Rozwiązania SEW-Eurodrive zatrzymują energię

Duże przyspieszenia przy dużych obciążeniach, szczególnie w przypadku systemów portalowych, wyraźnie zwiększają zapotrzebowanie na energię elektryczną w napędach. W trakcie hamowania rekuperacyjnego energia ta jest odzyskiwana. Wyzwanie w firmie Ilsemann Automation polegało na tym, aby możliwie najefektywniej wykorzystać energię hamowania bez konieczności odprowadzania jej do oporników. Firma zdecydowała się na zastosowanie w swoich robotach pracujących przy obróbce tworzyw sztucznych rozwiązań SEW-Eurodrive, które umożliwiają zatrzymanie energii w zespole. 

W przemyśle spożywczym bardzo często wykorzystywane są plastikowe kubeczki. Wymagania stawiane urządzeniom do formowania wtryskowego w kontekście produktywności, wydajności oraz dostępności są wyjątkowo wysokie ze względu na ilość liczoną w milionach sztuk. Podobne wymagania obowiązują w zakresie urządzeń odbierających, które pobierają gotowe kubeczki z wtryskarki. Ilsemann Automation wykorzystuje do tego zadania portal XYZ bazujący na serwonapędach. Zasilanie napędów portalu oraz pozostałych osi do obracania, transferu, zamykania oraz odkładania w zespole obwodu pośredniego prądu stałego realizowane jest za pośrednictwem modułów MDP92A SEW-EURODRIVE. 

W nowo opracowanej konstrukcji firma z Bremen wykorzystuje superkondensator pozwalający na buforowanie energii generatorowej Magazyn energii serii MOVI-DPS dostarczony przez SEW-Eurodrive został zamontowany pomiędzy modułem zasilającą a siedmioma falownikami MOVIDRIVE^®. Taka konstrukcja ma trzy główne zalety: bezpieczeństwo eksploatacyjne, wydajność energetyczną oraz ograniczenie chwilowego obciążenia. 

Koncepcja zasilania zapewniająca przewagę 

Firma Ilsemann Automation jest działającym na skalę globalną dostawcą manipulatorów do formowania wtryskowego. Urządzenia tej firmy wykorzystywane są na całym świecie. Opracowana wspólnie z SEW-Eurodrive nowa koncepcja zasilania zapewni przedsiębiorstwu z Bremen przewagę nad konkurencją. 

Zasadniczą cechą wyróżniającą rozwiązanie SEW-Eurodriv jest odporność na wahania napięcia. Dzięki tymczasowemu magazynowaniu energii maszyny mogą być eksploatowane również w krajach o niskiej jakości sieci przesyłowej bez konieczności stosowania dodatkowych środków ochronnych. 

Wyrównywanie wahań napięcia jest ważne z tego względu, że system odbiorczy ingeruje w przestrzeń roboczą wtryskarek. Należy więc zapewnić, aby plastikowy kubeczek został odebrany w określonym oknie czasowym, a następnie odłożony na taśmie odprowadzającej. Czas dostępny na wykonanie tej operacji jest krótki i dostosowany do szybkości produkcji wtryskarki - wynosi 0,7 sekundy. Takie tempo pracy można osiągnąć tylko przy dynamicznych ruchach. W przypadku wystąpienia wahań napięcia zachodzi poważne ryzyko kolizji pomiędzy narzędziem a układem manipulatora, gdyż wymagane przyspieszenia nie zostaną osiągnięte.

Magazyn energii jako regulator 

Fachowcy firmy z Bremen specjalizującej się w kinematyce robotów postanowili w ramach wspólnego projektu inżynieryjnego z SEW-Eurodrive poszukać rozwiązania, które zapewni większe bezpieczeństwo w zakresie zasilania. Projekt zakończył się pomysłem zastosowania pośredniego zasilania zespołu wieloosiowego przy pomocy kondensatora EMK. Zasila on zespół wszystkich napędów za pośrednictwem magazynu energii, zapewniając wymaganą niezawodność, wyrównując wahania napięcia oraz ograniczając ryzyko awarii sieci. Pojemność została tak dobrana, aby układ mógł bezpiecznie zakończyć rozpoczęty cykl pracy zanim portal zostanie w sposób kontrolowany całkowicie wyłączony, dzięki czemu wykluczone zostały ewentualne kolizje w otwartym narzędziu wtryskującym. 

Jednostka zintegrowana w zespole obwodu pośredniego prądu stałego niesie ze sobą - obok bezpieczeństwa eksploatacyjnego – wiele innych korzyści. Do najważniejszych z nich należy wyższa wydajność energetyczna oraz redukcja obciążenia szczytowego. Oba aspekty powiązane są z tym, że zharmonizowano przepływy prądu i zachowano energię w obrębie portalu. Szczególnie w portalach o wysokiej dynamice przyspieszenia i hamowania następują po sobie w krótkich odstępach czasowych. Magazyn energii w układach firmy Ilsemann-Automation pozwala na magazynowanie uwalnianej energii z silników podczas hamowania i umożliwia ponowne jej wykorzystanie na potrzeby przyspieszania. 

Moduł kondensatora działa zatem jako krótkotrwała bateria z funkcją wspomagania podczas przyspieszania. W idealnej sytuacji tego typu rozwiązanie pozwala na wyeliminowanie strat energii odprowadzanych przez rezystor.

Pomiary wykazały, że zastosowanie magazynu pośredniego dwukrotnie zmniejszyło zużycie energii portalu. Rozwiązania oparte o moduł zwrotu energii w mniejszym stopniu nadają się do tego typu aplikacji, ponieważ nie są w stanie osiągnąć takiej sprawności. Przykład pomiarów wykonanych w Niemczech dostarcza kolejnego argumentu przemawiającego za magazynem energii - prąd wytworzony podczas hamowania nie jest sprzedawany po niskich stawkach do sieci, aby następnie po wyższych stawkach zakupić energię potrzebną do przyspieszania.

Zarządzanie energią obniża koszty 

Zatrzymanie wygenerowanej energii w tymczasowym magazynie ma też pozytywny wpływ na opłaty za wykorzystanie sieci lub roczną opłatę za moc przyłączeniową. Przedsiębiorstwa muszą płacić lokalnym dostawcom energii za moc, którą pobierają. Należy przy tym zaznaczyć, że wyjątkowo wysokie obciążenie szczytowe już po kilku minutach eksploatacji generuje wysokie koszty, ponieważ koszty zakupu prądu rozliczane są w skali roku. Pomiary obejmują czas wynoszący 15 minut. Przykład dotyczy przedsiębiorstwa z własną siecią SN, pobór mocy powyżej 2500 godzin przy koszcie wynoszącym 120 EURO za kW. Jeżeli w ramach 15-minutowego okresu pomiarowego szczytowe obciążenia przekroczą zaplanowany pobór mocy o 100 kW, spowoduje to wygenerowanie kosztów sięgających 12000 EURO. Skuteczne wygładzenie obciążeń szczytowych ma ogromne znaczenie w kontekście zarządzania energią. 

Opisanemu efektowi towarzyszy możliwość oszczędności na komponentach instalacji zasilającej, którą można wykonać dla mniejszych przepustowości. Wynika to z tego, że obciążenia szczytowe obsługiwane są przez magazyn energii, w który wyposażony został portal firmy Ilsemann. Infrastruktura zasilająca musi tylko zapewnić stały dopływ prądu. W pierwszym zaprojektowanym wspólnie SEW-Eurodrive portalu obciążenie szczytowe dla tego typu zastosowania zmniejszyło się z 52 kW do prawie 6 kW. Odpowiednio można było również zmniejszyć przekroje przewodów zasilających - z 16 mm² na 2,5 mm². Rozwiązanie pozwala zredukować koszty instalacji również przez brak dodatkowych komponentów zapobiegających zanikom napięcia, redukcję potrzebnego miejsca na instalację elektryczną i jej uproszenie. Zalety „Power and Energy Solutions“ firmy SEW zapewniają szybki zwrot inwestycji. Dzięki wielu korzyściom rozwiązanie to zostało wyróżnione przez kraj związkowy Baden-Württemberg poprzez przyznanie nagrody inżynierii środowiskowej w kategorii wydajność energetyczna. 

Liczne zalety 

Zaprojektowanym portalem do pobierania produktów firma Ilsemann Automation pokazała, w jaki sposób zrealizować system wspierany magazynem energii na potrzeby wieloosiowych aplikacji napędowych. W związku z tym, że przy tego typu architekturze w systemie zatrzymana wygenerowana energia, dzięki czemu w prosty sposób można nią zarządzać. Do korzyści należy zredukowana moc przyłączeniowa, wyższe bezpieczeństwo eksploatacyjne w aspekcie oporności na wahania napięcia oraz wydajniejsze użytkowanie energii elektrycznej. 

Źródło: SEW-Eurodrive
Redaktor: MRR