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Elektrische AntriebeMechatronisch optimiert

Energieeffizientes Maschinenkonzept in der Holzverarbeitung
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Elektrische Antriebe: Mechatronisch optimiert
Geregelte elektrische Antriebe können einen entscheidend zu höherer Produktivität und mehr Energieeffizienz von Maschinen beitragen. Das lässt sich am Beispiel einer Holzverarbeitungsmaschine zeigen, bei der die Energieaufnahme für einen Vorschubprozess durch die Nutzung von Bremsenergie um mehr als 60 Prozent gesenkt werden konnte.

Die Erhöhung der Energieeffizienz hat im Zuge der Klimaveränderungen durch CO2-Emissionen, aber auch durch langfristig steigende Energiekosten eine hohe wirtschaftliche und gesellschaftliche Relevanz gewonnen. Elektrische Antriebe, die in der Industrie zwei Drittel der elektrischen Energie aufnehmen, können hier einen wesentlichen Beitrag leisten. Lenze fasst die verschiedenen Maßnahmen zu Energiesparlösungen zusammen: Erstens: Energie intelligent einsetzen, das heißt, so wenig Energie wie möglich aufwenden. Das wird möglich durch die exakte Dimensionierung und der Einsatz von Umrichtern zur Antriebsregelung. Zweitens: Energie mit hohem Wirkungsgrad wandeln. Schließlich drittens: Bremsenergie nutzen, wenn sie in nennenswertem Masse anfällt.

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Wie sich auf Grundlage dieser Maßnahmen energieeffiziente Lösungen entwickeln lassen, zeigt sich am Beispiel der in Zusammenarbeit mit Lenze optimierten Durchlaufpresse DPR2400 von Grecon-Dimter. Mit der Presse werden kontinuierlich keilgezinkte, verleimte Holzstrangprofile hergestellt. Der Produktionsprozess um die Presse beinhaltet eine Schubeinheit, den Pressentisch und eine Bremseinheit. Schubeinheit und Bremseinheit müssen zusammen den Holzstrang bewegen, gleichzeitig aber auch in Längsrichtung von beiden Seiten eine Kraft aufbringen, damit die Hölzer nahtlos zusammengesetzt werden. Aus Energiesicht erzeugt die Vorschubeinheit eine Kraft, zu der in der Bremseinheit eine Gegenkraft aufgebracht werden muss.

In der Vergangenheit wurde für die Bremseinheit eine hydraulisch angetriebene mechanische Bremse verwendet. Im Reibkontakt mit dem Holzstrang wird die Gegenkraft aufgebracht, gleichzeitig aber Wärme erzeugt, die dann noch aufwändig durch einen Wasserkühlkreislauf abgeführt werden muss.

Da bei der Vorschubeinheit Servoantriebe eingesetzt werden, die damit die Vorschubkraft aufbringen und motorisch arbeiten, lag der Gedanke nahe, für die Bremseinheit eine spiegelbildlich aufgebaute Antriebseinheit mit Servoantrieben zu verwenden, die generatorisch arbeitet. Über einen Zwischenkreisverbund der Umrichter können Vorschub- und Bremseinheit ihre Energie austauschen. Vom elektrischen Netz muss dann nur noch die Verlustleistung aufgenommen werden. Vorschub- und Bremseinheit bestehen dabei jeweils aus vier synchron zueinander laufenden Achsen, von denen je zwei auf der Ober- und Unterseite des Holzstapels über eine Kette mit Reibschluss zum Holzstapel die Kraft aufbringen. Durch diese Nutzung der Bremsenergie konnte die gesamte Energieaufnahme für diesen Prozess um mehr als 60 Prozent reduziert werden.
Der Einsatz der geregelten Antriebe ermöglicht noch eine weitere mechatronische Optimierung: Die Ketten, die die Kraft auf den Holzstapel übertragen, müssen so angedrückt werden, dass sie nicht durchrutschen (Andruckkraft zu niedrig) aber auch keinen zu hohen Verschleiß haben (Andruckkraft zu hoch). Durch Überwachung der Drehzahlen der Servoantriebe kann festgestellt werden, ob dieser Reibschluss vorhanden ist. Rutscht eine Kette durch, wird durch ein pneumatisches Proportionalventil die Andruckkraft leicht erhöht.

Situationen, in denen wie bei der Durchlaufpresse Gegenkräfte aufzubringen sind, finden sich in sehr vielen kontinuierlichen Produktionsprozessen. Werden hier überall geregelte Antriebe eingesetzt und diese dann im Zwischenkreis energetisch miteinander verbunden, kann die Energieeffizienz deutlich erhöht werden. Das konkrete Beispiel der Presse zeigt, wie durch intelligente Antriebe und mechatronische Optimierung Maschinenkonzepte mit einer hohen Energieeffizienz und hoher Produktivität realisiert werden können. pb

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