Antriebsoptimierung bei prozess-flexiblen Transportaufgaben

In geschlossener Schleife

Antriebsoptimierung bei prozess-flexiblen Transportaufgaben. Bei der Entwicklung oder dem Retrofit von Bandantrieben lohnt sich der Blick über den Tellerrand: Schritt-motoren sind heute durch ihre Closed-Loop-Fähigkeit den bislang eingesetzten Induktionsmotoren in Abmessung, Wirkungsgrad und Flexibilität überlegen. Das zeigt sich besonders, wenn es um anpassungsfähige Transportlösungen und Vernetzung geht.

Im offenen Regelkreis betriebene Schrittmotoren bleiben bei Überlast oft einfach stehen. Feldorientiert geregelte Open-Loop-Schrittmotoren gleichen die kurzfristige Lastschwankung aus. (Abb.: Nanotec)

Blickt man auf die Anfänge in der Förderanlagentechnik zurück, ging es meist darum, ein Stückgut mit einem bestimmten Gewicht in einer vorher definierten Geschwindigkeit über ein Förderband zu transportieren. Bei einem Band von zum Beispiel vier Meter Länge und sechs Zentimeter Rollendurchmesser erfordert der Transport von zehn mal zwei Kilogramm Stückgut mit einer gewünschten Geschwindigkeit von 0,6 Meter pro Sekunde - also rund 191 Umdrehungen pro Minute - einen Antrieb mit einer Drehmomentleistung von 2,8 Newtonmeter. Hier eingerechnet sind 0,8 Newtonmeter für eine Beschleunigungszeit von 0,7 Sekunden. Diese Anforderungen sind klassischerweise mit Asynchronmotoren (AC-Motoren) - auch Induktionsmotoren genannt - abgedeckt worden. Sie bauen über das induzierte Wechselfeld im Rotor ein Magnetfeld auf. Synchronmotoren dagegen haben im Rotor einen Permanentmagneten und dadurch bei der Nenndrehzahl ein Wirkungsgradverhältnis von 70 zu 85 Prozent. Für das aufgezeigte Beispiel wäre ein AC-Motor mit mindestens 60 Watt mit einem Bauvolumen 90 Millimeter Durchmesser, 185 Millimeter Länge samt Stirnradgetriebe von 7,5:1 und bei einem Gesamtgewicht von 4,3 Kilogramm erforderlich. Voraussetzung für den Einsatz eines solchen Systems ist allerdings, dass die Drehzahl immer konstant bleibt. Diese Einschränkung macht die gesamte Applikation unflexibel. Ist aufgrund des Prozessablaufs eine andere Drehzahl erforderlich, muss man entweder eine neue Antriebseinheit einsetzen oder, im günstigen Fall, nur das Getriebe tauschen - Prozessflexibilität sieht anders aus.

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Im Zuge neuer Maschinenrichtlinien wurden zusätzliche Forderungen für den Bereich der Antriebsüberwachung festgelegt, sodass AC-Motoren mit Softstarter beziehungsweise Stillstand- und Drehzahlüberwachung ausgerüstet werden müssen.

Mehr Aufwand und Verluste

Eine Möglichkeit bietet beim AC-Motor der Anbau eines Tachos, der über eine Steuereinheit einen Drehzahlbereich von etwa 15:1 erlaubt. Dieser Weg wird auch oft gewählt, wenn beim Projektanfang die notwendige Drehzahl nicht exakt feststeht. Üblicherweise werden einfache U/f-Controller verwendet, welche bei kleineren Drehzahlen höhere Verluste im Treiber verursachen. Mit den lobenswerten Wirkungsgraden von rund 70 Prozent bei den Induktionsmotoren ist es dann nicht mehr weit her: Das Stirnradgetriebe schluckt bereits 18 Prozent, und der Treiber verringert die Leistungsausbeute weiter. Bei kleineren Drehzahlen als die Nenndrehzahl kann der Wirkungsgrad leicht auf unter 30 Prozent sinken.

Moderne Transportaufgaben müssen meist schon aus Prozessgründen anpassungsfähig sein, und Änderungen der Drehzahl sollen sich problemlos bewerkstelligen lassen. Viele Anwendungen erfordern zudem ein weiches Anfahren sowie das Abfahren exakter Positionen mit Positionsrückmeldung, etwa bei Bändern, auf denen simultan Prüfungen durchgeführt werden oder das passende Stückgut über Geifer entnommen wird wie bei Pick&Place-Applikationen. Hier lohnt es sich, bei der Konstruktion oder beim Neudesign bestehender Anlagen Closed-Loop-Schrittmotoren in die Überlegung mit einzubeziehen. Schrittmotoren haben in den vergangenen Jahren durch die feldorientierte Regelung technologisch einen großen Sprung nach vorn getan und sind hinsichtlich Leistungsdichte, Flexibilität und Reaktionsfähigkeit auf sich verändernde Prozesssituationen sowie Energieeffizienz eine Betrachtung wert. Darüber hinaus kommen sie durch ihr hohes Drehmoment im Verhältnis zur Drehzahl meist ohne Getriebe aus. Nur bei höheren Transportlasten und sehr niedrigen Drehzahlen kann ein Getriebe erforderlich werden.

Für das konkrete Beispiel könnte alternativ ein Plug&Drive-Motor auf Schrittmotor-Basis verwendet werden, der mit einer Baugröße von 60 mal 122 Millimeter und einem Gewicht von 1,5 Kilogramm deutlich kleiner und leichter ist als die Variante AC-Motor plus Getriebe. Tests mit einem Gurtförderer wiesen bei einer Nenndrehzahl beziehungsweise halben Drehzahl einen Wirkungsgrad von 60/45 gegenüber 52/30 Prozent beim Induktionsmotor aus. Bei kleineren Transportbändern mit zwei bis drei Kilogramm Last wird bei den Induktionsmotoren üblicherweise die Baugröße 60 Millimeter (Gewicht 1,6 Kilogramm) benötigt, bei einem Plug & Drive Motor genügt die Baugröße 42 Millimeter mit nur 0,4 Kilogramm. Plug&Drive-Motoren sind Schrittmotoren, die den Controller bereits im Gehäuse integrieren. Dadurch sind sie kompakt und einfach einzubauen und anzusteuern. So lassen sie sich auch in Förderrollen oder Walzen integrieren, um hochintegrierte Transporteinheiten aufzubauen. In der Praxis werden die Plug&Drive-Motoren in Förderanlagen zudem bereits als Weichen eingesetzt.

Höhere Energieeffizienz

Normale Schrittmotoren arbeiten im offenen Regelkreis. Er erfolgt keine Positionsrückmeldung. Der Motor fährt gewissermaßen eine feste Position an. Abweichungen und Fehlpositionierungen aufgrund von veränderten Lasten oder Resonanzen werden nicht erkannt. Normale Schrittmotoren im Open Loop und ohne Encoder sind deshalb wenig vorteilhaft für einen zuverlässigen Bandbetrieb - vermutlich der Grund dafür, dass lange Zeit hauptsächlich Induktionsmotoren verwendet wurden. Mit Closed-Loop ist das anders. Plug&Drive-Motoren mit geschlossenem Regelkreis sind eher als hochpolige Servomotoren einzuordnen. Der benötigte Laststrom wird über den Regelkreis angepasst. Der Antrieb kann damit flexibel auf veränderte Bedingungen reagieren. Durch die effiziente Stromregelung entsteht weniger Verlustwärme im Motor, er bleibt erheblich kühler. So werden die Motorlager geschont. Ein leistungsstarker Mikroprozessor, der die feldorientierte Regelung und die integrierte Leistungsendstufe ansteuert, stellt zusätzliche Überwachungsfunktionen etwa zur Diagnose von Überlast oder Blockade bereit. Er kann über die Ein-/Ausgänge übergeordnete Bewegungszustände abfragen, über NanoJ easy logisch verknüpfen und über RS485 oder Canopen vernetzt weiterverarbeiten. Alle motor- und prozessnahen Funktionen lassen sich ohne Programmierkenntnisse über die Windows-Oberfläche einstellen. Über den Analogeingang kann zudem eine motornahe Drehzahleinstellung erfolgen. Der ideale Einsatzbereich von Closed-Loop-gefahrenen Plug&Drive-Motoren liegt je nach Motortyp bei 100 bis 800 Umdrehungen pro Minute und lässt sich im Drehzahlbereich 25:1 variieren. Benno Wimmer/pb

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