Entwicklung eines effizienten Transformators für Dosenschweissanlagen

Die Soudronic Holding AG mit Sitz in Bergdietikon ist eine international tätige Schweizer Unternehmensgruppe, die auf industrielle Schweisstechnologien spezialisiert ist. Das Unternehmen entwickelt, produziert und installiert Widerstandsschweissmaschinen und Gesamtanlagen für die Herstellung von Dosen, Deckeln sowie grösseren Metallbehältern wie Eimern und Fässern.
Soudronic stellt sämtliche Komponenten für die Fertigung von 2-Teil- und 3-Teil-Dosen her, wobei Letztere das Kerngeschäft darstellen. In den Produktbereich fallen Spraydosen, normale Konservendosen und Fässer. Dafür werden komplette Produktionsstrassen von der Station für den Zuschnitt der Bleche bis zur Verschliess-Maschine angeboten.

Schweissen braucht am meisten Strom

Das Herzstück jeder Produktionslinie ist die Schweissmaschine für die Längsnaht der Dosenkörper. Auf den Soudronic-Maschinen wird mit leicht überlappender Naht geschweisst. Dabei wird das Material nicht verflüssigt, sondern lediglich weich gemacht und durch Kraftaufwand und hohen Strom verschweisst. Durch die Anwendung von Wechselstrom handelt es sich um ein Punktschweissen. Zur Erzeugung der hohen Ströme wird ein Transformator benötigt. Um einen hohen Durchsatz an Dosen zu erzielen, wird mit einem Strom mit hoher Frequenz von bis zu 1500 Hz geschweisst, was eine Produktion von rund 1000 Dosen pro Minute ergibt.
Das Schweissen ist der energieintensivste Prozess in der Dosenfertigung. Dabei wird aber ein grosser Teil der Leistung nur in Verluste und Wärme umgewandelt. Allein im Schweiss-Transformator werden im 3-Schicht-Betrieb über ein Jahr rund 50 000 kWh Strom verheizt. Das entspricht dem jährlichen Stromverbrauch von 10 durchschnittlichen Schweizer Einfamilienhäusern mit 4 Bewohnern.

Ziel: Mehr Dosen, weniger Stromverbrauch

Das Ziel des KTI-Projekts mit der HSR war die Reduktion der Verluste im Trafo um mindestens die Hälfte. Ein weiteres Ziel bestand in der Erhöhung der Schweissfrequenz auf 2000 Hz, um moderne Materialien mit noch engerem Punktabstand schweissen zu können. Da es keinen solchen Transformator auf dem Markt gibt, musste er neu entwickelt werden. Die Gruppe für angewandte Elektromagnetik des IET hat langjährige Erfahrung im Bereich der Transformatoren. Zur Auslegung des neuen Transformators wurden moderne Simulationsprogramme verwendet, um die Verluste in den einzelnen Komponenten des Trafos wie Kupferwicklung und Eisenkern zu minimieren. Dank der heutigen Simulationstechnik ist es möglich, Ströme, Spannungen und Temperaturen realitätsgetreu zu simulieren und somit ohne grossen Aufwand eine Vielzahl möglicher Designs zu testen. Dabei waren die Hauptherausforderungen die relativ hohe Frequenz, die 40 Mal grösser ist als die Netzfrequenz aus der Steckdose, und der sehr hohe Strom von 7500 A für die Verschweissung der Dosennaht. Dies entspricht der Stromaufnahme von rund 860 Haartrocknern.

Fast zwei Drittel eingespart

Nach der simulationsbasierten Optimierung des neuen Transformators wurde ein realer Prototyp zusammengebaut. Dabei wurde fast jeder Schritt der Herstellung an der HSR durchgeführt. Um die Primärspule aus dicken Metallfolien zu wickeln, wurde zum Beispiel eine eigene Wickelmaschine aufgebaut. Infolge des hohen Stroms entsteht viel Wärme im Transformator. Darum wurde die Sekundärspule als doppelwandiger, wasserdichter Kupferzylinder angefertigt, durch den direkt das Kühlwasser fliesst und die Wärme abführt.
Der fertige Prototyp wurde danach auf Herz und Nieren geprüft. Die Messungen ergaben, dass der am IET entwickelte Trafo trotz gesteigerter Schweissfrequenz 62% weniger Verluste aufweist als der alte Trafo. Das entspricht einer jährlichen Energieeinsparung von fast 30 000 kWh oder so viel Strom, wie 6 Einfamilienhäuser im Jahr verbrauchen.

Projektverantwortlicher:

Dr. Matthias Bucher, Gruppenleiter Computational and Applied Electromagnetics