Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Anwendung, die Prozessanforderungen, die Regelungsmethoden, die damit verbundenen Herausforderungen, die Implementierungsmethoden und die Fehlersuche an Schneidemaschinen. Der Fokus liegt auf der Spannungsregelung mittels Delta-V-Frequenzumrichtern. Die Schritte, Prozesse und Parametereinstellungen für die Fehlersuche bei der Drehmomentregelung mit V-Frequenzumrichtern werden ebenfalls erläutert. Schlüsselwörter: Delta Electromechanical, Schneidemaschine, Spannungsregelung, Frequenzumrichter. 1 Einleitung: Produktionsanlagen für Klebebänder und Schutzfolien umfassen hauptsächlich Maschinen zum Kleben, Mehrlagenlaminieren, Schneiden, Aufwickeln, Stanzen und Zuschneiden von verschiedenen selbstklebenden und nicht selbstklebenden Papier-, Textil-, Leder- und Kunststoffprodukten. Schneidemaschinen dienen dabei dem Kantenschneiden und Schneiden von Materialien je nach Produktionsbedarf. Die Schneidemaschine (Abbildung 1) wird hauptsächlich zum Schneiden breiter Rollen in schmale Rollen verwendet. Der Schneidevorgang umfasst zwei Schritte: Abwickeln und Aufwickeln. Die Spannungsregelung beim Ab- und Aufwickeln ist ein zentraler Automatisierungsschritt in Schneidemaschinen. Kern dieser Lösung ist der Einsatz eines Frequenzumrichters zur Drehmomentregelung beim Auf- und Abwickeln basierend auf dem bestehenden elektrischen Steuerungssystem. Dies führt zu einer verbesserten Maschinenleistung, erhöhter Stabilität im Hochgeschwindigkeitsbetrieb und verbessert Bedienkomfort, Sicherheit, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Arbeitserleichterung. 2. Systemanalyse: Der Auf- und Abwickelprozess erfordert eine konstante Spannungsregelung. Die Spannung wird über einen Spannungsregler eingestellt. Dieser berechnet den Rollendurchmesser anhand der Wickelgeschwindigkeit. Das Lastdrehmoment berechnet sich nach der Formel F * D / 2 (F ist die Sollspannung, D der aktuelle Rollendurchmesser). Sobald die Spannung eingestellt ist, kann das Lastdrehmoment berechnet werden, da der aktuelle Rollendurchmesser bekannt ist. Der Spannungsregler gibt ein Standard-Analogsignal von 0–10 V aus, das dem Nenndrehmoment des Asynchronmotors entspricht. Dieses Signal wird an den Frequenzumrichter angesteuert, um den Drehmoment-Sollwert zu wählen. Dadurch wird eine konstante Spannung während des gesamten Wickelvorgangs gewährleistet. Im Drehmomentmodus des Frequenzumrichters ist die Drehzahl begrenzt. Im Spannungsregelungsmodus müssen Drehzahlbegrenzungen für alle Motortypen, einschließlich Gleichstrom-, Wechselstrom- und Servomotoren, festgelegt werden. Andernfalls, wenn das Motordrehmoment das Lastdrehmoment übersteigt, kommt es zu einer Rotationsbeschleunigung, die einen kontinuierlichen Drehzahlanstieg bis zum Erreichen der Maximaldrehzahl zur Folge hat – ein Phänomen, das als „Durchgehen“ bekannt ist. Wie in Abbildung 2 dargestellt, werden die Wickel- und Abwickelgeschwindigkeiten durch den Analogausgang (AFM) des Spindelumrichters der Serie B begrenzt. Konkret ist Parameter 3-05 (Auswahl des Analogsignalausgangs) am Spindelumrichter der Serie B auf 03 (Frequenzvorgabe) eingestellt, wie in Abbildung 3 gezeigt. Dieses Signal wird dann als Sollwert- und Obergrenzensignal für die Frequenz an die Analogeingänge des Wickel- und Abwickelumrichters angeschlossen. Die Spannungsregelung bei Stillstand erfordert, dass die Motorausgangswelle bei einem Wickel- und Abwickelvorgang von 0 Hz eine bestimmte einstellbare Spannung aufweist. Diese Anforderung dient primär dazu, ein Lockern der Wicklung beim Stoppen und Neustarten des Wickel-/Abwickelvorgangs zu verhindern. In diesem Steuerungssystem kann diese Anforderung durch Anpassen der Anfangsspannungseinstellung am Spannungsregler erfüllt werden. 2.1 Prinzip der Konstantspannungsregelung für Schneidemaschinen 1. Prinzip der Konstantspannungsregelung Die Konstantspannungsregelung während des Wickel- und Abwickelvorgangs beruht auf der Kenntnis der Änderung des Rollendurchmessers während des Betriebs. Aufgrund dieser Änderung muss das Ausgangsdrehmoment des Motors entsprechend angepasst werden, um den Betrieb der Last aufrechtzuerhalten. Frequenzumrichter der V-Serie ermöglichen durch ihre Drehmomentregelung eine Konstantspannungsregelung während des Wickelvorgangs. Der Frequenzumrichter der V-Serie verfügt über drei analoge Eingänge: AUI, AVI und ACI. Diese drei analogen Eingänge können für verschiedene Funktionen definiert werden; so kann beispielsweise einer als Drehmoment-Sollwert und ein weiterer als Drehzahlbegrenzung ausgewählt werden. Der Bereich von 0–10 V entspricht dem Ausgangssignal des Frequenzumrichters von 0 V bis zum Nenndrehmoment des Motors. Durch Anpassen der Spannung von 0–10 V kann somit eine Konstantspannungsregelung erreicht werden. Bei der Schneidemaschine erfolgt die Berechnung des Rollendurchmessers durch den Spannungsregler. Selbstverständlich ist die Umsetzung mit einer SPS-Architektur ebenfalls möglich. Die Spannung kann über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle oder ein Textdisplay eingestellt und der Walzendurchmesser von der SPS berechnet werden: T = F * D / 2. Daraus lässt sich das erforderliche Motordrehmoment berechnen und über den Analogausgang mit dem Drehmoment-Sollwert des V-Serien-Frequenzumrichters verbinden. 2. Berechnung der Synchrondrehzahl: Da bekannt ist, dass bei niedrigen Frequenzen des Frequenzumrichters die Eigenschaften des AC-Asynchronmotors ungünstig sind (geringes Ansprechdrehmoment und Nichtlinearität), darf der Wickelmotor während des gesamten Wickelvorgangs nicht unter 2 Hz laufen. Daher gilt eine Mindestdrehzahlbegrenzung für den Wickelmotor. Bei einem vierpoligen Motor berechnet sich die Synchrondrehzahl wie folgt: n1 = 60f1/p => n1 = 1500 U/min 2 Hz/50 Hz = N/1500> n = 60 U/min (f1 – Nennfrequenz, p – Polpaarzahl, n1 – Synchrondrehzahl). 3. Drehzahlbegrenzter Betrieb: Sobald der maximale Wicklungsdurchmesser erreicht ist, berechnet sich die minimale Drehzahl während des gesamten Wickelvorgangs wie folgt: V = π * D * n/i> Vmin = 3,14 * 1,2 * 60/9 = 25,12 m/min. Bei der Spannungsregelung muss die Drehzahl begrenzt werden, um ein unkontrolliertes Durchgehen zu verhindern. Daher ist ein drehzahlbegrenzter Betrieb erforderlich. 4. Berechnung von Spannung und Drehmoment: Wenn F * D / 2 = T / i (F – Spannung, D – Wicklungsdurchmesser, T – Drehmoment, i – Untersetzungsverhältnis), dann ist F = 2 * T * i / D. Für einen 3,7-kW-Wechselstrommotor berechnet sich das Nenndrehmoment wie folgt: T = 9550 * P / n = 24,88 Nm. Daher ist F_max = 2 * 24,88 * 9 / 0,6 = 74,64 N (T – Nenndrehmoment des Motors, P – Nennleistung des Motors, n – Nenndrehzahl des Motors). 3. Debugging-Prozess und Parametereinstellung 3.1 Selbstoptimierung der Motorparameter im V-Serien-Frequenzumrichter 1. Alle Treiberparameter auf Werkseinstellungen zurücksetzen. 2. Die Motorwelle von der Last trennen. 3. Die Werte für die Motornennspannung (Parameter 01-02) und die Motornennfrequenz (Parameter 01-01) korrekt eingeben. 4. Stellen Sie Parameter 05-00 auf 1 und drücken Sie anschließend den Tastendruck „RUN“. Die automatische Motorabstimmung wird sofort ausgeführt. Die Ausführungszeit beträgt ca. 2 Minuten (je höher die Leistung, desto länger sollten die Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten eingestellt werden). 5. Überprüfen Sie nach der Ausführung, ob die Parameter 05-02, 05-06 bis 05-09, 05-12 und 05-16 bis 05-19 automatisch mit den Messdaten befüllt wurden. Falls nicht, stellen Sie Parameter 05-00 erneut ein und führen Sie den Vorgang erneut aus. 3.2 Geschlossener Vektor-Testlauf des Frequenzumrichters der V-Serie: Stellen Sie den Betriebsmodus auf „Panel Start“ und den Frequenzeinstellungsmodus auf „Panel Setting“. Stellen Sie den Betriebsmodus auf „V/F+PG“ und die Frequenz auf 10 Hz ein. Starten Sie den Frequenzumrichter und beobachten Sie, ob er einen PG-Alarm ausgibt. Wird ein PG-Alarm gemeldet, stellen Sie 10-01 auf 1 (ursprünglich 0, ansonsten auf 0 setzen), schalten Sie das Gerät aus und wieder ein. Drücken Sie erneut die Starttaste, um sicherzustellen, dass der Frequenzumrichter keinen Alarm mehr ausgibt, und gleichzeitig die Modustaste, um die Anzeige auf die Betriebsfrequenz umzuschalten. Beobachten Sie, ob die Betriebsfrequenz um 10 Hz schwankt, um sicherzustellen, dass die Fehlersuche im geschlossenen Vektorbetrieb abgeschlossen ist. 3.3 Drehmomentregelungsparameter des Frequenzumrichters der V-Serie 1. Parametereinstellung der Hauptwelle VFD037B43A. 01-00——————————-50 Maximale Betriebsfrequenz 01-01——————————-50 Maximale Spannungsfrequenz 02-00——————————-1 Erste Frequenzquelle (AVI) 02-01——————————-1 Erste Betriebsbefehlsquelle (externer Klemmenstart) 03-05——————————-3 Frequenzbefehlsausgang 2 Rücklauf-/Ablaufparametereinstellung VFD037V43A. 00-04——————————40 Obere Grenzfrequenz beachten 00-20——————————2 Frequenzvorgabe (externer Analogeingang) 00-21——————————1 Betriebsvorgabe (externer Terminalstart) 01-00——————————50 Maximale Betriebsfrequenz 01-01——————————50 Maximale Spannungsfrequenz 00-12——————————1 Erste Beschleunigungszeit 00-13——————————1 Erste Verzögerungszeit 03-00——————————4 Obere Grenzfrequenz des Analogeingangs (AVI) 03-02——————————1 Drehmomenteinstellung 03-09——————————110 Verstärkung des Analogeingangs (AVI) 03-11——————————200 Analoge Eingangsverstärkung (AUI) 10-00——————————1024 Encoder-Eingänge 10-01——————————1 Encoder-Richtung 4 Fazit: Bei der Verwendung von Frequenzumrichtern der V-Serie zur Spannungsregelung ist es entscheidend, den Spannungsbereich zu berücksichtigen, dem das geregelte Medium standhält. Der Spannungsregelungsbereich darf nicht zu klein sein. Im Allgemeinen ist ein Spannungsbereich von mehreren hundert Newton oder sogar mehr für die Kundenanforderungen ausreichend, wenn ein Frequenzumrichter zur Spannungsregelung eingesetzt wird. Ist der Spannungsbereich zu klein, ist die Spannungsregelung mit einem Frequenzumrichter nicht durchführbar. Dies liegt daran, dass die Leistung von Frequenzumrichtern der V-Serie bei niedrigem Drehmoment und geringer Last nicht optimal ist; wenn das Drehmoment auf einen sehr kleinen Wert eingestellt wird, läuft der Motor nicht sehr ruhig. Daher ist es in solchen Anwendungen unerlässlich, die Kundenanforderungen genau zu verstehen, um deren Nichterfüllung zu vermeiden.