Zusammenfassung: Die Papierindustrie zählt zu den wichtigsten Branchen Chinas. Zahlreiche Zellstoff- und Papierunternehmen sind landesweit vertreten und nehmen eine bedeutende Stellung in der Volkswirtschaft ein. Frequenzumrichter werden in der Papierherstellung am häufigsten für Mehrmotoren-Sektionsantriebe und Lüfter-/Pumpenlasten eingesetzt. Dieser Artikel analysiert den aktuellen Stand und die Zukunftsperspektiven von Frequenzumrichtern in der Papierindustrie. Schlüsselwörter: Frequenzumrichter , Papierherstellung, Anwendungsanalyse. I. Anwendungshintergrund in der Papierindustrie: Die Papierindustrie zählt zu den wichtigsten Branchen Chinas. Zahlreiche Zellstoff- und Papierunternehmen sind landesweit vertreten und nehmen eine bedeutende Stellung in der Volkswirtschaft ein. Frequenzumrichter werden in der Papierherstellung am häufigsten für Mehrmotoren-Sektionsantriebe eingesetzt. Da viele ältere Papiermaschinen mit einzelnen Gleichstrommotoren betrieben werden und die Drehzahlregelung über eine mechanische Drehzahlverteilung erfolgt, kommt es während der Produktion aufgrund von mechanischem Verschleiß, Riemenschlupf und anderen Faktoren häufig zu Drehzahlabweichungen. Dies kann leicht zu Papierrissen, ungleichmäßiger Dicke und anderen Problemen führen. Darüber hinaus erhöhen die hohen Temperaturen und die hohe Luftfeuchtigkeit in der Produktionsumgebung den Wartungsaufwand für die Motoren. Zur Optimierung der Produktqualität und Steigerung der Arbeitsproduktivität haben viele Fabriken auf Mehrmotoren-Sektionsantriebe umgestellt und Gleichstrommotoren sowie deren mechanische Übertragungskomponenten eliminiert. Stattdessen werden in jeder Sektion Wechselstrommotoren installiert, die jeweils mit einem entsprechenden Frequenzumrichter ausgestattet sind. Dies ermöglicht einen Wechselstrom-Mehrpunktantrieb in Kombination mit Drehzahl-, Spannungs- und Lastregelung. Um Änderungen der Papiereigenschaften während der Produktion zu berücksichtigen, müssen die Sektionsantriebe von Papiermaschinen nicht nur eine hochpräzise Synchronsteuerung gewährleisten, sondern auch eine Drehzahlregelung innerhalb eines bestimmten Bereichs ermöglichen, wobei die Drehzahl jeder Sektion unabhängig einstellbar ist. Darüber hinaus ist die Papierindustrie ein Hauptabnehmer von Lüfter- und Pumpenlasten, die kontinuierlich laufen. Verschiedene Hersteller passen die Last von Lüftern und Pumpen an die tatsächlichen Betriebsbedingungen an, wodurch der Einsatz von Frequenzumrichtern in der Papierindustrie für Unternehmen äußerst vorteilhaft ist. II. Analyse der Anwendungen von Frequenzumrichtern in der Papierindustrie 1. Papierproduktionskapazität Die effektive Produktionskapazität der chinesischen Papierindustrie ist seit 1990, insbesondere seit 1995, kontinuierlich gestiegen. Laut einer umfassenden Umfrage des Chinesischen Papierverbands gab es 2004 landesweit rund 3.500 Papier- und Kartonherstellungsbetriebe mit einem Gesamtproduktionsvolumen von 49,5 Millionen Tonnen, ein Anstieg von 15,1 % gegenüber 43 Millionen Tonnen im Vorjahr. Der Verbrauch erreichte 54,39 Millionen Tonnen, ein Plus von 13,2 % gegenüber 48,06 Millionen Tonnen im Vorjahr, bei einem jährlichen Pro-Kopf-Verbrauch von 42 kg, ein Anstieg um 5 kg gegenüber dem Vorjahr. Die Analyse der Produktions- und Verbrauchssituation im Jahr 2004 zeigt, dass beide Bereiche das ganze Jahr über einen Aufwärtstrend aufwiesen und ein relativ hohes Wachstum verzeichneten. Insbesondere der Anstieg der Papier- und Kartonproduktion erreichte mit 6,5 Millionen Tonnen den höchsten Wert in der Geschichte. Zu den wichtigsten Produkten mit signifikanten Produktionssteigerungen zählten Zeitungspapier, Leichtpapier, Kunstdruckpapier, gestrichener weißer Karton, Schachtelkarton und Wellpappenrohpapier. Auch der Verbrauch dieser Produkte stieg deutlich an. Unter der Annahme, dass das BIP meines Landes in der kommenden Zeit durchschnittlich um 7 % pro Jahr wächst und die durchschnittliche jährliche Bevölkerungswachstumsrate der letzten zwölf Jahre 0,91 % beträgt, wird das Pro-Kopf-BIP meines Landes bis 2010 13.890 RMB erreichen und der Pro-Kopf-Papierverbrauch auf 60 kg steigen. Es lässt sich prognostizieren, dass der Gesamtverbrauch bis 2010 69 Millionen Tonnen erreichen wird. In den Folgejahren werden fast 10 Millionen Tonnen neue Produktionskapazität hinzukommen. Dann wird die Gesamtproduktionskapazität der Papierindustrie meines Landes fast 55 Millionen Tonnen erreichen. Statistiken zeigen, dass seit dem Jahr 2000 die Hälfte aller großen Papiermaschinen weltweit in China installiert wurde. Aktuell entfallen 33 % des chinesischen Marktanteils auf High-End-Papiermaschinen, die hauptsächlich von internationalen Papiermaschinenherstellern wie VOITH, METSO und ANDRITZ dominiert werden. 2. Umrichterkapazität in der Papierherstellung: Da über 80 % der Antriebstechnik in neu installierten Papiermaschinen mit AC-Umrichtern ausgestattet sind, wird die jährlich installierte Kapazität an Papiermaschinenantrieben angesichts des prognostizierten Produktionsanstiegs von 3–4 Millionen Tonnen beträchtlich sein. Nehmen wir beispielsweise eine von einem Werk importierte VOITH-Kartonmaschine mit einer Kapazität von 175.000 Tonnen pro Jahr. Das produziert doppelseitig gestrichenen weißen Kartonpapier mit einer Breite von 4,2 Metern. Die Maschine umfasst vier Siebpartien, vier Pressen, zehn Trockenzylinder, einen Kühlzylinder, eine Leimpresse, drei Doppelwalzen-Kalanderstufen, vier Luftmesser-Beschichtungsstufen und eine Wickelpartie mit insgesamt 72 Antrieben. Das Flächengewicht liegt bei 120–500 g/m², die Maschinengeschwindigkeit bei 600 m/min. Die Gesamtleistung der Frequenzumrichter der Papiermaschinenantriebe (72 Antriebe) beträgt 5490 kW. Daraus ergibt sich eine Standardübertragungsleistung von 31 W pro Tonne Papier. Die geschätzte jährliche installierte Leistung der Frequenzumrichter beträgt somit ca. 90.000 kW. Bei Systemkosten von 1 kW/2000 RMB beläuft sich der Gesamtmarkt für Hauptantriebe von Papiermaschinen auf ca. 180 Mio. RMB. In diesem Markt dominieren internationale Hersteller wie ABB, Siemens, AB, Yaskawa und Mitsubishi den Markt für Frequenzumrichter. Die Gesamtproduktionskapazität aller Papier- und Zellstoffmaschinen in meinem Land liegt derzeit bei ca. 350.000 bis 450.000 Tonnen pro Jahr. Im Jahr 2004 betrug der gesamte Produktionswert der Zellstoff- und Papiermaschinenindustrie 5,69 Milliarden RMB. Der Marktanteil chinesischer Hersteller lag bei unter einem Viertel, der Rest wurde vollständig von ausländischen Papiermaschinenherstellern gehalten. Wir stellten außerdem fest, dass der Anteil von High-End-Papiermaschinen ein Rekordhoch erreichen wird. Die zunehmende Papierbreite und die rasante Geschwindigkeitssteigerung führten zu einem verstärkten Einsatz modernster Vektor- oder DTC-Frequenzumrichter in neu installierten Papiermaschinen. Derzeit gibt es in China praktisch keine vergleichbaren, ausgereiften Frequenzumrichter, sodass die meisten von Importmarken stammen und der Anteil inländischer Marken unter 5 % liegt. Da China zunehmend zur Werkbank der Welt wird, werden in China hergestellte Frequenzumrichter nach und nach auch in High-End-Papiermaschinen internationaler Papiermaschinenhersteller (wie Metso Paper und VOITH Paper) eingesetzt, die bereits über lokale Produktionsstätten verfügen. Aktuell müssen Frequenzumrichter für den Antrieb von Papiermaschinen folgende Eigenschaften gleichzeitig aufweisen: (1) einen großen Drehzahlbereich mit einem Wirkungsgrad von über 90 % über den gesamten Drehzahlbereich; (2) einen Leistungsfaktor von über 0,9; (3) eine Gesamtverzerrung des Eingangsstroms von unter 3 %; (4) die Verwendung hochzuverlässiger und ausgereifter IGBT-Standardbauelemente; (5) die Fähigkeit zur Reduzierung von Oberschwingungen am Ausgang sowie zur effektiven Verringerung von dv/dt-Rauschen und Drehmomentwelligkeit; (6) die Nutzung einer Kommunikationsfunktion zur Realisierung einer seriellen Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung. III. Entwicklungstrends von Frequenzumrichtern in der Papierindustrie: Die Papierherstellung ist ein kontinuierlicher Produktionsprozess. Daher stellt die kontinuierliche und geordnete Steuerung der Produktionslinie einen Engpass dar, der die Qualität und den Ausstoß des fertigen Papiers einschränkt. Die Frequenzumrichterregelung, die derzeit leistungsstärkste verfügbare Steuerungsmethode, hat Einzug in die Papierindustrie gehalten, die ursprünglich von Gleichstrom-Drehzahlregelung (geeignet für große und mittelgroße Papiermaschinen) und Differentialantrieben (geeignet für kleine und mittelgroße Papiermaschinen) dominiert wurde, und hat gute Markterfolge erzielt. Moderne internationale Papiermaschinen entwickeln sich derzeit hin zu hoher Effizienz und geringem Verbrauch – eine Grundvoraussetzung für den Wettbewerb. Viele der aktuell im Einsatz befindlichen Maschinen sind diesbezüglich im Nachteil und müssen technologisch modernisiert werden. Auch die Hersteller von Papiermaschinen müssen aufholen und die Leistung bereits in der Konstruktionsphase verbessern. Als Kernkomponente einer Papiermaschine muss das Getriebe hinsichtlich Maschinengeschwindigkeit und Automatisierung weiterentwickelt werden. Derzeit erreichen einige inländische Papiermaschinen lediglich Geschwindigkeiten von 500–600 m/min, während ausländische Maschinen 1600–1800 m/min und teilweise sogar über 2000 m/min erreichen – ein signifikanter Unterschied. Höhere Geschwindigkeiten führen zu höherer Effizienz. Aktuell werden die meisten inländischen Papiermaschinen manuell gesteuert. Selbst die neuesten inländischen Maschinen sind nicht hochautomatisiert. Im Gegensatz dazu sind große ausländische Papiermaschinen hochautomatisiert. Mit zunehmender Geschwindigkeit und Größe der Papiermaschinen wird die manuelle Steuerung immer schwieriger. Hier konzentrieren wir uns auf drei verschiedene Aspekte, um den Entwicklungstrend der Getriebekonfiguration von Papiermaschinen zu erläutern: digitale Netzwerke, steuerbare Spannung und Drehmoment sowie Direktantriebssysteme. 1. Digitales Getriebesteuerungssystem für Papiermaschinen: Derzeit gibt es im Wesentlichen zwei Arten der Getriebesteuerung in Papiermaschinen: (1) analoge Steuerung; (2) digitale Steuerung. Das analoge Getriebesteuerungssystem ist einfach aufgebaut und leicht zu bedienen. Es erfordert keine hohen technischen Kenntnisse seitens der Anwender. Die Drehzahlgenauigkeit erfüllt die Anforderungen der Anwender und ist stabil und zuverlässig. Es bietet außerdem eine Drehzahlregelung und Feinjustierung, um den Anforderungen des Produktionsprozesses gerecht zu werden. Es kann den Steuerungsmodus flexibel an die sich ändernde Laststruktur anpassen. Es verfügt zudem über eine benutzerfreundliche Anzeigeschnittstelle, über die der Bediener den Betriebszustand der Anlage überwachen kann. Es eignet sich jedoch nur für Papiermaschinen mit niedriger Geschwindigkeit und die integrierte Verwaltung und Steuerung ist nicht einfach zu realisieren. Das digitale Getriebesteuerungssystem findet breite Anwendung in mittelgroßen und großen Hochgeschwindigkeits-Papiermaschinen mit langen Produktionslinien und einer großen Anzahl von Abzweigantrieben. Es nutzt Kommunikationsmethoden für eine volldigitale Systemsteuerung und zeichnet sich durch hohe Störfestigkeit, geringe Signaldämpfung und hohe Auflösung aus, was eine hochpräzise Steuerung ermöglicht. Darüber hinaus erlaubt es eine flexiblere Steuerung, die auf die Anforderungen des Papiermaschinenprozesses und die Lastbedingungen abgestimmt ist. Ob zwei- oder dreistufiges Steuerungssystem – der Einsatz volldigitaler Technologie steigert nicht nur die Papiermaschinengeschwindigkeit deutlich, sondern reduziert auch den Arbeitsaufwand und die Wartungszeiten. Dies führt zu erheblichen Verbesserungen bei Ausbringung und Wirtschaftlichkeit. Volldigitale, verteilte Antriebstechnik ist analoger Steuerungstechnik und Monocoque-Antriebssystemen überlegen. Unter den aktuellen digitalen Antriebsnetzwerken ist PROFIBUS nach wie vor das beliebteste. Der PROFIBUS-DP-Feldbus eignet sich besonders für Anwendungen, die schnelle Reaktionszeiten und geringe Datenmengen erfordern. Er ist ein offenes und standardisiertes Feldbussystem. Der PROFIBUS-DP-Feldbus zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: Datenübertragung über Twisted-Pair- oder Glasfaserkabel; flexibles und modulares Design für Automatisierungssysteme; reduzierte Verdrahtungskosten; bis zu 125 Knoten; maximale Geschwindigkeit von 12 Mbit/s; kurze Reaktionszeit. Übertragungsdistanzen bis zu 23,8 km; vereinfachte Geräteverbindungen durch diverse anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) und Schnittstellenvorlagen. PROFIBUS-DP ist ein vollständig integrierter und automatisierter Systembus, dessen Vorteile als Standard-Feldschnittstelle von weltweit renommierten Herstellern speicherprogrammierbarer Steuerungen (SPS) anerkannt werden. Aus diesen Gründen nutzt auch unser Institut den PROFIBUS-DP-Feldbus umfassend zur elektrischen Steuerung von Papiermaschinen. Zu den wichtigsten in China implementierten digitalen Netzwerkantriebssystemen gehören derzeit das WB-PDD-A-System von Xi'an Baode Automation, das HZ-AC3000-System von Hangzhou Huazhang Electric und das SIED-System zur elektrischen Sekundär- bzw. Tertiärsteuerung von Papiermaschinen des Shanghai Paper Machinery Electrical Control Institute. Das WB-PDD-A-Papiermaschinensteuerungssystem wurde speziell für die 2640/320-Papiermaschine mit niedrigem Flächengewicht entwickelt. Das elektrische Antriebssystem nutzt den internationalen Industriestandard PROFIBUS und verbindet mit einer Kommunikationsrate von 1,5 MHz die moderne Siemens S7-400 SPS, den volldigitalen DC-Frequenzumrichter 6RA24 und die intelligente Bedieneinheit OP37 zu einem lokalen Netzwerk. Dies ermöglicht die Einstellung und Steuerung verschiedener Parameter wie Spannung, Geschwindigkeit und Lastverteilung im Papiersystem. Jedes Antriebsgerät der Papierlinie kann gestartet, gestoppt, im Schritttempo, Tippbetrieb, entspannt und gespannt werden. Die Systemumgebung ist eine chinesische WIN95-Oberfläche, die Anwendungssoftware basiert auf der Siemens WINCC-Konfigurationssoftware. Das System kann Prozessparameter und Fehlerstatus jedes Antriebssteuerpunkts in Echtzeit anzeigen, überwachen, speichern und ausdrucken sowie historische Trenddiagramme erstellen und Prozessparameter online ändern und speichern. Das Papiersystem HZ-AC3000 arbeitet mit einem mikroprozessorgesteuerten Drei-Regelkreis (Geschwindigkeits-, Drehmoment- und Spannungsregelung), der die freie Einstellung von Beschleunigungs-/Verzögerungszeiten und maximalen/minimalen Geschwindigkeitswerten in den Programmeinstellungen ermöglicht. Die Drehzahlregelung im geschlossenen Regelkreis, die Lastverteilungsregelung, die Drehmoment-/Spannungsregelung und die Relaxation bilden eine offene, baumartige Drehzahlregelungskette, die den Kern des gesamten Antriebssteuerungssystems darstellt und in der verschiedene Regelungsmethoden harmonisch zusammengeführt werden. Zur Sicherstellung des Papierlaminierungseffekts wird für die Nassseite eine Drehzahlregelung im geschlossenen Regelkreis für die Siebantriebswalzen eingesetzt; die Lastverteilung erfolgt zwischen den Antriebspunkten desselben Siebs und zwischen sich berührenden Presswalzen. Da das Papier in der Trockenseite bereits unter Spannung steht, ist die Regelung der Trockenseite spannungsorientiert. Die Drehmoment-/Spannungsregelung wird für Antriebspunkte in Bereichen mit spannungsabhängigen Schwankungen eingesetzt, während die Drehzahlregelung im geschlossenen Regelkreis für Antriebspunkte in Bereichen mit konstanter Spannung verwendet wird. Das Steuerungssystem HZ-3000 bietet Systemverriegelungen (Sicherheitsverriegelungen, Prozessverriegelungen, Startverriegelungen, Stoppverriegelungen, Papierrissverriegelungen, Fehlerverriegelungen usw.) und Systemschutz (Phasenfolgeüberwachung, Phasenausfallüberwachung, Unterspannungsüberwachung, Überspannungsüberwachung, Sofort- und Langzeit-Überstromschutz, Alarm und Schutz bei Encoder-Signalausfall, Überfrequenz- und Überdrehzahlalarm und -schutz, Erdschlussalarm, Kommunikationsfehleralarm usw.). Da im Antriebssteuerungssystem der Papiermaschine Kommunikationsnetzwerktechnologie zum Einsatz kommt, können die Daten und Systemverriegelungsinformationen jedes Antriebsabschnitts der Papiermaschine direkt über das Kommunikationsnetzwerk an das Informationsschichtnetzwerk (Ethernet) übertragen werden. Ethernet verwendet das offene Kommunikationsprotokoll Ethernet/IP und ermöglicht so die Datenübertragung an andere Systeme (z. B. MCS, DCS und QCS). Das SIED-Papierherstellungssystem besteht aus drei Komponenten: (1) einem Industrie-PC mit vorinstallierter, fortschrittlicher Industriesteuerungssoftware als Host-System zur Visualisierung von Prozessen, Produktionsabläufen, Maschinen und Anlagen. (1) Die Kommunikation mit der SPS-Masterstation erfolgt über MPI (Multi-Point Interface). (2) Die SPS-Masterstation verfügt über eine moderne, leistungsstarke SPS-Systemkonfiguration und bietet Standardwerkzeuge und -software für Hardwarekonfiguration, Parametrierung, Programmierung, Betrieb und Diagnose. Sie ist über die PROFIBUS-DP-Schnittstelle mit dem Feldnetzwerk PROFIBUS-DP verbunden und kommuniziert mit der HMI (Human-Machine Interface) oder dem Antriebssteuergerät der nächsten Ebene mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 12 Mbit/s. (3) Die HMI oder das Antriebssteuergerät ist über die PROFIBUS-DP-Schnittstelle mit dem Feldnetzwerk PROFIBUS-DP verbunden. Die HMI oder das Antriebssteuergerät erfasst Felddaten, tauscht Daten über das Feldnetzwerk PROFIBUS-DP aus, empfängt Befehle von der SPS-Masterstation und sendet Daten an diese zurück. 2. Regelbare Spannung und Drehmoment In der Papier- und Kartonindustrie ist die Spannungs- und Wickelregelung typischerweise erforderlich, um Papiermaterialien herzustellen, die den Anforderungen entsprechen, beispielsweise in Superkalandern, Aufwicklern, Außenbeschichtungsanlagen und Papierschneidemaschinen. Vektorfrequenzumrichter können die Anforderungen der Papierherstellungsprozesse hinsichtlich Drehmoment- und Spannungsregelung im Wesentlichen erfüllen. Es werden hauptsächlich zwei Verfahren eingesetzt: die Spannungsregelung im geschlossenen Regelkreis und die Spannungsregelung im offenen Regelkreis. Die Spannungsregelung im geschlossenen Regelkreis verwendet ein Spannungserfassungsgerät, um das Spannungssignal und den Spannungssollwert zurückzumelden und so einen geschlossenen PID-Regler zu bilden. Dieser passt dann den Ausgangsbefehl (Drehzahlmodus) bzw. den Drehmomentbefehl (Drehmomentmodus) des Frequenzumrichters an. Diese Lösung eignet sich für hochpräzise Spannungsregelungsanwendungen, wie beispielsweise die Spannungsregelung in Aufwicklern. Für Wickelanwendungen, bei denen keine strengen Anforderungen gestellt werden und die Wirtschaftlichkeit im Vordergrund steht, kann jedoch ein praktischeres Verfahren zur Drehmomentbegrenzung mittels Vektorfrequenzumrichter eingesetzt werden. Dieses Verfahren macht Spannungssensoren und PID-Regler überflüssig und benötigt lediglich einen einfachen Frequenzumrichter und eine SPS-Steuerung. Bei diesem Regelungsverfahren muss die tatsächliche Spannung zwar weiterhin bekannt sein, wird aber durch Erfassung und Berechnung innerhalb des Frequenzumrichters ermittelt. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer Spannungserfassungseinrichtung, was Systemkosten und -komplexität reduziert. Vektorgesteuerte Frequenzumrichter erzielen durch die Entkopplung von Motorflussstrom und Drehmomentstrom ein schnelles Ansprechverhalten des Drehmoments und eine präzise Regelung. Dies ermöglicht eine Drehzahlregelung über einen weiten Bereich mit hoher Regelgenauigkeit. Frequenzumrichter mit Wicklungs- und Abwickelsteuerung werden heutzutage in vielen Antriebssystemen von Papiermaschinen eingesetzt und erfreuen sich aufgrund ihrer einfachen Konfiguration und flexiblen Anwendung zunehmender Beliebtheit. 3. Direktantriebssysteme : ABB liefert seit 100 Jahren Antriebssysteme für Papiermaschinen. Anfänglich wurden Langwellenantriebe verwendet, die jedoch in den 1960er Jahren durch Gleichstrom-Sektionalantriebe ersetzt wurden. 1983 wandte ABB als erstes Unternehmen das Konzept der Wechselstrom-Sektionalantriebe in der Papierindustrie an. Heute sind alle neuen Papiermaschinen und die meisten Modernisierungen von Papiermaschinen mit Wechselstrom-Sektionalantrieben ausgestattet. Um die Zuverlässigkeit weiter zu verbessern und die Zykluskosten zu senken, begann ABB Mitte der 1990er Jahre mit der Entwicklung eines neuen Antriebssystems für Papiermaschinen. Ziel ist es, ein hohes Drehmoment direkt an den Antrieb der Papiermaschine zu übertragen und so in den meisten Fällen auf eine mechanische Verbindung zwischen Antriebsmotor und Papiermaschine (z. B. Getriebe) zu verzichten. Das erste Beispiel dieser neuen Generation von Papiermaschinenantrieben wurde Mitte 1999 in einer Papiermaschine in Finnland implementiert und ist seitdem erfolgreich im Einsatz. Dieser Antrieb liefert 90 kW bei 234 U/min. ABB ersetzt das herkömmliche mechanische Getriebe im Wesentlichen durch ein „virtuelles digitales Getriebe“. Im Direktantriebssystem ist der Motor über einen herkömmlichen Niedrigdrehzahl-Anschluss direkt mit der Papiermaschine verbunden. Es handelt sich um einen Synchronmotor mit Permanentmagneten. ABB bietet eine Reihe von Motoren speziell für Papiermaschinen an. Der Antriebsschrank besteht typischerweise aus den Frequenzumrichtern ACS600/800 von ABB. Die Hardware des Frequenzumrichters entspricht der von herkömmlichen AC-Asynchronantrieben und kann sowohl luft- als auch wassergekühlt werden. Die Software ist speziell für Permanentmagnetmotoren ausgelegt. Synchronmotoren ermöglichen den Betrieb der Papiermaschine ohne Encoder. Das Steuerungssystem, die Anwendungssoftware und die Mensch-Maschine-Schnittstelle des Antriebs sind mit den ABB-Lösungen für Papiermaschinen kompatibel. Daher kann der Direktantrieb parallel zu anderen ABB-Antriebslösungen betrieben werden, und die ACS600/800 kann ohne Austausch auf das neue Direktantriebssystem aufgerüstet werden. Mit der Weiterentwicklung der Direktantriebstechnologie steht nun ein einfacheres Antriebssystem für Papiermaschinen zur Verfügung. In typischen Papiermaschinenantrieben arbeiten Getriebemotoren mit Drehzahlen zwischen 1500 und 1800 U/min. Die passende Betriebsdrehzahl der Papiermaschine lässt sich dann durch die Wahl des entsprechenden Übersetzungsverhältnisses erreichen. Beim Direktantrieb liegt die Nenndrehzahl des Motors jedoch typischerweise zwischen 300 und 600 U/min. Der Einsatz eines herkömmlichen Asynchronmotors bei diesen Drehzahlen würde mindestens die doppelte Stromstärke erfordern. Dies ist weder praktikabel noch effizient, was ein Grund für die Entwicklung neuer Motoren ist. Im neuen Permanentmagnetmotor ersetzen Permanentmagnete die Kurzschlussläufer des Asynchronmotors. Die neue Rotorkonstruktion berücksichtigt die Reduzierung von Drehmomentresonanzen, um die für den Papiermaschinenbetrieb erforderlichen gleichmäßigen Drehmomentcharakteristiken zu gewährleisten. Da der Rotor nahezu energieeffizient ist, kann der Motor mit einem höheren Leistungsbereich und höheren Statorverlusten ausgelegt werden. Da der Rotor ein Permanentmagnet ist, wird der Statorstrom nicht mehr zur Erregung des Rotors benötigt, wodurch ein effizienteres Drehmoment erzeugt wird. Die fast ausschließlich vom Stator verursachten Verluste ermöglichen bei Verwendung von Wasserkühlung eine höhere Laststabilität. Anwender profitieren vom Direktantrieb. Die wichtigsten Vorteile des Direktantriebs sind: (1) Weniger mechanische Getriebeteile reduzieren die Konstruktions- und Installationskosten. (2) Der direkte Einsatz von Synchronmotoren reduziert Drehmomentpulsationen und erhöht die Betriebssicherheit der Papiermaschine. (3) Weniger mechanische Getriebeteile und der Wegfall von Encodern erhöhen die Zuverlässigkeit der Papiermaschine. (4) Weniger Bauteile vereinfachen das System und senken die Wartungskosten erheblich. (5) Geringere Energieverluste. Vor einigen Jahren kooperierte ABB bereits mit dem Beratungsunternehmen RSO, um die Energieeinsparung durch den Austausch herkömmlicher Getriebeantriebe gegen Direktantriebe zu untersuchen. Im Folgenden wird der Hauptteil dieser Forschung erläutert. Das Forschungsprojekt konzentriert sich auf eine moderne Papiermaschine mit hoher Kapazität. Die Einsparungen bei den Betriebskosten werden aus Anwendersicht betrachtet. Diese umfassen Getriebe, Kupplungen, Zubehör und Ersatzteile sowie Getriebezubehörsysteme. Investitionen in Gebäudestrukturen und zugehörige Bauarbeiten müssen ebenfalls in die Berechnung einbezogen werden. Die Kosten für den Betreiber lassen sich in Betriebskosten, Wartungskosten und sonstige Nebenkosten unterteilen. Direktantriebe eliminieren das Getriebe, wodurch die geringere Größe Platz in der Anlage und das Fundament des Antriebssystems spart. Die Auswirkungen auf die Papiermaschine reduzieren zudem die Planungskosten für diesen Bereich. Nach der Modifizierung des Getriebeantriebs steht mehr Platz für neue Komponenten zur Verfügung. Faktoren, die die Papiermaschine beeinflussen, sind die Platzierung der Bodenausrüstung, die Konfiguration des Elektrikraums und anderer elektrischer Anlagen sowie die täglichen Inspektionswege für das Wartungspersonal und die Belüftung für die Abluftventilatoren. Zu den indirekten Vorteilen gehört auch ein größerer Arbeitsbereich. Forschungsergebnisse zeigen, dass bei einer Papiermaschine gleicher Größe etwa 20 % der Gesamtkosteneinsparungen auf die erzielten Einsparungen und 80 % auf die Kostensenkung für den Nutzer zurückzuführen sind. IV. Perspektiven für die Nachrüstung von Papiermaschinen mit Frequenzumrichtern in der Papierindustrie: Neben der Fokussierung auf die Kapazität neuer Papiermaschinen muss auch die Nachrüstung bestehender Papiermaschinen berücksichtigt werden. Laut einschlägigen Statistiken verfügt mein Land über eine Produktionskapazität von über 37,8 Millionen Tonnen, jedoch weisen weniger als ein Drittel dieser Maschinen eine Einzelkapazität von über 50.000 Tonnen auf, und weniger als ein Drittel der Kartonmaschinen erreicht eine Produktionskapazität von über 100.000 Tonnen. Mehr als zwei Drittel der Produktionskapazität erfordern erhebliche Investitionen für eine Modernisierung. Mindestens ein Drittel dieser Papiermaschinen benötigt einen teilweisen oder vollständigen Austausch der ursprünglichen Antriebssysteme (einschließlich mechanischer Getriebe und Motorantriebe), um die Drehzahl zu erhöhen oder den Energieverbrauch zu senken. Es ist erwiesen, dass Papierherstellungsbetriebe einen hohen Energieverbrauch aufweisen. Statistiken der letzten Jahre zeigen, dass jede Tonne Papier über 500 kWh Strom verbraucht, was auf ein gravierendes Problem mit dem Energieverbrauch hinweist. In den nächsten fünf Jahren müssen rund 400.000 bis 600.000 kW an Zellstoff- und Papieranlagen modernisiert werden. Bei Kosten von 1.500 RMB pro kW modernisiertem System ergibt sich daraus ein Marktvolumen von ca. 600 bis 900 Millionen RMB für Frequenzumrichter. Da diese Modernisierungen lokale Produktionsprojekte umfassen, wird eine beträchtliche Anzahl inländischer Frequenzumrichter zum Einsatz kommen. Dies wird ein wettbewerbsintensives Umfeld für inländische Frequenzumrichterhersteller mit enormem Marktpotenzial schaffen, dem besondere Aufmerksamkeit zukommt. 1. Frequenzumrichter-Nachrüstung von Papiermaschinenantrieben: Die Papierherstellung ist ein kontinuierlicher Produktionsprozess. Daher ist die kontinuierliche und geordnete Steuerung der Produktionslinie zu einem Engpass geworden, der die Qualität und den Ausstoß des fertigen Papiers einschränkt. Gleichstrom-Drehzahlregelungssysteme haben in der Entwicklung von Papiermaschinen eine wichtige Rolle gespielt. Aufgrund der Wartungsschwierigkeiten und der geringen Umweltbeständigkeit von Gleichstrommotoren ergeben sich folgende Hauptprobleme: 1. Starker Kommutatorverschleiß und -ausfall führen zu langen Stillstandszeiten; 2. Die aufwendige und schwierige Wartung von Gleichstrommotoren verursacht hohe Reparaturkosten; 3. Anfälligkeit des Tachogenerators für Verschleiß, was die Präzision des Antriebssystems beeinträchtigt; 4. Komplexe Gleichstrom-Drehzahlregelungssysteme sind schwer zu debuggen und die korrekte Einstellung der Maschine ist für Techniker generell schwierig. Bisher verwendeten Papiermaschinen in China für ihre Antriebstechnik SCR-Gleichstrom-Drehzahlregelung. Aufgrund der Schleifringe und Kohlebürsten führte dies zu geringer Zuverlässigkeit und Präzision und somit zu veralteter Papiermaschinentechnologie mit einer maximalen Geschwindigkeit von nur etwa 200 m/min, was weit entfernt ist von den 1000 m/min schnellen Hochgeschwindigkeits-Papiermaschinen im Ausland. Die Nachrüstung von Papiermaschinenantrieben mit Frequenzumrichtern bietet sehr gute Vorteile, wie z. B. die Verbesserung der Papierqualität, die Steigerung der Produktionskapazität, die Reduzierung des Energieverbrauchs und die Verlängerung der Wartungsintervalle. Um den sich ändernden Anforderungen der Papiereigenschaften während des Produktionsprozesses gerecht zu werden, ermöglicht der Frequenzumrichter der Papiermaschine die Anpassung der Maschinendrehzahl innerhalb eines bestimmten Bereichs und die unabhängige Drehzahlregelung der einzelnen Komponenten. 2. Frequenzumrichter für Hilfseinrichtungen in der Papierherstellung: Zu den Hilfseinrichtungen der Papiermaschine gehören unter anderem: Faserstoffzufuhr, Weißwassersystem, Vakuumsystem, Druckluftsystem, Chemikalienaufbereitungs- und -fördersystem, Wasserversorgungssystem und Dampfsystem. Um einen kontinuierlichen und gleichmäßigen Betrieb der Papiermaschine zu gewährleisten, sollte die Kapazität der Hilfseinrichtungen die maximale Produktionskapazität der Papiermaschine um 15–30 % übersteigen. Diese Anwendung hat bisher zu wenig Beachtung gefunden, stellt aber gleichzeitig das effektivste Mittel zur Steigerung des Marktanteils von Frequenzumrichtern dar. A. Frequenzumrichteranwendung im Faserstoffzufuhrsystem: Das Faserstoffzufuhrsystem muss folgende Bedingungen erfüllen: (1) Die der Papiermaschine zugeführte Faser muss stabil sein, die Abweichung darf ±5 % nicht überschreiten; (2) Faseranteil und -konzentration müssen stabil und gleichmäßig sein. (3) Eine bestimmte Menge Zellstoff wird gespeichert, um die Zellstoffzufuhr an die Geschwindigkeit und die Art der Papiermaschine anzupassen. (4) Der Zellstoff wird gereinigt und sortiert. (5) Altpapier aus verschiedenen Bereichen der Papiermaschine wird aufbereitet. Typischerweise besteht ein Zellstoffzufuhrsystem aus Zellstoffpumpen und Spülpumpen in der Zuleitung sowie Drucksieben und Entkalkungsanlagen in den Reinigungsanlagen. Um die fünf genannten Ziele zu erreichen, ist es entscheidend, den Betrieb der Zellstoffpumpen und Spülpumpen von Dauerlauf auf drehzahlgeregelten Frequenzbetrieb umzustellen, um die Anforderungen an die Automatisierung der Zellstoffzufuhr zu erfüllen. B. Anwendung von Druckluftsystemen mit variabler Frequenz Druckluft wird häufig in pneumatischen Druckbeaufschlagungs- und Hebevorrichtungen in den Sieb- und Pressenpartien von Papiermaschinen, in Siebausrichtvorrichtungen, Stoffauflaufkästen, Papierzuführungen, Beschichtungsdüsen und verschiedenen pneumatischen Instrumenten und Regelgeräten eingesetzt. Die Hauptkomponenten eines Druckluftsystems sind Luftkompressoren, Druckluftbehälter, Druckminderer, Luftfilter, Luft-Wasser-Abscheider und Sicherheitsventile. Der für eine Papiermaschine benötigte Druck liegt typischerweise bei 5–6 bar. In den meisten Papierfabriken arbeiten zwei oder mehr Luftkompressoren parallel, und der Druck wird über Druckluftbehälter konstant gehalten. Da die Kompressoren eine hohe Leistung haben und der Regeldruck üblicherweise durch Be- und Entladen angepasst wird, laufen die Motoren stets mit voller Drehzahl. Die Praxis zeigt, dass diese Regelungsmethode sehr energieintensiv ist. Daher geht der Trend aktuell dahin, einen Frequenzumrichter (FU) und mehrere Festfrequenzumrichter (FFU) zur Steuerung der Kompressoreinheit und zur Bildung eines geschlossenen Druckregelkreises einzusetzen. C. FU-Anwendungen in der Chemikalienaufbereitung und Fördertechnik: Da beim Deinking, Aufschluss, Beschichten und Leimen große Mengen an Chemikalien verwendet werden und die eingesetzte Menge direkt proportional zur Drehzahl der Antriebe an der Papiermaschine ist, muss die Chemikalienförderanlage (z. B. Pumpen) ein stufenloses AC-Drehzahlregelungssystem (CVT) nutzen, wobei FU die bevorzugte Wahl darstellen. This is mainly because the power of these chemical pumps is relatively small, generally between 0.4KW and 5.5KW, and VFDs in this power range offer the best performance-price ratio. Electromagnetic speed-regulating and continuously variable gear pumps, which were widely used many years ago, are now facing obsolescence. According to the latest market statistics, the lowest power VFDs from mid-range brands have fallen below 1000 yuan. Chemical preparation requires a large number of grinding equipment, such as ball mills, colloid mills, sand mills, and high-shear dispersion mixers. Their main characteristics are high power, high energy consumption, and harsh operating environments. Currently, some manufacturers have achieved good results using VFDs in their grinding equipment. Taking a sand mill as an example, its working principle is that the coating material to be ground is fed into the cylinder by a feed pump. Under the drive of a high-speed rotating dispersing disc, it is strongly impacted and ground by the grinding media, thus being dispersed and mixed into the solvent to produce qualified coating material, which is then filtered out through a top screen. The main motor of this equipment is 200KW. Before the use of a frequency converter, it is usually necessary to repeatedly (more than three times) in a jogging manner during the initial startup to ensure that the coating material and grinding media are mixed evenly. Different process speeds are sometimes required for different coating materials, but in reality, it can only run at full speed. It is impossible to control the feed rate to ensure that the main motor is not overloaded; the energy consumption is very serious. Using a 200KW frequency converter effectively solves the above problems. It allows for easy setting of jogging speed and slow running time, ensuring the most uniform mixing of coating and media; it enables online stepless speed regulation, allowing different grinding speeds for different grades; the feed rate can be controlled simply by the actual operating current of the motor, and it features overload pre-alarm and trip-free functions; energy savings are generally over 20%; it reduces gearbox losses and avoids the impact of power frequency startup on the gearbox; and because the current is smooth during startup, it avoids impact on the power grid, improving the safe operation of the power grid. Currently, small-scale applications are already being used in paper mills in Shandong, Heilongjiang, and Hainan. D. Frequency Conversion Applications in Ventilation Systems In the drying section, all the water vapor evaporated from the paper sheets is absorbed by the air and must be continuously removed from the paper mill through forced ventilation. The quality of ventilation in the drying section directly affects the evaporation rate of moisture in the paper sheets and the economy of the entire drying process; good ventilation reduces the steam saturation in the air, thereby reducing the consumption of steam in the drying cylinder and increasing the drying speed. The amount of air required to remove water evaporated from the drying section depends on the temperature and humidity of the incoming and outgoing air, as well as the ventilation system used, climate conditions, and season. Modern paper machines typically employ forced air circulation for high efficiency. Intake blowers deliver dry air heated to approximately 80 degrees Celsius into the lower layer of the drying section, where it adsorbs hot steam between the drying cylinders, creating an upward airflow. The hot, humid air collected in the exhaust hood is then extracted outdoors by exhaust fans (and finally, waste heat is recovered). In high-speed paper machines, due to the increased number of drying cylinders, blowers and exhaust fans are usually divided into several sections. With frequency converters, the intake (blower speed) and exhaust (exhaust fan speed) volumes can be adjusted in real-time according to expert calculation formulas, eliminating the need for traditional damper controls, further reducing energy consumption, fan noise, and extending machine life. E. Variable Frequency Drive (VFD) Applications in Water Systems Paper machines are major water consumers, including white water systems, wastewater systems, sealing water systems, spray systems, and clean water systems. These typically require constant pressure water supply from a pipe network, but traditional pressure control relies on bypasses and regulating valves, rarely utilizing VFDs. However, due to the widespread water scarcity in China, the application of VFDs can save 10% of water and 30% of energy, inevitably reducing the daily operating costs of paper mills. VFDs are typically used in water systems in two modes: fixed VFD mode and cyclic VFD mode. Fixed VFD mode: The VFD outputs a fixed signal to control one pump, while the remaining pumps are directly powered by the mains grid. Their start/stop signals are controlled by a PLC. Cyclic VFD mode: The VFD drives the pumps in a specific sequence. The VFD can automatically determine the number of pumps operating (within a set range) based on pressure closed-loop control requirements, ensuring that only one pump is driven by the VFD at any given time. When a pump driven by a frequency converter reaches its set upper frequency limit and an additional pump is needed, the frequency converter switches that pump to mains frequency operation while simultaneously driving another pump to operate at a frequency converter. 3. Frequency Conversion Retrofitting of Supporting Facilities in the Paper Industry It is also necessary to mention the frequency conversion retrofitting of supporting facilities in the paper industry, such as thermal power plants and wastewater treatment plants. The air volume changes constantly according to the steam demand of the workshop, and air volume adjustment is achieved by adjusting dampers. This method of air volume adjustment not only reduces the efficiency of the fans but also wastes a lot of electrical energy on the dampers, which is a great waste. Furthermore, the boiler control room is generally far from the blowers and induced draft fans, making operation very inconvenient and difficult to adjust properly. If a frequency converter is used for closed-loop stepless speed regulation, the air volume of the blowers and induced draft fans can be automatically adjusted according to the changes in the steam demand of the workshop, ensuring that the boiler combustion is in an optimal state, minimizing coal or oil consumption, and achieving ideal energy-saving effects. Wastewater treatment equipment generally includes the following aspects: (1) Biochemical treatment series: microporous aeration system, etc.; (2) Sludge treatment series: dosing system, thickener, belt filter press thickener, plate and frame filter press, horizontal spiral centrifuge, etc.; (3) Disinfection treatment series: chlorinator, ultraviolet wastewater processor, rack-type ultraviolet sterilizer, etc.; (4) Sludge removal equipment series: sludge scraper, sand suction machine, etc. From the perspective of practical application, basically every treatment method requires the use of frequency converter or has a significant improvement effect after the application of frequency converter. VI. Conclusion With the optimization of China's paper industry structure and the huge market demand during the rapid growth period, the pulp and paper equipment industry will continue to grow at a high speed and show leapfrog technological progress in the future. As the core component of equipment transmission, frequency converter will also usher in a new spring.