Eine Publikation der Binkert Medien AG
Elektrisch geregelte Antriebe in der mobilen Automation : Ausgabe 02/2012, 15.09.2012

Elektrische Umrichtertechnik wird mobil

In der industriellen Automation haben sie längst einen wichtigen Platz eingenommen: die elektrisch geregelten Antriebe. Anders sieht es in der mobilen Automation aus. Die Jetter AG hat in den letzten Jahren erheblichen Entwicklungsaufwand geleistet, um diese Technologie nun auch für mobile Arbeitsgeräte verfügbar zu machen.

Autor: Andreas Leu, Technisches Marketing und Seminare, Jetter

Die Anforderungen in der mobilen Auto­mation an elektrische und elektronische Komponenten sind hart. Sie sind häufig gros­sen Temperaturschwankungen, Vibrationen, Flüssigk­eiten und Schmutz ausgesetzt. Aus diesem Grund wurden bei den Antrieben für mobile Arbeitsmaschinen in der Vergangenheit hydraulische Systeme eingesetzt. Sie eigneten sich besonders gut, da sie robust sind und häufig grosse Lasten zu bewegen hatten. Die Drehmomentanforderungen im mobilen Bereich sind in der Regel hoch. Geht es jedoch darum, bei Anwendungen eine dynamische Regelung zu realisieren, stossen hydraulische Systeme an ihre physikalischen Grenzen. In solchen Anwendungsfällen macht der Einsatz eines elektrischen Antriebs durchaus Sinn.

Vergleich der beiden Systeme

Bei der Gegenüberstellung von elektrischer und hydraulischer Antriebstechnik geht es nicht darum, letztere Technologie schlechtzureden. Sie wird auch in Zukunft ihren Platz in der mobilen Antriebstechnik haben. Es existieren allerdings mehrere Anwendungsfälle, bei denen sich der Einsatz elektrischer Antriebstechnik lohnt. Die Vorteile liegen im Wirkungsgrad und in der höheren Reaktionsfähigkeit bei Geschwindigkeitsänderungen, was die Regelgüte erheblich verbessert. Durch den besseren Wirkungsgrad der elektrischen Antriebe lässt sich auch die CO2-Bilanz verbessern. Die Elektrik wird die Hydraulik in der nahen Zukunft aus Kostengründen kaum verdrängen, daher sind auch Kombinationsarten denkbar.

Gleich – oder ganz anders?

Die elektrischen Antriebsregler für mobile Anwendungen sind hinsichtlich des Hardwareaufbaus und der Motoransteuerung im Prinzip mit den in der Indus­trieautomation verwendeten Antriebsreglern identisch. Der Antriebsregler JMM-5000 lässt sich mit einer Gleichspannung (Zwischenkreisspannung) oder Wechselspannung speisen. Diese wird von einem Generator erzeugt. Bei einem Traktor wird er normalerweise mechanisch von der Zapfwelle angetrieben. Anhand der Drehzahlsollwerte und der Informationen, die die Rückführung des Motors liefert, in der Regel ein Resolver, wird ein elektronisches Drehfeld (Kommutierung) an den Statorspulen des Synchronmotors erzeugt. Der Rotor aus starken Permanentmagneten folgt diesem Drehfeld. Bei einer Bremsung des Antriebs wird die Energie in den Zwischenkreis zurückgespeist.

Alternativ lassen sich am JMM-5000 auch Asynchronmotoren betreiben. In diesem Fall wird der Umrichter mit bis zu 560 V Wechselspannung gespeist. Die Motoren kann man sowohl ohne Rückführung ungeregelt im U/f-Betrieb als auch mit Rückführung mit Vektor-Regelung ansteuern. Im Gegensatz zu den Anwendungen im Industriebereich sind die mechanischen Parameter und Umgebungseinflüsse bei mobilen Anwendungen schwieriger zu handhaben, weil sie nicht so einfach erfassbar sind. Hohe Temperaturschwankungen und Schutzgradanforderungen machen eine Wasserkühlung des Reglergehäuses und eventuell auch des Motors notwendig. Äussere Einflüsse wie Feuchtigkeit, Staub und Flüssigkeiten erfordern einen hohen Dichtungsschutz. Oft sind die Lastverhältnisse, zum Beispiel bei einem Fahrantrieb, unklar und schwer zu eruieren.

Sinnvolle Applikationsvarianten

Der Einsatz elektrischer Antriebstechnik macht dort Sinn, wo diese Technologie eine oder mehrere der im Vergleich zur Hydraulik genannten Vorteile ausspielen kann. Vielfach kann durch den Einsatz dieser Technologie ein erheblich optimiertes Ergebnis erzielt werden. Beispielhafte Anwendungen wären:

  • Förderbänder
  • Lüfter und Gebläse
  • Schneckenwellen
  • Radantriebe
  • dynamische Drehzahl- und Positionsregelungen

Es kann losgehen

Beim JMM-5000 handelt es sich um einen Doppelumrichter für mobile Antriebsanwendungen in abgestuften Leistungsklassen von 5 bis 80 kW. Die eingespeiste Zwischenkreisspannung kann zwischen 200 und 850 VDC oder bis zu 560 VAC betragen. Als Datenbus für die Kommunikation mit der übergeordneten Steuerung kommt der in der Automotive-Branche standardisierte CAN-Bus zum Einsatz. Der Datenaustauch geschieht über das im Mobilbereich verbreitete Protokoll CANopen. Damit der mobile Umrichter die hohe Schutzart IP 6 K 9 K erreicht, kühlt man ihn mit einem Wasser/Glycol-Gemisch. Als Rückführung der Rotorlage und Motordrehzahl lässt sich ein Resolver anschlies­sen.

Für die Zukunft gerüstet

Um die realen Anforderungen aus der Praxis im Labor abzubilden, hat Jetter einen Motorprüfstand mit Servomotoren und -reglern gebaut. Mit dieser Testanlage lassen sich bis zu vier Servomotoren betreiben und testen. Um eine Applikation realitätsgetreu darzustellen, lassen sich an den Wellen der zu testenden Motoren wieder Servomotoren ankoppeln, die die sich ändernden Lastverhältnisse simulieren. Die Regler sind über einen CAN-Bus an eine JetControl-Steuerung angeschlossen. Auf ihr läuft das jeweilige Simulationsprogramm ab. Dieses Programm bildet möglichst genau die realen Verhältnisse der Applikation an der mobilen Arbeitsmaschine ab. Auf diese Weise lassen sich die optimalen Regleralgorithmen und Parameter für den Antriebsregler ermitteln und implementieren.

Infoservice


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info@jetterag.ch, www.jetterag.ch



Auf dem Motorprüfstand lässt sich das Verhalten von Kundenapplikationen mit bis zu vier Antrieben simulieren


Der Doppelumrichter JMM-5000 ist dank seinem robusten Aufbau für Anwendungen mit harten Umgebungsbedingungen gerüstet


Aufbau des Motorprüfstands – ein 80-kW-Motor simuliert die Zapfwelle und treibt damit den Generator an