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Grün gewickelt

Text: Juan Carlos González Villar, Kabel.Consult
Auch kleine Betriebe haben großen Energiehunger. Doch viele Produktionsanlagen schöpfen die Möglichkeiten des technischen Fortschritts zur effizienten Energienutzung noch nicht aus. Ein neues Antriebssystem soll hier Abhilfe schaffen.

Der Motor und das Getriebe einer neuen Produktionsmaschine sollen möglichst viele Jahrzehnte überdauern. Doch Langlebigkeit sollte nicht allein die Hauptrolle bei der technischen Evaluierung einer Investitionsentscheidung spielen, sondern auch der Energieverbrauch der Antriebstechnik. Eine solche Antriebsfunktion ist beispielsweise das Wickeln. Etwa 300.000 industrielle Wickelantriebe werden im Jahr neu installiert. Den größten Anteil dabei haben Textilanwendungen, also Spindeln, gefolgt von Draht und Kunststoff. Der Leistungsbereich reicht von kleinen Wattantrieben, etwa für die Herstellung von Klebefilmrollen oder an Spindeln in der Textilindustrie, bis zu großen Megawattantrieben in Walzwerken und Papierfabriken.

Der häufigste Maschinentyp ist der Zentrumswickler, bei dem der Antrieb auf das Zentrum des Wickelmaterials wirkt. Das Drehmoment bestimmt die Baugröße des Motors. Beim Zentrumswickler fällt in der Regel das maximale Moment bei dem größten Wickeldurchmesser an, also bei der geringsten Drehzahl. Zentrumswickler mit definierten Materialzugkräften werden überwiegend auf stationäre Betriebszustände ausgelegt. Die dynamischen Reserven des Umrichters reichen meist, um den Antrieb auch in Notsituationen abzubremsen. Bei sehr hohen Drehmomenten und kurzen Bremswegen kann allerdings auch das Bremsmoment die relevante Größe für die Auslegung werden. Bei Wicklern mit intermittierenden Betriebsarten bestimmt das dynamische Antriebsdrehmoment die Dimensionierung. Bei dicker auf- oder abzuwickelnden Warenbahnen ist zusätzlich das Biegemoment für die Umformung zu berücksichtigen.

Die zu installierende Typenleistung (Eckleistung) des Antriebssystems ist deshalb bei Zentrumswicklern deutlich größer als die Prozessleistung. Obwohl hohe Drehzahlen und hohe Drehmomente nicht gleichzeitig auftreten, muss der Antrieb beide erbringen können. In der Antriebstechnik spricht man von einer Anwendung mit Konstantleistungskurve oder mit linear-reziprok abnehmender Lastmomentkennlinie. Heute kommen Elektromotoren mit einer hohen Antriebsleistung zum Einsatz, die jedoch nur schlecht ausgenutzt werden kann.

Umrichter können durch einen Betrieb des Motors im Bereich der Feldschwächung den Drehzahlbereich des Wickelantriebs erweitern. Entscheidet sich ein Anlagenbetreiber für eine „Ein-Motor-Ein-Getriebe-Lösung“, so ist die zu installierende Eckleistung viel größer als die Prozessleistung. Das Resultat ist ein Antriebsystem mit einem schlechten Systemwirkungsgrad. Da der Motor nicht ausgelastet ist und das Leerlaufdrehmoment des Getriebes zu überwinden ist, geht ein erheblicher Teil der Antriebsleistung verloren (bis zu 40 Prozent).

Energieeffiziente Antriebe für Wickelmaschinen

Ein neues Antriebssystem für Abwickel- und Aufwickelmaschinen soll Nennverluste und Leerlaufverluste des antreibenden Motors gegenüber dem Stand der Technik um ein Vielfaches reduzieren. Zudem lassen sich alle am Antrieb beteiligten mechanischen Getriebestränge im optimalen Wirkungsgradbereich betreiben. Das Leerlaufdrehmoment des mechanischen Antriebes oder der einzelnen Getriebestränge wird ebenfalls gegenüber dem Stand der Technik um ein Vielfaches reduziert. Mehrere kleine Antriebe erzeugen einen Zustand, in dem die installierte Eckleistung für das Auf- oder Abwickeln nicht wesentlich größer ist als die Prozessleistung; trotzdem ist noch eine ausreichend hohe Sicherheit gegeben. Das Antriebssystem verfügt über einen hohen Systemwirkungsgrad bei niedrigen Energiekosten. Da der Motor und das Getriebe im optimalen Wirkungsgradbereich arbeiten, geht die meiste Antriebsleistung in den Prozess ein.

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