Innovative Kopplung – FRENIC-VG im doppelten Hochleistungseinsatz bei der Vogelsang GmbH


in Drives & Automation

Zwei Frequenzumrichter, die als Team arbeiten – dieses einzigartige Feature der FRENIC-VG- Frequenzumrichter von Fuji Electric nutzte die Vogelsang Maschinenbau GmbH, Weltmarktführer bei Drehkolbenpumpen, für die  Verwirklichung eines neuen Prüfstands mit Rückeinspeisung.

Dröhnend nimmt ein großer Dieselmotor vor der Halle langsam Fahrt auf, während im Inneren synchron eine blaue Pumpe ihre Drehzahl steigert. Schneller und schneller dreht der Diesel und bringt die Pumpe, die auf einer stählernen Plattform montiert und mit Kabeln und Rohrleitungen verbunden ist, ordentlich auf Touren. „Hier testen wir  die derzeit größte Pumpe“, übertönt Benedikt Möller, Testingenieur beim Pumpenspezialisten Vogelsang, den Lärm der Dieselmotors.

Testläufe, auch über eine Dauer von mehreren Tausend Stunden, gehören bei der Entwicklung der Vogelsang-Pumpen zum Standard, Qualität wird hier ganz groß geschrieben. Kein Wunder also, dass die Produkte der Firma mit Sitz in der  niedersächsischen Gemeinde Essen / Oldb. selbst bei Prestige-Projekten wie dem größten Schiffshebewerk der Welt an Chinas Drei-Schluchten-Staudamm erste Wahl sind. Bevor die Aggregate jedoch Serienreife erreicht haben, müssen Benedikt Möller und sein Team mit Werten wie Volumenstrom, Drehzahl, Druck und Drehmoment vollständig zufrieden sein. Dazu treiben sie die Pumpen bis an die Belastungsgrenze. Seit einigen Monaten können die Testingenieure die Regler noch weiter nach oben drehen – dank eines neuen Pumpenprüfstands, der mit High Performance Frequenzumrichtern der FRENIC-VG-Serie von Fuji Electric ausgestattet ist. Die sorgen indes nicht nur für einen hochpräzisen Antrieb, sondern auch dafür, dass Vogelsang einen guten Teil der eingesetzten Energie wieder zurückbekommt.

Alles andere als Standard

Die Idee, bei langen Pumpentestläufen Strom wiederzugewinnen, liegt nahe, denn das Potenzial ist enorm. „Wenn wir bei einem Test mit einer Pumpe, die eine Leistung von 60 kW hat, 40 kW zurückspeisen, ist uns das natürlich ganz recht“, erläutert Paul Krampe, Leiter Forschung und Entwicklung bei Vogelsang, mit einem Augenzwinkern. Unlängst erhielten die Testingenieure Gelegenheit, das Vorhaben umzusetzen. Weil Vogelsang seit Jahren stetig wächst, sollte nach anderen Bereichen auch die Entwicklungsabteilung ein neues und größeres Refugium erhalten mitsamt einem neuen Pumpenprüfstand. „Wir wollten für den Prüfstand von Beginn an zwei Frequenzumrichter. Beim Test einer kleinen Pumpe sollte einer für den Antrieb sorgen, der zweite den über eine Bremspumpe erzeugten Strom wieder zurückspeisen“, erläutert Paul Krampe. Doch es gab noch eine weitere Anforderung: Beim Test einer großen Pumpe, die dann nicht von einem Frequenzumrichter, sondern von einem großen Dieselmotor angetrieben wird, wollte Vogelsang ebenfalls möglichst viel der eingesetzten Energie zurückgewinnen. Hierfür aber wollte das Unternehmen nicht extra einen weiteren, größeren Frequenzumrichter installieren. „Um die gewünscht große Leistung zu erhalten, war die wirtschaftlichste Alternative das Koppeln der beiden Frequenzumrichter“, so Krampe.

Schnell war klar, dass sich diese Anforderung nicht mit Standard-Frequenzumrichtern verwirklichen lässt. Thomas Foth, der mit seinem Ingenieurbüro für Vogelsang das gesamte System von der Planung bis zur Programmierung der Steuerung projektiert und zum guten Teil auch umgesetzt hat, wusste Rat. „Fuji Electric war uns natürlich ein Begriff und wir wussten auch, dass kein Produkt eines anderen Herstellers die Möglichkeit des Zusammenschaltens von zwei Umrichtern bietet.“ Da war die Entscheidung schnell gefallen. Installiert sind jetzt zwei Hochleistungs-Frequenzumrichter der FRENIC VG-Serie von Fuji Electric mit einer Leistung von jeweils maximal 90 kW (FRN75VG1S-4E). Auf Knopfdruck können die Testingenieure die beiden Frequenzumrichter so einsetzen, als wären sie einer, wodurch ihnen eine Leistung von 150 kW zur Verfügung steht. Genug, um beim Test auch der größten Pumpe von Vogelsang einen großen Teil der eingesetzten Energie zurückzugewinnen. Die Einsparungen gehen pro Jahr leicht in den fünfstelligen Eurobereich. Doch spart Vogelsang mit der Rückeinspeisung nicht nur immens Energiekosten ein, es erübrigte sich auch das Erhöhen der Anschlussleistung, was ebenfalls erhebliche Kosten verursacht hätte.

Äußerst flexibel und hoch belastbar

Neben den zwei Frequenzumrichtern stammen auch alle weiteren zentralen Bausteine des Systems von Fuji Electric: ein Aktiv-Einspeisemodul mit LCL-Filter und Vorladeschaltung mit einer Ein-/Rückspeiseleistung von 182 kW (RHC160S-4DE), dazu ein Frequenzumrichter mit einer Maximalleistung von 75 kW (FRN55VG1S-4E) zur Unterstützung beim Einzelbetrieb, außerdem ein kleiner Umrichter mit einer Leistung von 7,5 kW (FRN5.5VG1-4E), der im Zusammenspiel mit einer kleinen Pumpe für das Fluten des Prüfsystems mit Wasser sorgt. Untergebracht sind alle elektronischen Komponenten in zwei mannshohen Schaltschränken, die sich im Stockwerk über dem Prüfstand befinden. Großen Anteil an der Entstehung des Systems hat neben dem Ingenieurbüro Foth Martin Fuchs, Technical Manager bei Fuji Electric. „Die enge Zusammenarbeit zwischen uns und dem Kunden ist ein entscheidender Erfolgsfaktor“, so die Erfahrung von Martin Fuchs. Schließlich sei die Technik nicht selbsterklärend, der Kunde werde auf keinen Fall allein gelassen.

Das Realisieren individueller Lösungen ist für Fuchs zwar Alltag, dennoch ist das Projekt bei Vogelsang auch für ihn etwas Besonderes. „Unsere Frequenzumrichter als Teil eines Pumpenprüfstandes einzurichten, dazu mit Energierückgewinnung und als gekoppeltes System, ist schon hoch anspruchsvoll und kommt nicht jeden Tag vor“, so Fuchs. Generell ist das Einsatzspektrum der VG-Frequenzumrichter äußerst groß. „Sie spielen ihre Vorteile überall dort aus, wo ein hochpräziser Antrieb gefragt ist“, bringt es Henning Skwirblies, der als Key Account Sales Engineer bei Fuji Electric Kunden in Norddeutschland betreut, eine der bestechendsten Eigenschaften auf den Punkt. In Fahrzeug-Testständen der Automobilindustrie sind die Frequenzumrichter ebenso im Einsatz wie bei Förderbändern von Chipherstellern, um eine exakte Positionierung der Waferplatten zu gewährleisten, oder in Servopressen von Maschinenbaufirmen.

Das Optimum erreicht

Auch bei anderen Features der VG-Serie haben sich die Entwicklungsingenieure von Fuji Electric ordentlich ins Zeug gelegt. Mit fünf Kommunikationskarten-Slots lassen sich die Frequenzumrichter flexibel für unterschiedliche Feldbus-Protokolle auslegen. Noch weitere optionale Schnittstellenkarten stehen zur Verfügung, etwa für einen Absolutwertgeber mit 17-Bit-Auflösung. Bei Überlastfähigkeit und Drehmomentgenauigkeit erreichen die VG-Frequenzumrichter Spitzenwerte, das Verwenden langlebiger Bauteile steigert die Zuverlässigkeit auf ein Maximum. Dazu halten sie korrosiven Einflüssen etwa von Gasen oder salzhaltiger Luft stand und auch Staub und Feuchtigkeit bringen sie nicht aus der Ruhe. An eine einfache Wartung ist ebenfalls gedacht: Über eine Trace Back-Funktion speichern die Anlagen alle wichtigen Daten. Ausgelesen und analysieren lassen sie sich am PC, der über einen Mini-USB-B-Port mit dem System Kontakt aufnimmt. Ebenfalls äußerst hilfreich: die standardmäßig integrierte Echtzeit-Uhr. Auch aufseiten der Sicherheitsfunktionen zeigen sich die Frequenzumrichter mit Sicher abgeschaltetem Drehmoment (STO),  Sicherem Stopp (SS1), Sicher begrenzter Drehzahl (SLS) und Sicherer Bremsenansteuerung (SBC) sehr vielseitig. Seit kurzem ist zudem ein SiC Hybrid Modul verfügbar, das gegenüber einem konventionellen Si-Modul eine deutlich höhere Leistungsdichte aufweist und zudem energieeffizienter arbeitet.

Von den Features der FRENIC-VG- Frequenzumrichter profitiert jetzt auch Pumpenhersteller Vogelsang. „Der neue Prüfstand eröffnet uns einige neue Möglichkeiten“, sagt Testingenieur Benedikt Möller. So lässt sich bei Tests die Bremspumpe über einen der Frequenzumrichter präzise steuern, was neue Erkenntnisse erlaubt. „Mit der Möglichkeit zur Kopplung der Frequenzumrichter haben wir für unsere Anforderungen das Optimum erreicht“, zieht Paul Krampe ein zufriedenes Fazit. Nach einigen Wochen des Feinjustierens funktionieren auch die letzten Details des Pumpenprüfstands einwandfrei. Was die Vogelsang-Ingenieure aktuell auf dem Prüfstand testen, wollen sie nicht verraten. „Das ist geheim“, winken Paul Krampe und Benedikt Möller ab. Klingt ganz so, als würde eine weitere Innovation von Vogelsang nicht mehr lange auf sich warten lassen.

Fuji Electric Europe GmbH 2017

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-- Englisch --

Two frequency inverters that work in tandem – Vogelsang Maschinenbau GmbH, a market leader in rotary lobe pumps, took advantage of this unique feature of the FRENIC-VG frequency inverter from Fuji Electric to create a new test bench with feedback.

In front of the hall outside, a large diesel engine slowly picks up speed with the sound of a roar while inside a blue pump synchronously accelerates. The diesel engine rotates faster and faster, giving the pump, which is affixed to a steel platform and connected with cables and pipes, a hefty jump start. "Here is where we test the largest pump we currently have," said Benedikt Möller, test engineer at pump specialist Vogelsang, speaking loudly to drown out the noise of the diesel engines.

Test runs, some of which last for several thousand hours, are a standard part of the development process for Vogelsang pumps, where quality is of utmost importance. It is therefore no surprise that the Essen-based company's products are the first choice for prestigious projects like the boat lift at Three Gorges Dam in China, the largest in the world. However, before the units are ready for production, Benedikt Möller and his team first have to be completely satisfied with the volume flow, speed, pressure and torque levels. For that, they push the pumps to their limit. In the last few months, the test engineers were able to turn the levels up even higher thanks to a new pump test bench equipped with the high performance FRENIC-VG series frequency inverters from Fuji Electric, which ensure not only a highly precise drive, but also see to it that Vogelsang recovers a large portion of the used energy.

Anything but ordinary

The idea of recovering electricity during long pump test runs was obvious since its potential is so great. "If we are able to recover 40 kW from a pump with an output of 60 kW during a test, we are clearly quite pleased," says Vogelsang's Director of Research and Development, Paul Krampe, with a wink. Recently, the test engineers were given the opportunity to put their plan into action. Vogelsang has been growing steadily for years, which means it was time for the development department, like other departments, to get a bigger and better work area with a new pump test bench. "From the beginning, we wanted the test bench to have two frequency inverters. When testing a small pump, one of the inverters handles the drive while the other feeds back electricity that was produced by a brake pump," explains Paul Krampe. Yet there was still another requirement: Vogelsang also wanted to be able to recover the maximum amount of energy when testing a large pump driven by a large diesel engine rather than a frequency inverter. The company did not want to install an additional large frequency inverter specifically for this purpose. "The most economical option to achieve the desired level of performance was to couple the frequency inverters," said Krampe.

It quickly became apparent that this requirement could not be met using standard frequency inverters. Thomas Foth, who designed the entire system for Vogelsang together with his engineering company, took care of everything from planning to programming the controller, and also implemented a large portion of the system. Needless to say, he knew just what to do. "Fuji Electric was well known to us and we also knew that no other product from a different manufacturer offers the possibility of connecting two inverters." The decision was quickly made. Currently, two high-performance FRENIC-VG Series frequency inverters from Fuji Electric, each with an output of max. 90 kW (FRN75VG1S-4E), are installed. At the push of a button, the test engineers can use the two frequency inverters as if they were one, which provides them with an output of 150 kW. That's enough to recover a large amount of the energy used during the testing of Vogelsang's largest pump. The annual savings easily reaches the five digit range. Using feedback allows Vogelsang to not only save an immense amount in energy costs, but also makes raising the power input, which would result in considerable costs, unnecessary.

Extremely flexible and very reliable

In addition to the two frequency inverters, Fuji Electric manufactures all of the other primary system components. This includes an active supply module with LCL filter and precharging circuit with in-feed/feedback output of 182 kW (RHC160S-4DE), a frequency inverter with max. output of 75 kW (FRN55VG1S-4E) to support single operation, as well as a small inverter with an output of 7.5 kW (FRN5.5VG1-4E), which functions in tandem with a small pump to fill the test system with water. All electrical components are housed in two medium-sized electrical cabinets that are located on the floor above the test bench. Along with Foth's engineering company, Martin Fuchs, Technical Manager at Fuji Electric, also took part in designing the system. "Our close collaboration with the customer is a decisive factor to our success," said Martin Fuchs in referring to his experience. After all, the technology is not self-explanatory; the customer is never left to figure things out on his own.

While designing custom solutions may be routine for Fuchs, the project with Vogelsang was something unique for him. "The task of setting up our frequency inverters as part of a pump test bench with power regenerative function and also as a coupled system, is really a quite challenging task and does not come along every day," said Fuchs. In general, the number of uses of VG frequency inverters is extremely broad. "Their advantages come into play in applications that require high-precision drive," says Henning Skwirblies about one of the system's most impressive features. As Key Account Sales Engineer at Fuji Electric, he provides service to customers in northern Germany. The frequency inverters are also used in the automobile industry for automobile test benches and in conveyors for chip manufacturers to ensure the precise positioning of substrates, as well as in the servo presses of engineering companies.

The optimum has been achieved

The engineers at Fuji Electric also devoted themselves to fully developing the other features of the VG series. With five communication card slots, the frequency inverters can be flexibly designed for different fieldbus protocols. Additional optional interface cards are also available, for example for an ABS encoder with 17-bit high resolution. With overload current rating and torque accuracy, the VG frequency inverters are capable of reaching peak levels, and the use of durable components ensures maximum reliability. Furthermore, they can withstand the corrosive effects of gases and salt-laden air. Dust and moisture can also do no harm. Maintenance is also easy: Important data is saved by the systems through a trace back function. The data can be exported and analyzed using a PC connected to the system through a Mini USB-B Port. The integrated real-time clock is also extremely useful. In terms of safety functions, the frequency inverter is also many-sided and includes safe torque off (STO), safe stop (SS1), safely-limited speed (SLS) and safe brake control (SBC). A SiC hybrid module is now available with a considerably higher power density compared to a conventional Si module and is also more energy efficient.

As a pump manufacturer, Vogelsang also profits now from the features of FRENIC-VG frequency inverters. "The new test bench gives us several new possibilities," says test engineer Benedikt Möller. During testing, the brake pump can be precisely controlled through a frequency inverter, which allows new insights to be gained. "For our purposes, the ability to couple frequency inverters is the optimum solution," concludes Paul Krampe contentedly. After a few weeks of fine-tuning, the pump test bench's final details now function flawlessly. The engineers at Vogelsand won't say what they are currently testing with the test bench. "That's a secret," said Paul Krampe and Benedikt Möller in a cool manner. Sounds like it won't be long before Vogelsang launches their next innovation.

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