Netzausfall-Sicherheit mit Energiespeicherlösung von SEW-Eurodrive

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 dann wieder 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 von SEW-Eurodrive, die die Energieströme im Verbund behält. Zeitgleich steigt die Betriebssicherheit der Anlage.

Dünnwandige Plastikbecher kommen in der Lebensmittelindustrie reichlich zum Einsatz. Die Ansprüche an die Spritzgusstechnik hinsichtlich Produktivität, Effizienz und Verfügbarkeit sind angesichts der Millionenstückzahlen entsprechend hoch. Dieses Anforderungsprofil gilt ebenfalls für die Entnahmetechnik, die die fertigen Plastikbecher aus der Spritzgussanlage entnimmt. Ilsemann Automation setzt für diese Aufgabe in seiner Maschine 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 der Baureihe MDP92A von SEW-Eurodrive.

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

Ilsemann Automation gehört zu den weltweit agierenden Zulieferern für Handlingssysteme in der Spritzgusstechnik. Die Anlagen sind auf allen Kontinenten im Einsatz. Mit der gemeinsam mit SEW-Eurodrive neu konzipierten Energieversorgung haben sich die Bremer einen Wettbewerbsvorsprung gesichert. Das maßgebliche Alleinstellungsmerkmal ist die Robustheit gegenüber Spannungsschwankungen. Die Anlagen lassen sich dank der Zwischenspeicherung ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen auch für die Produktion in Ländern mit eingeschränkter Netzqualität einsetzen.

Das Ausgleichen von Netzschwankungen ist deshalb so wichtig, weil das Entnahmesystem unmittelbar in den Arbeitsraum der Spritzgussmaschinen eingreift. Hierbei ist sicherzustellen, dass die Kunststoffbecher genau im richtigen Zeitfenster entnommen werden, um sie von dort auf ein Abführband zu stapeln. Die Zeit dafür ist knapp bemessen und folgt der Produktionsgeschwindigkeit der Spritzgussanlage. Der Prozess für diese Arbeit ist hoch optimiert. 0,7 Sekunden stehen für die Entnahme zur Verfügung. Das Tempo ist nur automatisiert mit dynamischen Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen zu erreichen. Treten jetzt Netzschwankungen auf, steigt das Risiko einer Kollision zwischen Werkzeug und Handlingseinheit, weil die geforderten Bewegungsrampen nicht mehr erreicht werden. „Wir müssen sicherstellen, dass unser System selbst bei einem Netzausfall nicht mit den teuren Spritzgusswerkzeugen kollidiert“, betont Gerhard Kropp, Konstruktionsleiter Elektrotechnik bei Ilsemann-Automation.

Die Bremer Spezialisten für Roboterkinematiken haben deshalb in einem gemeinsamen Engineering-Projekt mit den Automatisierungs-Experten von SEW-Eurodrive eine Lösung 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 so bemessen, dass die Handlingseinheit sicher den einmal begonnenen Arbeitszyklus beenden kann, bevor das Portal kontrolliert herunterfährt. Drohende Kollisionen im offenen Spritzgusswerkzeug sind durch diese Automatisierung ausgeschlossen.

Die in den DC-Zwischenkreisverbund integrierte Einheit bringt neben der genannten Betriebssicherheit weitere Vorteile mit sich. Maßgeblich sind hier die steigende Energieeffizienz und die Reduzierung von Lastspitzen. Beides hängt direkt damit zusammen, dass die im Portal herrschenden Energieströme harmonisiert werden und vor allem auch erhalten bleiben. Gerade in hochdynamischen Portalen liegen Beschleunigung und Abbremsung dicht beieinander. Der Pufferspeicher in den Handlingseinheiten 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.

Messungen ergaben, dass über die Zwischenpufferung der Energieverbrauch des Portals halbiert werden konnte. 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.

Das Einbehalten der Bremsenergie im Kurzzeitspeicher wirkt sich ebenfalls positiv auf die Netznutzungsentgelte beziehungsweise den jährlichen Leistungspreis aus. Diesen müssen Unternehmen an das EVU für die Leistung zahlen, die sie beziehen. Hierbei ist zu beachten, dass außerordentliche Lastspitzen bereits nach wenigen Minuten enorme Kosten nach sich ziehen, weil die Strombezugskosten jährlich abgerechnet werden. Gemessen wird mit einem 15-Minuten-Zeitraum. Dazu ein Rechenbeispiel für ein Unternehmen mit eigener Mittelspannungsversorgung, mehr als 2.500 Stunden jährlichem Leistungsbezug und Kosten von 120 Euro pro kW. Treiben Lastspitzen den geplanten Leistungsbezug innerhalb des 15-Minuten-Zeitraums um 100 kW in die Höhe, stehen dahinter Kosten von 12.000 Euro. Die Lastspitzen durch intelligente Automatisierungstechnik wirksam zu glätten, hat eine herausragende Bedeutung im Rahmen des Energiemanagements.

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 kW auf gerade einmal sechs kW. Entsprechend knapp konnten die Anschlussquerschnitte bei der Versorgung ausfallen – von 16 mm2 runter auf 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“ von SEW zahlen sich schnell aus und sind auch preiswürdig im wörtlichen Sinne. Das Land Baden-Württemberg zeichnete 2019 das intelligente Leistungs- und Energiemanagement für industrielle Antriebe der Bruchsaler mit dem Umwelttechnikpreis in der Kategorie Energieeffizienz aus.

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 dieser Automatisierung sind geringere Einspeiseleistungen, eine höhere Betriebssicherheit gegenüber Netzschwankungen und eine insgesamt effizientere Nutzung elektrischer Energie in der Maschine. Weitere Informationen zu Maschinenautomatisierung und Motion Control mit SEW-Eurodrive finden Sie hier.