In Spinnereien besteht besonders beim zugsensiblen Schritt des Vorspinnens die Gefahr, dass bei Spannungseinbrüchen oder Stromausfällen ein unkoordinierter Stopp der Antriebe dazu führt, dass die Garne reißen. Die Wiederherstellung der Produktionsfähigkeit ist ein sehr aufwändiger Prozess. Mit einem überraschend kleinen aktiven Energiemanagementsystem für elektrische Antriebe ist die Gefahr gebannt.

Vom Baumwollfeld bis zum feinen Nähgarn ist es ein weiter Weg

Dazwischen laufen teils sehr komplizierte und aufwändige Prozesse der Reinigung, des In-Form-Bringens und letztendlich des Spinnens. Die Baumwolle muss durch mehrere Verarbeitungsschritte vorbereitet werden, um überhaupt maschinell gesponnen werden zu können. Der Prozess des Spinnens selbst ist dann auch noch in zwei Schritte unterteilt. Zuerst kommt die zu einem so genannten Streckband in Form gebrachte Baumwolle auf eine Vorspinnmaschine, die auch als Flyer bezeichnet wird. Ein solcher Flyer kann gut 20 m lang und mit bis zu 300 Spindeln bestückt sein.

Prozess des Vorspinnens

Das Streckband ist ein daumendickes, fluffiges Tau, das sehr leicht reißt. Dieses wird jeweils aus einer meterhohen Tonne über Vorgelegestangen in die Vorspinnmaschine gebracht, in der die Spindeln die vorgesponnene Baumwolle aufnehmen. Dabei wird das Streckband durch übereinander liegende Gummibänder gezogen, die gleichzeitig auch dazu dienen, das Band nicht weiter zu drillen. Sie wirken also als Drallstau. Von dort wird das Band gestreckt und über einen rotierenden gabelförmigen Flügel geführt, der für das Verdrillen des Vorgarns verantwortlich ist, und gleichzeitig auf einer Spule aufgewickelt. Die Spezialisten sprechen von der „Lunte“, die von dem Flyer, also der Vorspinnmaschine hergestellt und auf der Flyerspule aufgewickelt wird. Diese Lunte wird danach in der Ringspinnmaschine zu dem Garn gesponnen, das die gewünschten Eigenschaften des Endprodukts hat.

Die heikle Stelle im Prozess der Vorspinnmaschine liegt zwischen den Gummibändern, die das Streckband in die Maschine ziehen, und den rotierenden Flügeln. Bricht die Versorgungsspannung der Antriebe ein, bleiben die Gummibänder sofort stehen, während sich die schnell rotierenden Flügel etwas weiterdrehen. Als Ergebnis reißt das Vorgarn zwischen den Gummibändern und der Flyerspule, und zwar an jeder der bis zu 300 Spulen. In einem solchen Fall muss dann per Hand das Streckband aus der Führung und den Gummibändern genommen, auf Länge gezogen und verdrillt werden. Nachdem es wieder in die Führung verbracht wurde, wird es ebenfalls durch verdrillen mit der Flyerlunte auf der Spule verbunden. Insgesamt ist dies ein sehr zeitaufwändiger Prozess, der zudem viel Gefühl verlangt. Wenn man zudem weiß, dass in einer Garnmühle mehrere Vorspinnmaschinen parallel betrieben werden, aus Kostengründen jedoch selten mehr als ein Maschinenbediener für alle Maschinen vorhanden ist, bedeutet eine Unterbrechung der Stromversorgung auch mehrere Stunden Maschinen- gleich Produktionsausfall. Oder mit anderen Worten bedeutet dies ein tiefer Einschnitt in die erwartete und kalkulierte Produktivität.

Die elektrische Antriebstechnik

Angetrieben wir eine moderne Vorspinnmaschine mit mehreren elektrischen Antrieben. Der Hauptantrieb ist für die Spindeln und die Flyer verantwortlich, die anderen treiben das Vorgelegegestänge, die Gummibänder sowie das Spindelhubwerk an. Letzteres sorgt mit Auf- und Abbewegungen des Gestells, auf dem die Spindeln montiert sind, dafür, dass das Garn gleichmäßig auf den Spindeln aufgewickelt wird. Die Frequenzumrichter aller Antriebe sind über einen Gleichstrom-Zwischenkreis miteinander verbunden. Der stärkste Umrichter dient als Netzteil für alle. Seine Dimensionierung hängt also ab vom gesamten Leistungsbedarf aller zusammenhängender Antriebe der Maschine.

Im Fall eines Stromausfalls bremst die Maschine in ihren Teilbereichen unterschiedlich schnell ab. Über den einheitlichen Zwischenkreis verbunden, nutzen zwar alle Antriebe die kinetische Energie der Maschine, die primär im Spindelantrieb, also im stärksten Antrieb wirkt und so für alle Antriebe zur Verfügung steht. Die in elektrische Energie umgewandelte kinetische Energie reicht aber nicht aus, um die Maschine mit ihren verschiedenen Antrieben in durchgängig synchronisierter Geschwindigkeit in den Stillstand zu bringen. Eine geringe Menge an Energie fehlt, um dieses Ziel zu erreichen. Die Folge sind die gerissenen Streckbänder und der damit verbundene große Aufwand vor einem Wiederanlauf der Maschine.

Die Dynamische Energieversorgung

Die große, über 20 m lange und mehrere Tonnen schwere Maschine bedarf nur einer relativ geringen zusätzlichen Energiemenge, um bei Stromausfall sicher und ohne Garnriss in den Stillstand zu kommen. Eine einfache und gleichzeitig zuverlässige Lösung ist der Einsatz der so genannten Dynamischen Energieversorgung DEV der Michael Koch GmbH. Als Teil des Produktprogramms der aktiven Energiemanagementsysteme für elektrische Antriebe des Unternehmens sorgt sie als Kurzzeit unterbrechungsfreie Stromversorgung dafür, dass die notwendige Energiemenge auf dem vorgegebenen Spannungsniveau für die verbundenen Drive Controller bzw. Frequenzumrichter zur Verfügung steht. Und zwar wirklich absolut unterbrechungsfrei.

Die Funktionsweise der DEV ist einfach erklärt: Die Dynamische Energieversorgung DEV von Koch wird direkt an dem Plus- und an dem Minuspol des Gleichstrom-Zwischenkreisverbunds der Antriebe der Vorspinnmaschine angeschlossen. Mehr bedarf es nicht! Keine spezielle Programmierung, keine Inbetriebnahme, nichts. Nehmen wir an, dass das Arbeits-Spannungsniveau etwas über der gleichgerichteten Netzspannung liegt, also bei etwa 620 Volt DC. Die DEV ist nach UL bis 800 Volt DC zugelassen. Beim Einschaltvorgang der Maschine werden zuerst die Kapazitäten der angeschlossenen Frequenzumrichter geladen. Nach einigen Sekunden und stabilisiertem Spannungsniveau des Zwischenkreises lädt auch die DEV ihren Speicher. Als Speichermedium der DEV dient ein Aluminium-Elektrolyt-Kondensator mit einer Energiemenge von rund 2.000 Joule.

Stopp ohne Garnriss

Ob diese Energiemenge bei Stromausfall ausreicht und somit einen Stopp ohne Garnriss garantiert, ist Thema des Auslegungsprozesses bzw. des Applikationsengineerings, das im Vorfeld bei jeder Anwendung zusammen mit dem Kunden durchgeführt wird. Es stehen aber auch verschiedene Tools zur Verfügung, um diese Aufgabe selbständig erfüllen zu können. Wird in einer Maschine aufgrund eines aufwändigeren Verarbeitungsprozesses mehr Energie benötigt, als dies eine DEV alleine liefern kann, ist es möglich, die Energiemenge der Dynamischen Energieversorgung durch so genannte Erweiterungsmodule in Schritten von 2.000 Joule sehr einfach per Kabel-Stecker-Verbindung zu vergrößern. Sollte mehr Leistung notwendig sein, lassen sich die aktiven Geräte ebenfalls sehr einfach – weil ohne weiteren Aufwand – parallel mit dem Zwischenkreis verschalten. Die Synchronisierung der beiden oder mehreren DEVen erfolgt automatisch.

Sobald die Zwischenkreisspannung vom Arbeitsspannungsniveau einbricht, stellt die nicht einmal schuhschachtelgroße DEV ausreichend viel Energie zur Verfügung, um sie auf einem Niveau zu halten, das es den Antrieben ermöglicht, noch synchron in den Stillstand zu kommen. Die Reaktionsgeschwindigkeit der DEV ist dabei so dynamisch, dass nur ein sehr geringer und damit unbedeutender Spannungseinbruch von wenigen Volt zu verzeichnen ist. Der Rest ist einfach: Die Maschine erhält den berühmten letzten notwendigen Schluck an elektrischer Energie, um Garnrisse zu vermeiden. Sobald die Stromversorgung wieder zur Verfügung steht, läuft die Maschine wieder ohne weiteren Aufwand an. In Gebieten, wo die Stromversorgung instabil ist, verhilft die verhältnismäßig kleine Investition in die Dynamische Energieversorgung DEV von Koch zu einem über die Stromunterbrechung hinaus störungsfreien Betrieb und somit zu maximaler Produktivität.