サーボプレスのためのエネルギー管理サーボプレスのエネルギー管理は必要ですか? それには意味がありますか? これは投資コスト、例えば、ユニットコストにどのように影響するのでしょうか? siemens.com/metal-forming サーボプレスのエネルギー管理プレス製造メーカおよびプレスを使用するユーザ様は、遅くとも、シーメンスが 2008 年に最初のサーボプレスを市場に導入して以来、エネルギー管理というトピックに積極的に関わっています: サーボプレスのエネルギー管理は必要ですか? それは意味があることですか? それはどのように投資コスト、例えば、機械コストに影響しますか? サーボプレスが消費する総電力量を削減することも可能ですか? これらを明らかにするために、ある金属成形プロセスを例にとり、説明することにします。金属成形プロセスの要件代表的な金属成形プロセスを例にして、様々なエネルギー管理方法の効果を考えてみます。下死点 (BDC) 到達前に 10 mm の荷重工程がある 2,000 トンのサーボプレスだと仮定します。エンドユーザは、650 mm の最小ストローク、ストロークあたり約 550 kJ の最大仕事量、0.14 m/s の最大成形速度を指定しています。このデータをベースにして、実際に成形プロセスに必要な電力が計算できます。この場合には、約 2,750 kW となります。30 spm を実現する必要があります。従来方式の場合、これらのモーションタスクは、カムおよび高次多項式関数を使用して導き出されていましたが、エネルギーに関しては全く考慮されていませんでした。そのため、生産性を向上させるのは困難でした。シーメンスは、このため新たにサーボプレスのモーションプロファイル計算式を開発しました。モーションプロファイルは電気的、機械的制限を考慮しながら、最適なエネルギー効率で計算され、指定されたストローク数を保証します。この方式で計算された代表的なプレスのモーション特性が以下になります。30 spm 時でも、すべての必要な制限が遵守されています: これらの仕様に基づいて、機械装置メーカは以下の主要な仕様のクランクプレスを設計します: ◾◾ ◾◾ ◾◾ ◾◾ ◾◾ ◾◾ ストローク: 650 mm コネクティングロッド:2,650 mm ピストン重量: 100 t ギア比: 1:26 慣性モーメント: 60,000 kgm² 機械的効率: ~ 92 % 偏心速度 [ストローク/min] サーボプレス偏心運動のプロファイル 40 30 20 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 クランク角 [°] 機械的効率 92 % では、2,750 kW の形成エネルギーのために、最低 3,000 kW のサーボが必要とされます。 ◾◾ 最大モータ速度およびパーツ移動時間 1.0 秒が維持されますモーションコントロールで生産性を最大にサーボプレスを使用する場合、ピストンの自由度が重要です。それにより、成形品質、ストローク数およびプロセスを最適化することができます。モーションコントロールは、以下の条件を満足する必要があります: このプレスの例では、下死点前 10 mm において、2,000 トンのプレス圧力および 550 kJ の成形仕事量を維持しながら、30 spm を達成できています。 1.) システム出力は静的にも動的にも使用を満足している必要があり、その時の出力が最も効率が良く、生産性も最大となります。 2.) 3 0 spm が指定される場合にも、システム全体にかかるすべての制限が維持されなければなりません: 1 0.5 ラム速度 [m/s] ◾◾ 成形状態 ◾◾ 最大モータ速度 ◾◾ 許容ラム速度 ◾◾ 取り付けられたモータ出力および利用可能なトルクを超過してはいけません ◾◾ 偏心位置 250 ° および 100 ° の間にパーツを移動させるために最低 1.0 秒が必要です。角度に対するラム速度 1.5 0 -0.5 -1 -1.5 0 30 60 90 120 150 180 210 クランク角 [°] ◾◾ 最大ラム速度が維持されます 2 240 270 300 330 360 1.5 ケース 1: エネルギー管理のないサーボプレストルク特性 x 104 動作点: 4766.2 Nm, 780.0 rpm 時エネルギー管理のないサーボプレスの場合、モータから出力される機械的出力は、電気的出力損失と同様、電源装置および商用電源により、随時完全に給電されなければなりません。 1 トルク [Nm] 0.5 0 ドライブの総出力 (機械的) 最大出力 ~3000 kW 3000 2000 P(kW) -0.5 1000 機械的ドライブ出力平均的な機械的出力 0 -1000 -1 -2000 -1.5 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -3000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 時間 [s] モータ速度 [rpm] ◾◾ 最大出力が維持されます DC リンク SINAMICS S120 ギアボックスシーメンスは、SIMOTION モーションコントロールシステムに新しい計算方式を導入しました: OACAMGEN ブロックは、指定されたストローク数で、システム全体の機械的および電気的制限を遵守するモーション曲線を自動的に作成します。その結果、プレスを使用するユーザ様は、最大の自由度を獲得することになります。これにより、製品に合わせて容易にプレスを設定することができます。プレスシャーシアクティブラインモジュール SIMOTICS T-1FW4 ヘビーデューティ 3相 AC 電圧トランス 2,000 kVA エネルギーの考慮サーボプレスを効率的に利用するための先述のモーションプロファイルでは、モータ軸における出力特性は以下となります: P (kW) 2000 1000 この場合、電源装置は 3,000 kW を超えるピーク出力をカバーする必要があり、上流のトランスは、これらの負荷ピークを処理せねばならず、大きな負荷変動が直接商用電源に影響を及ぼします。最低でも定格電力 2,000 kVA のトランスが必要になります。ドライブ総出力 (機械的) 最大出力 ~3000 kW 3000 機械的ドライブ出力平均的な機械的出力 0 -1000 -2000 -3000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 時間 [s] ◾◾ ◾◾ ◾◾ ◾◾ ◾◾ 平均出力 (P) 出力実効値 (˜P) 最大出力 (ˆP) 最小出力 (ˇP) 出力変動 (∆P) 299 kW 1,630 kW 3,000 kW -3,000 kW 6,000 kW 電力損失はここでも考慮していません。実際の出力と出力実効値の大きな差は、システム全体のモーションプロファイルが最適に利用されていることを示します。トルクモータの使用により自由度が広がり、また、そのダイナミックな性能により指定されたストローク数において、最大限の生産性を実現することができます。 3 ケース 2: フルサイズエネルギー管理を備えたサーボプレスフルサイズエネルギー管理の場合、このプレスの例のドライブシステムでは、1 台あたり最大出力 1,000 kW x 3 台の運動エネルギーバンクが搭載できます。これにより、サーボプレスドライブシステムのエネルギーの変動を低く抑えることが可能になります。このため、電源装置の負荷がほぼ一定となり、電源回生は必要なくなります。ストローク毎の成形の仕事量、機械的や電気的システム損失からなる一定のエネルギーが一般電源から給電されます。これは、電源装置やトランス定格出力が最小限に抑制されるということです。ドライブの総出力 (機械的) 最大出力 ~3000 kW 3000 機械的ドライブ出力平均的な機械的出力 P(kW) 2000 1000 一定のエネルギー 0 -1000 -2000 -3000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 変動するエネルギー 2 時間 [s] DC リンクアクティブラインモジュールギアボックスプレス SIMOTICS T-1FW4 ヘビーデューティ SINAMICS S120 シャーシ 3 相 AC 電圧トランス 630 kVA SIMOTICS M-1PH8 フルサイズエネルギー管理システムの場合、エネルギーバンクは、電源に回生されるエネルギーを蓄えます。その結果、電源装置の出力実効値は平均値と同じになり、電源回生は必要なくなります。 2000 1000 この時、取り除かれたエネルギーバンク用モータの出力が電源装置 (ALM / AIM) によってカバーされるため、より大きな定格の電源装置が必要になります。運動エネルギーが部分的にしか蓄えられないことから、一般電源から給電される電力は完全には平滑化されないことになります。機械的ドライブ出力平均的な機械的出力 0 -1000 -2000 -3000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 時間 [s] DC リンクケース 3: 部分的エネルギー管理を備えたサーボプレス運動エネルギーの一部のみを再利用した場合、エネルギー保存用モータの出力を低減することができます。(例えば 3 台の代わりに 2 台だけを使用)。これにより、少なくともフルサイズエネルギー管理よりも機械装置の価格を抑えることができます。ドライブの総出力 (機械的) 最大出力 ~3000 kW 3000 P(kW) フルサイズエネルギー管理の場合、エネルギーバンクは、従来のプレスの機械的フライホイールに相当します; これらの装置は、どちらも使用電力を平滑化させます。しかしながら、ドライブシステムの拡張も必要となるため、電力損失も大きくならざるを得ません。これはデメリットとなりますが、大幅に低容量となる電源装置 (ALM/AIM) とずっと小型になるトランスにより相殺されます: ± 3,000 kW の代わりに、516 kW の電源装置定格、大幅に小さな 630 kVA トランスで十分です。これにより関連コストも削減されることになります。ギアボックスプレス SIMOTICS T-1FW4 ヘビーデューティアクティブラインモジュール SINAMICS S120 シャーシ SIMOTICS M-1PH8 3相 AC 電圧トランス 1,000 kVA 4 これは、フルサイズエネルギー管理の場合よりもピーク負荷が大幅に大きくなるということ、つまり、正負荷と負負荷との間、力行と回生の間で負荷が大きく変動する、ということになります。その結果、電源トランスも、それに応じてより大きく選定する必要があります; この例の場合では、最低 1,000 kVA 定格のトランスが必要になります。エネルギー管理がないサーボプレスと比較すると、部分的な運動エネルギーの蓄えによって、電源に影響を与える負荷ピークが低減されます。しかしながら、エネルギー管理がない機械装置同様、回生電力による一次電源への悪影響が発生することになります。これにより、一般電源のみならず、電源装置、トランスおよび給電線も周期的なプロセスで変動を処理しなければならず、結果として、それらの容量に余裕を持たせなければなりません。どのバージョンが最も安価で多くのメリットを提供できるかということをケースバイケースで分析する必要があります。電力料金 vs 消費電力ピーク電力をカットできるため、電力会社との契約電力を低くお抑えることができます。最も好ましい管理バージョンを選定するために、機械動作および成形作業に必要な電力消費、並びに、これを実現するためのコストを比較します。トランスの出力部での測定値を、ここでは選定に使用します。主な計算用データ: 運転時間月額の電力料金 (基本料金): 業務用有効電力 (電力量料金): 約 7000 時間 / 年 10 €/kW 12 ct/kWh 電源回生される電力は含まれていません。ダイクッションの電力消費が存在するかもしれませんが、ここでは考慮されていません。 1 年の電力料金 1 パーツあたり 1 パーツあたりの (1260 万パーツ) の電力料金電力消費比較: 消費電力下表は、考えられる 3 つのエネルギー管理バージョンで 30 spm、550 kJ / パーツの場合に、プレスのトランスでカバーされる電力を示すものです: 30 spm の生産例でのプレスの消費電力の比較エネルギー管理なし部分的エネルギー管理フルサイズエネルギー管理 4000 [€/a] [ct/part] [kWh/ part] [kJ/part] エネルギー管理なし 859,060.– 6.8 0.277 996 部分的 561,330.– 4.5 0.283 1020 フルサイズ 501,900.– 4.0 0.290 1046 3000 この比較でわかること: 指定された制限下では完全なエネルギー管理を備えたサーボプレスでは、1 パーツあたりの電力消費は若干高くなりますが、部分的エネルギー管理、または、エネルギー管理がない場合よりも電力料金が最低になります。電力 [kW] 2000 1000 0 -1000 -2000 -3000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 時間 [s] 投資コストを評価する場合には、トランス価格を考慮する必要があります。完全なエネルギー管理を装備した場合、投資コストがずっと低くなります。このコスト削減により、既にエネルギー管理システムのための追加コストのかなりの部分が埋め合わされることになります。これは、非常に短時間でこの投資の損益分岐点に到達するという意味です。フルサイズエネルギー管理システムでのみ、ほぼ一定の電源装置出力および正負荷出力の需要が実現されます。他の 2 つのバージョンの場合には、消費電力の大幅な変動と好ましくない電源回生が見られます。その他重要なデータの比較: P [kW] ˜P [kW] – 481 1,687 3,211 6,000 1,000 kVA 2 501 812 630 kVA 3 516 516 エネルギー管理トランス定格出力インダクションモータなし 2,000 kVA 部分的ﾌﾙｻｲｽﾞ ˆP [kW] ∆P [kW] 1,853 3,316 551 75 数値は電源装置の入力 5 機械的フライホイールプレスとの比較連続運転で比較可能な同等の仕様を備えた機械的プレスとの比較から、この場合には、216 kW の接続電力で十分であることがわかります (すべての機械的および電気的損失を含む); しかしながら、生産性は、16 spm に留まることになります。機械的プレス固有の「フライホイール」のエネルギーバンクシステムにより、消費される電力の平均値は実効値に相当します; 回生エネルギーは発生しません。1260 万パーツという指定されたユニット数を実際に処理するには、 1 台ではなく、2 台のフライホイールプレスが必要となります。 1 年の電力料金 1 パーツあたり 1 パーツあたりの (1260 万パーツ) の電力料金消費電力機械的プレス 2台 [€/a] [ct/part] [kWh/ part] [kJ/part] 378,000.– 3.0 0.219 788 サーボプレスの生産性を実現するには、2 台の機械的プレスが必要です。これは、反対に、2 倍の表面積、2 倍の人員、そして、各製造に対して 2 倍のダイが必要となるということです。サーボプレスは、このように、機械的プレスの低い電力料金と比較 / 相対化が可能になります。要約エンドユーザ様のご要求仕様によりサーボプレスのドライブ容量は決定されます。モーションコントロールは、動的にも静的にも仕様を満足しながら、ドライブの機能を最大限に発揮させます。一方、これにより、ピーク電流は非常に大きくなります。エネルギー管理システムを使用することにより、ピーク電力を平滑化することが可能になります。エネルギー管理システムを使用した場合とそうでない場合のハードウェア費用の差は、平滑化されたことにより小さくなるトランスのコストも考慮する必要があり、また、エネルギー管理システムの種類によっても、それは大きく異なってきます。サーボプレスは、機械的プレスと比較し、電気料金は高額となりますが、アプリケーションに適したエネルギー管理システムを導入することにより、その上昇率を最小限に留めることができます。よって、エネルギー管理システムの使用により、優れたコストパフォーマンスを得ながら、サーボプレスの技術的メリット (非常に優れた自由度、製造品質、生産性) を利用することができることになります。安川シーメンスオートメーション・ドライブ (株) 〒 141-0032 東京都品川区大崎 1-11-1 ゲートシティ大崎ウエストタワー 7F TEL: 03-5745-8018 FAX: 03-5745-8025 http://www.ysad.co.jp E-mail: [email protected] 本書の内容は予告なしに変更されることがあります。資料番号: E20001-A2020-P620-X-5Z00 DISPO 06372 SCHÖ/1000022620 V2.MKMETA.WES.BR3 SB 10140.5 © Siemens AG 2014 本書に記載された情報には性能についての一般的な説明または特徴が含まれていますが、実際に使用する際には記載どおりではない場合、または、今後の製品開発の結果、変更される場合があります。該当する特性の提供義務は、契約により明示的に合意された場合のみに発生します。各製品名はすべて Siemens AG または各社の商標あるいは登録商標であり、第三者が自らの目的のためにこれを使用すると、所有者の権利を侵害するおそれがあります。