Erschienen am: 03.03.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 3 2017

Umrichter mit integrierter Netzrückspeisung

Wo die Späne nur so fliegen

Trockener Staub, Temperaturschwankungen, Vibrationen, extreme Leistungsspitzen - das sind die Bedingungen, denen im 24/7-Dauerbetrieb stehende Umrichter in der Holzverarbeitung standhalten müssen. Entsprechend sind Robustheit, Qualität und eine lange Lebensdauer zentrale Anforderungen der Instandhaltungstechniker an die Antriebslieferanten. Bei anspruchsvollen Beschleunigungs- und Bremsaufgaben bewährt sich daher der Einsatz von Direktumrichtern mit integrierter Netzrückspeisung.


Bild: AlexanderVerlag.at GmbH

Die 1948 gegründete Pfeifer-Gruppe verarbeitet an zwei Standorten in Österreich, vier Standorten in Deutschland und zwei Standorten in Tschechien 3,8Mio. Festmeter Einschnitt pro Jahr u.a. zu Schnittholz, Massivholzplatten, Brettschichtholz, Konstruktionsvollholz, Schalungsträgern und -platten, Palettenklötzen, Pellets und Briketts. Die Produkte gehen zu rund 4.000 Kunden in 90 Ländern der Welt. Insgesamt 1.800 Mitarbeiter erzielten zuletzt gemeinsam einen Umsatz von 620Mio.€. Im Werk Kundl werden ausschließlich Schnittholz und Pellets produziert - und Energie. Die bei der Rundholzverarbeitung anfallende Rinde dient als Energieträger für zwei Biomassekraftwerke am Standort, die sowohl Wärme für die Schnittholztrocknung als auch Strom liefern. "Wir betreiben eine geschlossene Wertschöpfungskette", betont Georg Horngacher, Leiter der Instandhaltung im Werk Kundl. "Das Holz kommt ausschließlich aus nachhaltiger Forstwirtschaft und wir verwerten es zu 100 Prozent - also selbst die Sägenebenprodukte." Um als Top-Player am europäischen Markt im Hochlohnland Österreich dauerhaft zu reüssieren, braucht es hohe Produktivität - und dafür moderne, verlässliche Technik. Genau daran haperte es aber in jüngerer Vergangenheit. "In erster Linie sind wir mit der sinkenden Lebensdauer der Frequenzumrichter nicht zufrieden", erzählt Horngacher. "Trotz starker Überdimensionierungen halten die bisher verwendeten Antriebe mitunter nur wenige Jahre. Und das ist uns einfach zu kurz."

Neuer Antriebslieferant

Die Wiener Firma Vipa Elektronik-Systeme war im Pfeifer-Werk Kundl bereits bekannt - Vipa-Steuerungen und andere Produkte des Anbieters hatten sich in der Vergangenheit bewährt. "Eines Tages kamen wir zufällig auf Umrichter zu sprechen. Wir beschlossen, einen Pilotversuch in Form eines Pumpenantriebs mit dem A1000-Umrichter von Yaskawa zu starten - und der hat sehr gut funktioniert.", so Horngacher. Das Gerät entpuppte sich als robust, leistungsfähig und einfach zu bedienen. "Außerdem war es im Nu in Betrieb genommen", erinnert sich Elektrikermeister Odo Giffinger. "Die Yaskawa-Bedienoberfläche ist logisch aufgebaut und übersichtlich gestaltet." Daneben zählt für die Instandhalter die rasche Verfügbarkeit der Umrichter. Zwar gibt es in allen relevanten Dimensionen - die benötigten Leistungsgrößen reichen von 2,5 bis 315kW - jeweils ein Ersatzgerät auf Lager, im Fall des Falles muss dieses jedoch schnellstmöglich wieder aufgefüllt werden. "Unser oberstes Credo lautet Produktivität. Stillstände wegen Lieferengpässen bei der Technik sind nicht akzeptabel", betont Horngacher. "Noch lieber sind uns Geräte, die nicht so schnell ausfallen und den rauen Umgebungsbedingungen hier im Werk dauerhaft standhalten." Christian Karl, Vertriebler für Antriebe bei Vipa Elektronik-Systeme, ergänzt dazu: "Yaskawa verspricht zehn Jahre Wartungsfreien Betrieb bei 80-prozentiger Auslastung."

Energieeffizient 'angebremste' Lücke

Zur Bewährungsprobe für die Yaskawa-Technik kam es dann im nächsten Projekt - der Modernisierung einer bestehenden Spanerlinie, auf der die angelieferten Baumstämme zu Schnittholz verarbeitet werden. Konkret ging es um den Tausch eines bestehenden Umrichters zur Regelung von insgesamt neun Motoren für den Vorschubantrieb. Idee war es, durch gezieltes und schnelles Abbremsen der Rundhölzer die Produktivität zu steigern. Was im ersten Moment widersprüchlich klingt, erklärt Horngacher so: "Die Vorschubgeschwindigkeit der Fräs- und Sägeanlage beträgt abhängig vom zu verarbeitenden Material bis zu 100m/min. Auf der Förderstrecke brauchen wir zwischen den einzelnen Bäumen Lücken - das heißt, möglichst gleichmäßige und zugleich so kleine Abstände wie möglich. Die Bäume schwingen nach dem Einwurf auf die Förderstrecke unterschiedlich stark nach - dadurch entstehen verschieden große Lücken. Um diese auf eine gleichmäßige Größe zu bringen, werden manche Baumstämme beschleunigt und manche abgebremst. Das schnellstmöglich zu bewerkstelligen, ist die konkrete Aufgabe des Umrichters." Zu Beginn der Linie und mehrmals zwischen den einzelnen Fräs- und Sägestufen wird das Rundholz optisch vermessen. Eine Software errechnet anhand dieser Daten die jeweils beste Brettausbeute bzw. die Koordinaten für die notwendigen Schnitte. Die Verstellzeiten der einzelnen Sägeeinheiten liegen im Bereich einer halben Sekunde. Deshalb braucht es die Lücken auf der Förderstrecke, um in diesem knappen Zeitfenster die Einstellungen für den nächsten Schnitt zu treffen, bevor das Rundholz ankommt. "Früher hatten wir die Motoren einfach auslaufen lassen - das dauerte zwischen 1 und 1,5s. Mit dem nun im Einsatz stehenden Antrieb erreichen wir Bremszeiten bis zum Stillstand von 0,5s", rechnet Giffinger vor. "Somit war es möglich, die Größe der Lücken anzupassen und die Produktivität zu steigern."

Bremsenergie ins Netz rückspeisen

Der U1000 ermöglicht den energieeffizienten Antrieb von Asynchron- oder Synchron-Maschinen und gleichzeitig auch die Rückspeisung überschüssiger Bremsenergie. Der Direktumrichter kommt komplett ohne Zwischenkreis aus und schaltet die drei Phasen des Netzes quasi direkt an die Motorwicklung. Ein EMV-Filter ist hier bereits integriert. Externe Komponenten wie Drosseln oder LC-Filter sind nicht notwendig. "Trotzdem ist der Platzbedarf bis zu 50 Prozent geringer als bei herkömmlichen integrierten Lösungen mit sinusförmiger Ein- und Rückspeisung", erklärt Karl. "Viele Anbieter am Markt empfehlen, den Frequenzumrichter sicherheitshalber ein oder besser gleich zwei Nummern größer zu kaufen. Das ist bei Yaskawa-Antrieben aufgrund der generell sehr gut dimensionierten Leistungsteile nicht notwendig." Die Netzströme im Betrieb sind im motorischen wie im regenerativen Betrieb annähernd sinusförmig, Oberschwingungen reduzieren sich auf ein Minimum. Dadurch lassen sich einerseits Verluste in Netzkomponenten wie Transformatoren oder Kabel und Leitungen verringern sowie die Effizienz der Anlage erhöhen. Andererseits sinkt auch das Störpotenzial auf andere Anlagenkomponenten. "Dieses Jahr haben wir im Werk ein Energiemanagementsystem eingeführt und sind entsprechend angehalten, in allen Bereichen energieeffizient zu arbeiten. Die integrierte Rückspeiseeinheit kommt uns da entgegen und ist zudem ökologisch sinnvoll. Auf der anderen Seiten sind klassische Bremswiderstände wärmetechnisch für uns immer eine besondere Herausforderung - wir haben im gesamten Produktionsbereich sehr trockene Stäube, also eine brandgefährliche Umgebung.", sagt Horngacher.

Erfolgreicher Start mit Folgewirkungen

Zwar gestaltete sich die Parametrierung des U1000-Umrichters im Vergleich zum A1000 im Pilotversuch aufgrund des umfangreicheren Projekts anspruchsvoller - sie war aber im Endeffekt aufgrund telefonischer Unterstützung durch Karl ebenfalls rasch erledigt. "Nach zwei Stunden lief der Antrieb", erinnert sich Giffinger. "Die Umstellung auf eine andere Marke sehe ich nicht als problematisch. Denn selbst wenn wir vom gleichen Hersteller ein neues Produkt kaufen, hat das unter Umständen auch eine neue Bedienoberfläche bzw. ist anders zu parametrieren, als wir es vom Vorgängermodell gewohnt sind." Trotzdem gab es vor Kurzem eine umfassende Schulung vor Ort im Werk, damit alle Mitarbeiter im Instandhaltungs-Team mit den neuen Antrieben umgehen lernen. Mit der Zeit gesellten sich zu den ersten beiden Antrieben noch weitere dazu, an die 15 Stück stehen bei Pfeifer Holz jetzt im Einsatz und diese Zahl wird weiter wachsen.