöffneten Form und fährt anschließend zur Dreheinheit. © SEW

Ilsemann Automation liefert weltweit Handlingsysteme vor allem für Spritzgießer. Mit der gemeinsam mit SEW-Eurodrive neu konzipierten Energieversorgung wure – und das ist laut Unternehmen ein Alleinstellungsmerkmal – Robustheit gegenüber Spannungsschwankungen erreicht. Die Anlagen lassen sich dank der Zwischenspeicherung ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen auch in Ländern mit eingeschränkter Netzqualität einsetzen.

Am Ende der Automatisierungslinien stehen qualitätsgeprüfte, gestapelte Artikel wie diese Becher. Anschließend werden sie verpackt, optional kartoniert und auf Paletten bereitgestellt. © SEW

Das Ausgleichen von Netzschwankungen ist erforderlich, weil das Entnahmesystem in den Arbeitsraum der Spritzgießmaschine eingreift. Die Kunststoffbecher müssen sicher in einem sehr kleinen Zeitfenster entnommen werden, um sie auf ein Abführband zu stapeln. Für die Entnahme stehen nur 0,7 Sekunden zur Verfügung. Das Tempo ist nur mit dynamischen Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen zu erreichen. Treten Netzschwankungen auf, steigt das Risiko einer Kollision zwischen Werkzeug und Handlingeinheit, weil die geforderten Bewegungsrampen nicht mehr erreicht werden. Es ist unbedingt sicherzustellen, dass die Komponenten des Handlingsystems selbst bei einem Netzausfall nicht mit den teuren Spritzgießwerkzeugen oder Maschinenteilen kollidiert.

Speicher wirkt ausgleichend

Deshalb hat Ilsemann in einem gemeinsamen Engineering-Projekt mit SEW-Eurodrive einen Weg gesucht, mehr Versorgungssicherheit zu erreichen. Das Entwicklungsziel mündete in einer indirekten Versorgung des Mehrachsverbundes aus einem EMK-Plattenkondensator. Dieser speist den DC-Verbund aller Antriebe durch seinen Speicherpuffer mit der geforderten Verlässlichkeit und gleicht dabei mögliche Netzschwankung bis hin zum Totalausfall sicher aus. Die Kapazität der Einheit ist laut SEW so bemessen, dass die Handlingeinheit sicher den begonnenen Arbeitszyklus beenden kann, bevor das Portal kontrolliert herunterfährt. Drohende Kollisionen im offenen Spritzgießwerkzeug sind somit ausgeschlossen.

Die in den DC-Zwischenkreisverbund integrierte Einheit bringt neben der Betriebssicherheit weitere Vorteile wie Energieeffizienz und die Reduzierung von Lastspitzen mit sich. Beides hängt direkt damit zusammen, dass die im Portal herrschenden Energieströme harmonisiert werden und erhalten bleiben. Gerade in hochdynamischen Portalen liegen Beschleunigung und Abbremsung dicht beieinander. Der Pufferspeicher in den Handlingeinheiten von Ilsemann-Automation nimmt die beim Bremsen freigegebene Energie aus den Motoren auf und stellt sie den Antrieben wieder zur Verfügung, wenn sie beschleunigen. Das Kondensatormodul wirkt damit wie ein kurzfristiger Akku mit Boosterfunktion beim Beschleunigen. Idealerweise arbeitet dieser Aufbau so effektiv, dass keine kinetische Energie über Bremswiderstände abgeführt werden muss.

Servoantriebe sorgen im XYZ-Portal für koordinierte Bewegungen, hier der Motor für eine Achse des Entnahmesystems. © SEW

Messungen ergaben, dass über die Pufferung der Energieverbrauch des Portals halbiert wurde. Im Vergleich dazu seien Rückspeiseeinheiten für diese Applikation deutlich schlechter geeignet, weil sie bei Weitem nicht den Wirkungsgrad erreichen. Ein Rechenbeispiel aus Deutschland liefert ein weiteres Argument für den Pufferspeicher: Der beim Bremsen erzeugte Strom wird nicht billig ins Netz zurückgespeist – um dann die Energie beim Beschleunigen deutlich teurer vom örtlichen Energieversorgungsunternehmen (EVU) zu beziehen.

Lastmanagement senkt Kosten

Der Schaltschrank beherbergt die Antriebsregler der Baureihe Movidrive modular für die Servoachsen. Links daneben sind die PES-Module angeordnet. © SEW

Das Nutzen der Bremsenergie aus dem Kurzzeitspeicher wirkt sich ebenfalls positiv auf die Netznutzungsentgelte beziehungsweise den jährlichen Leistungspreis aus. Es ist zu beachten, dass außerordentliche Lastspitzen bereits nach wenigen Minuten hoehe Kosten verursachen, weil die Strombezugskosten jährlich abgerechnet werden. Gemessen wird mit einem 15-Minuten-Zeitraum. Dazu ein Rechenbeispiel für ein Unternehmen mit eigener Mittelspannungsversorgung, Mehr als 2500 Stunden jährlichem Leistungsbezug und Kosten von 120 Euro pro Kilowattstunde. Treiben Lastspitzen den geplanten Leistungsbezug innerhalb des 15-Minuten-Zeitraums um 100 Kilowatt in die Höhe, ergeben sich Kosten von 12 000 Euro. Die Lastspitzen wirksam zu glätten, hat also herausragende Bedeutung im Energiemanagement.

Begleitet wird dieser Effekt von einer schlanker ausführbaren Versorgungsinstallation, weil die Leistungsspitzen des Ilsemann-Portals aus dem Speicher bedient werden. Die Versorgungsinfrastruktur muss folglich nur noch kontinuierlich nachliefern. In einem ersten mit SEW-Eurodrive projektierten Portal sank die sonst für so eine Anwendung übliche Spitzenlast von 52 Kilowatt auf 6 Kilowatt. Entsprechend knapp sind die die Anschlussquerschnitte bei der Versorgung: Statt 16 mm2 reihen 2,5 mm2. Das senkt die Installationskosten auch durch den Wegfall einer unterbrechungsfreien Stromversorgung, spart Platz und macht die Installation insgesamt einfacher. Die Summe an Vorteilen der „Power and Energy Solutions“ zahlen sich schnell aus und sind auch preiswürdig im wörtlichen Sinne. Das Land Baden-Württemberg zeichnete 2019 das Leistungs- und Energiemanagement für industrielle Antriebe der Bruchsaler mit dem Umwelttechnikpreis in der Kategorie Energieeffizienz aus.

Zahlreiche Vorteile

Mit dem Entnahmeportal zeigt Ilsemann Automation wie einfach sich in mehrachskoordinierten Antriebsapplikationen ein speichergestützter DC-Verbund realisieren lässt. Weil bei dieser Architektur die Bremsenergie im System verbleibt, lässt sich auf relativ einfache Weise ein wirksames Lastmanagement realisieren. Die Vorteile sind geringere Einspeiseleistungen, eine höhere Betriebssicherheit gegenüber Netzschwankungen und eine insgesamt effizientere Nutzung elektrischer Energie.

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