Kaffee to go dank hochdynamischer Frequenzumrichter

Kaum ein Standardprodukt stellt höhere Ansprüche an seine Praxistauglichkeit im Alltag als ein Papierbecher. Eine Technologie der Michael Hörauf Maschinenfabrik produziert die erforderliche Qualität mit einer Papierbechermaschine aus der BMP 100 Serie mit bis zu 180 Mal pro Minute. Dabei sorgt ein leistungsfähiger Frequenzumrichter von Yaskawa trotz starker mechanischer Belastungen für eine besonders hohe Regelgüte.

 

 

 

Hochdynamischer Frequenzumrichter für höchste Regelgüte

Der Kaffee „to go“ schmeckt nach frischen Bohnen und nicht nach Papier. Das heiße Getränk wärmt den Magen, verbrennt aber nicht die Finger. Und beim Trinken geht kein Tropfen daneben: Auch wenn Papierbecher normalerweise keine große Aufmerksamkeit genießen, erfüllen sie Tag für Tag hohe Qualitätsansprüche. Gleichzeitig müssen sie als milliardenfach verbrauchtes Standardprodukt in großen Mengen und kosteneffizient produziert werden. 

Dafür sorgen die Maschinen der Traditionsfirma Michael Hörauf Maschinenfabrik GmbH und Co. KG im schwäbischen Donzdorf. Das Portfolio umfasst heute neben High-End-Maschinen zur rationellen Fertigung von Papierbechern auch individuelle Lösungen für Markenartikler zur Inhouse-Produktion von Verpackungen aus Papierverbund.

Die BMP 100 Compact aus der ökonomischen BMP 100 Maschinenserie wurde für die wirtschaftliche Produktion von Heiß- und Kaltgetränkebechern (z.B. für Instantnudelsuppen) konstruiert. Die BMP 100 Super ist hingegen ausgelegt auf die Herstellung von großvolumigen Verpackungsbechern (z. B. für Snacks, Popcorn, Nudeln). Beide Maschinen können sowohl vom Zuschnitt (Papiersegment) als auch von der Rolle arbeiten. Dabei werden, in Abhängigkeit vom Format, Taktzahlen von bis zu 180 Bechern pro Minute erreicht. Know-how das auf langjähriger Erfahrung und einem breitem Wissen, im Bereich der Umformung und Verbindung von Papier bzw. Papierverbund basiert. 

Antriebstechnische Herausforderungen

Das Herzstück der Maschine ist die Becherform-Einheit, ein mit Kerndornen bestückter so genannter „Stern“ mit ca. 1 m Durchmesser. Diese Einheit muss bei jedem der 180 Takte pro Minute beschleunigt und wieder abgebremst werden. Diese mechanisch hochanspruchsvolle Antriebsaufgabe übernimmt ein Asynchronmotor.

Herkömmlicherweise ergaben sich aus den generatorischen Betriebszuständen bei den Bremsvorgängen zwei charakteristische Probleme: Zum einen entstanden so Spannungsspitzen, die die Antriebe stark belasteten und damit zu Ausfällen führten. Zum anderen wurde die generatorische Energie beim Bremsen in Wärme umgewandelt. Die Temperaturen am Bremswiderstand waren bei zirka 80°C. Durch die Verwendung von Papier als leicht brennbarem Werkstoff war es zudem nicht möglich, die Bremswiderstände außerhalb der Schaltschränke zu installieren. Die überschüssige Wärme musste deshalb aufwändig aus den Schaltschränken abgeführt werden. 

Vor diesem Hintergrund machten sich die HÖRAUF-Konstrukteure auf die Suche nach einer geeigneten Antriebslösung, die die hohen mechanischen Anforderungen ohne Wärmeentwicklung meistern sollte. 

Lösung: Frequenzumrichter mit Open Loop Vector Regelung

Fündig wurden die Ingenieure bei Yaskawa: Der 2015 erstmals vorgestellte Frequenzumrichter GA700 bietet neben zahlreichen anderen Features eine Open Loop Vector Regelung, eine hochdynamische Stromvektor-Regelung. Das bedeutet für den Antrieb sowohl von Asynchron- als auch von Permanent-Magnet-Synchronmotoren: Bereits bei sehr kleinen Drehzahlen wird durch diese Regelungsart mindestens Nennmoment erreicht.

Wie nicht zuletzt das Beispiel der BMP 100 Compact belegt, zeigt der Asynchronmotor damit eine hohe Regelsteifigkeit. Der GA700 in Verbindung mit Permanent-Magnet-Synchronmotoren kommt dem Verhalten von Servoantrieben sehr nahe. Durch diese hohe Regelgüte werden das Überschwingen der Mechanik sowie die generatorischen Effekte und Spannungsspitzen minimiert. Konkret ließen sich die Spannungsspitzen um 30 % reduzieren. Die Temperatur der Bremswiderstände entspricht nun der Umgebungstemperatur.

 

Frequenzumrichter-Reihe 700

Über diese Vorteile der Open Loop Vector Regelung hinaus optimieren und beschleunigen die Geräte der Reihe 700, zu der auch die GA700-Modellvariante gehört, Planung, Inbetriebnahme und Betrieb durch integrierte intelligente Funktionen.

Ein Entwicklungsziel war die konsequent nutzerfreundliche und einfache Bedienbarkeit der neuen Umrichter. Die Voraussetzung dafür bietet ein neues Design, das sich am Bedienkomfort moderner Smartphones orientiert: Ein zentrales, hochauflösendes Display bietet eine deutlich vereinfachte, intuitive Bedienoberfläche. Zusätzlich informiert ein dreifarbiger LED-Statusring jederzeit optisch eindeutig über den aktuellen Zustand des Umrichters. Über einen SD-Karten-Slot lassen sich weitere Funktionen realisieren wie z.B. die Aufzeichnung von Lastprofilen mit integrierter Echtzeituhr oder eine automatische Backup-Funktion. 

Dieses neue Konzept trägt wesentlich dazu bei, dass sich die Geräte der 700er-Reihe auch ohne Expertenwissen in kürzester Zeit in Betrieb nehmen und ohne große Vorkenntnisse sehr einfach bedienen lassen. Ebenso erleichtert es Service, Wartung sowie Fehleranalyse und -behebung. Und integrierte Softwarefunktionen unterstützen zum Beispiel interaktiv und dialoggeführt das Set-up.

Auch hardwareseitig wurde die aktuelle Gerätegeneration umfassend neu konzipiert und praxistauglich optimiert: So vereinfachen Leistungsklemmen nach europäischem Standard die Installation. Die Montagefläche der neuen Geräte ist um bis zu 50% kleiner als bei vergleichbaren Vorgängermodellen. Die GA700-Modellvarianten gehören damit zu den kompaktesten Umrichtern dieser Klasse am Markt. Zudem sind die Geräte ohne Zwischenraum anreihbar und bieten somit eine optimale Plattform für kompakte Maschinen und Anlagen.

Für die Einbindung in vielfältige Anlagenumgebungen werden Schnittstellen für alle gängigen Feldbusse bedient. Features für funktionale Sicherheit wie SIL3-konforme STO-Eingänge (Safe Torque Off – Sicher abgeschaltetes Drehmoment) runden die Basisausstattung der GA700-Umrichter ebenso ab wie integrierte EMV-Filter. Die neuen GA700-Umrichter decken ein breites Anwendungsspektrum ab und erfüllen weltweite Standards.

Fazit

Wo eine schwere Becherform-Einheit mit 1 m Durchmesser 180 Mal pro Minute beschleunigt und wieder abgebremst werden soll, entstehen hohe mechanische Belastungen und insbesondere hohe Temperaturen. Durch den Einsatz des Frequenzumrichters GA700 von Yaskawa mit hochdynamischer Stromvektor-Regelung (Open Loop Vector) konnte die Michael Hörauf Maschinenfabrik diese Anforderung lösen. Konkret wurden die Spannungsspitzen um 30% reduziert. Die Temperatur der Bremswiderstände entspricht zudem der Umgebungstemperatur.