VFD Nachrüstungsfallstudie: Plastikfolienblasmaschine

Ein mittelständischer Kunststofffolienhersteller betreibt mehrere PE-Blasfolien-Extrusionsanlagen zur Herstellung von Agrarfolien und industriellen Verpackungsfolien. Die Produktionsanlage besteht aus einem Extruder, einem Düsenkopf, einem Luftringkühlsystem, Abzugswalzen und einer Wickeleinheit.

Das ursprüngliche System stützte sich auf Asynchronmotoren mit fester Drehzahl und mechanische Getriebe zur Auswahl der Abzugsgeschwindigkeit sowie auf manuelle Ventile zur Einstellung des Luftstroms im Luftring. Obwohl funktionsfähig, stellte diese Konfiguration wachsende Herausforderungen dar, als die Produktionsmengen stiegen und die Qualitätsstandards für Folien strenger wurden.

Motoren liefen mit voller Nennleistung, unabhängig vom tatsächlichen Prozessbedarf. Während bestimmter Produktionsphasen liefen der Extruder und das Kühlsystem schneller als nötig, wobei überschüssige Energie durch mechanische Bremsen und Drosselventile abgeführt wurde.

Die Einstellung der Abzugsgeschwindigkeit war auf diskrete Übersetzungsverhältnisse beschränkt, was eine Feinabstimmung des Ziehverhältnisses für eine optimale Folienuniformität erschwerte. Die manuelle Einstellung des Luftrings führte zu Verzögerungen bei der Reaktion, was zu periodischen Stärkenvariationen führte – besonders problematisch für dünne Folien.

Der Direktstart der Motoren erzeugte hohe Einschaltströme und mechanische Stoßbelastungen. Häufige Gangwechsel und der kontinuierliche Betrieb mit voller Drehzahl beschleunigten den Verschleiß von Getrieben, Lagern und Riemen, was den Wartungsaufwand und ungeplante Ausfallzeiten erhöhte.

Das Werk wählte die AnyHz FST-650 Serie VFD für eine schrittweise Nachrüstung von zwei Produktionslinien. Der FST-650 bietet sensorlose Vektorregelung mit stabilem Drehmomentausgang bei niedriger Frequenz – gut geeignet für die Konstantdrehmomentcharakteristik von Extruderanwendungen. Eingebaute Mehrgeschwindigkeits- und einfache SPS-Funktionen ermöglichten eine einfache Integration in die bestehende Steuerungsarchitektur, ohne dass ein Motoraustausch erforderlich war.

Die Nachrüstung wurde während geplanter Produktionsausfallzeiten über einen Zeitraum von zwei Tagen pro Linie durchgeführt.

Phase 1 – Elektroinstallation Die vorhandenen Schütze und die teilweise mechanische Drehzahlregelungs-Hardware wurden entfernt. FST-650-Umrichter wurden im bestehenden Schaltschrank installiert, wobei der Hauptstromkreis die ursprünglichen Leistungsschalter und thermischen Überlastrelais als Backup-Schutz beibehielt. Analogsignale von Temperatur- und Drucksensoren wurden an die Steuertklemmen des Frequenzumrichters verdrahtet, um eine geschlossene Drehzahlregelung zu ermöglichen.

Phase 2 – Parametrierung Basisschwingungskurven wurden gemäß dem Schmelzindex des PE-Harzes und den Ziel-Folien-Spezifikationen erstellt. Beschleunigungsrampen und Drehmomentkompensationseinstellungen wurden über das Bedienfeld optimiert. Der Abzugs-Frequenzumrichter wurde mit dem Extruder-Antrieb synchronisiert, um sicherzustellen, dass das Ziehverhältnis im Bereich von 1:3 bis 1:10 stufenlos eingestellt werden konnte. Der Luftring-Ventilator-Frequenzumrichter wurde mit einem Infrarot-Dickenmessgerät-Feedbacksignal verbunden, was eine automatische Luftstromregelung als Reaktion auf Dickenabweichungen ermöglichte.

Phase 3 – Testproduktion & OptimierungLastfreie Überprüfung bestätigte die korrekte Motorrichtung und den Drehzahlbereich. Kleinserien-Testläufe wurden durchgeführt, wobei die Dickendaten vor und nach der Nachrüstung verglichen wurden. PID-Parameter wurden schrittweise abgestimmt, bis die Dickentoleranz die Produktionsziele erreichte.

Nach drei Monaten stabilem Betrieb wurden folgende Ergebnisse erzielt:

Ein Vergleich der Unterzähler zeigte eine Reduzierung des monatlichen Stromverbrauchs pro Linie um 28 % bis 36 %. Die Einsparungen ergaben sich aus drei Quellen: Reduzierung der Extrudergeschwindigkeit zur Anpassung an den tatsächlichen Bedarf, Eliminierung von Drosselverlusten im Kühlsystem und Sanftanlaufbetrieb, der den Einschaltstrom reduziert. Basierend auf den lokalen industriellen Strompreisen werden die jährlichen Einsparungen pro Linie auf etwa 4.000–5.500 USD geschätzt, was eine Amortisationszeit von etwa 12–18 Monaten ergibt, abhängig von der Produktionsauslastung.

Die stufenlose Einstellung der Abzugsgeschwindigkeit ermöglichte es den Bedienern, das Ziehverhältnis in Echtzeit fein abzustimmen, was die Längsgleichmäßigkeit der Dicke verbesserte. Die automatische Nachführung des Luftstroms im Luftring reduzierte die Dickenvariation, die durch die Verzögerung der manuellen Einstellung verursacht wurde. Die Dickentoleranzbereiche nach der Nachrüstung verengten sich, mit einer messbaren Verbesserung der Ausbeuteraten für dünne Produkte.

Die Sanftanlauffunktion begrenzte den Einschaltstrom auf etwa das 1,5-fache des Nennstroms, was den mechanischen Stoß erheblich reduzierte. Die Eliminierung des mechanischen Getriebes entfernte Aufgaben wie Gangwechsel und Riemenwechsel aus dem Wartungsplan. Die Anzahl der ungeplanten Ausfälle nahm im Vergleich zur Basislinie vor der Nachrüstung ab.

Für ältere Blasfolienanlagen mit Motoren mit fester Drehzahl stellt die Nachrüstung mit Frequenzumrichtern einen kostengünstigen Upgrade-Pfad dar. Basierend auf dieser Implementierung werden für ähnliche Projekte folgende Überlegungen empfohlen:

• Lastcharakteristik: Extruder stellen Konstantdrehmomentlasten dar; stellen Sie sicher, dass der ausgewählte Frequenzumrichter bei niedrigen Frequenzen ein ausreichendes Drehmoment liefert.

• Wärmemanagement: Reduzierte Motordrehzahl verringert die Wirksamkeit der Selbstkühlung; prüfen Sie, ob für einen längeren Betrieb bei niedriger Drehzahl eine zusätzliche Kühlung erforderlich ist.

• Parametrierung: Blasfolienprozesse sind empfindlich gegenüber dem Ziehverhältnis und dem Kühl-Luftstrom. Die PID-Einstellungen des Frequenzumrichters sollten schrittweise anhand der tatsächlichen Produktspezifikationen optimiert und nicht anhand von Werkseinstellungen verwendet werden.

Die Nachrüstung mit dem FST-650 Frequenzumrichter lieferte messbare Verbesserungen in Bezug auf Energieeffizienz, Gleichmäßigkeit der Folienstärke und Anlagenzuverlässigkeit, ohne dass eine vollständige Ersetzung der vorhandenen Maschinen erforderlich war. Für kunststoffverarbeitende Betriebe mit ähnlichen Extrusionsanlagen mit fester Drehzahl bietet dieser Ansatz ein praktisches Gleichgewicht zwischen Investitionskosten und betrieblichem Ertrag.

Für weitere Informationen über die FST-650 Serie und Anwendungsunterstützung kontaktieren Sie AnyHz oder besuchen Sie unsere Produktseite.