Entscheidend in der Antriebstechnik sind heute nicht die Kosten der Einzelkomponenten, sondern Systemkosten und -verfügbarkeit unter dem Gesichtspunkt des Lebenszyklus einer Applikation. Der Einsatz von immer leistungsfähigeren Prozessoren in Frequenzumrichtern ermöglicht es, auf Basis der gemessenen Größen in Frequenzumrichtern Anlagenwerte zu ermitteln, die für das Verfahren, den Betrieb oder Schutz des Antriebes sowie der Gesamtanlage von Bedeutung sind. Lastmodelle ersetzen so die Erfassung der Parameter durch Sensoren.
Der Autor, Dipl.-Ing. Dr. Karl Kaiser, ist Vertriebs- und Marketingleiter der VA Tech Elin EBG Elektronik GmbH, Wien
Inhaltsverzeichnis
1. Doppelprozessor unterstützt Lastmodelle
2. Lastmodelle in Frequenzumrichtern basieren auf Phasen-Spannung und -Strom
3. Beispiel: Tunnelvortriebsmaschinen
4. Beispiel: Spritzgießmaschinen
In den letzten Jahren entwickelte sich der robuste Drehstrommotor in Kombination mit dem Frequenzumrichter zum Industriestandard für drehzahlvariable Antriebe. Die Integration moderner Antriebe in die Automatisierungstechnik schreitet unaufhaltsam voran und das Realisierungspotential dafür kommt aus der Weiterentwicklung der Mikroelektronik.
Doppelprozessor unterstützt Lastmodelle
Die Frequenzumrichterserie pdrive MX ist mit einem leistungsfähigen Doppelprozessorsystem ausgerüstet, sodass neben der Antriebsaufgabe zusätzliche Funktionen in Zusammenhang mit der Applikation und der Anlagensteuerung vom Frequenzumrichter übernommen werden können. Dieser Integrationsprozess kann nun auf zwei Ebenen erfolgen:
– als Funktion Sensor für anlagenspezifische Größen wie Wellendrehmoment, Motordrehzahl, Anlagendrehzahl, Anlagengeschwindigkeit, Motortemperatur, Umgebungstemperatur, etc.
– als Funktion Übernahme lokaler Steuerungsfunktionen
Aus Sicht des Anwendernutzens liegt der Fokus auf der Ebene 1. Diese Integration von Lastmodellen in Frequenzumrichtern führt zu einer direkten Einsparung von Komponenten der Sensorik wie Drehgeber, Drehmomentflansch, Temperaturmessstellen, etc. Das Ergebnis führt zu einer Reduktion von Anlagenkosten und einer Erhöhung der Verfügbarkeit. Voraussetzung für die Nutzung dieses Vorteiles ist natürlich eine im Frequenzumrichter implementiere Regelungsstrategie wie Auto Vector Control (AVC), die die benötigten Größen ohne entsprechenden Sensor erfasst.
Was Frequenzumrichter können und wie sie arbeiten
Auto Vector Control (AVC) als Regelverfahren und Flux Mode Control (FMC) als Modulationsverfahren bilden die Grundlage für die dynamischen Antriebseigenschaften des pdrive MX und darüber hinaus die Basis für die Beobachtung von anlagenspezifischen Größen. AVC und FMC sind spezielle Verfahren der VA Tech Elin EBG Elektronik zur Drehzahlregelung eines Drehstromasynchronmotors ohne Drehgeberrückführung. Erst leistungsfähigste Mikroelektronik ermöglicht die Implementierung dieser Verfahren, das nur die Messwerte Phasenstrom und Phasenspannung erfordern.
FMC regelt den Klemmenfluss des Motors in Echtzeit. Die dazu erforderliche Ausgangsspannungsmessung des pdrive MX erreicht eine Auflösung kleiner als 50 mV. AVC ermöglicht über eine Modellbildung des Motors die Flusskomponenten im Luftspalt zwischen Ständer und Rotor des Motors zu regeln. Voraussetzung dafür ist eine möglichst exakte Kenntnis der Motorparameter für die Bildung der Lastmodelle im Frequenzumrichter, die bei der Inbetriebnahme mit stillstehendem Motor automatisch erfasst werden.
Lastmodelle in Frequenzumrichtern basieren auf Phasen-Spannung und -Strom
Basierend auf Auto Vector Control (AVC) ist der pdrive MX typischer Weise in der Lage, das Wellendrehmoment eines für Frequenzumrichterbetrieb konzipierten Drehstromasynchronmotors ohne Drehgeberrückführung mit einem mittleren Fehler von nur 1,5 % zu berechnen (Fehlermittelwert einer Messserie im Drehzahlbereich 10-100 % nnenn und Drehmomentbereich 10-100% Mnenn). Die exakte Führbarkeit eines Antriebes innerhalb enger Drehmomentgrenzen hat wesentliche technische und kommerzielle Auswirkungen auf die Konzeption des gesamten Antriebsstranges. Dieser Aspekt läuft unter dem Schlagwort Gezügelte Power Drives. Getriebe, Kupplung, Welle können mit direkten Auswirkungen auf Kosten und Verfügbarkeit neu bewertet werden.
Beispiel: Tunnelvortriebsmaschinen
Ein Beispiel am oberen Ende der Skala der elektrischen und mechanischen Machbarkeit im Maschinenbau sind Tunnelvortriebsmaschinen. Die Herrenknecht AG gilt als bekannter Hersteller von Tunnelbohrmaschinen und setzt seit Jahren pdrive-MX-Frequenzumrichter und wassergekühlte Motoren der VA Tech Elin EBG Motoren GmbH ein. Typischerweise wird ein Bohrkopf von mehr als 10 Motoren, die über Einzelgetriebe auf einen gemeinsamen Zahnkranz antreiben, gedreht. Die Bohrkopfleistungen bewegen sich zwischen 3 und 5 MW. Gezügelte Power Drives sind bei dieser Applikation eine Überlebensfrage für Mensch und Material. Natürlich sind noch weitere Eigenschaften des pdrive MX wie seine wassergekühlte Ausführungsvariante und sein hoher Qualitätsstandard für den erfolgreichen Einsatz in derart rauer Umgebung verantwortlich. Die verfahrensrelevante und zu beobachtende Größe für Tunnelbohren im Hartgestein ist die Wellenleistung. Diese wird über die Vortriebsgeschwindigkeit konstant gehalten. Durch die Modellbildung im Frequenzumrichter ist eine genaue Kenntnis des Drehmomentes zum Schutz der Anlage möglich.
Beispiel: Spritzgießmaschinen
Im Falle von Extruderapplikationen ist die verfahrensrelevante Größe das Drehmoment. Dieses muss möglichst gleichmäßig beim Plastifizierungsvorgang eingebracht werden. Beim Einsatz von pdrive MX für Extruder oder elektrische Schneckenantriebe von Spritzgießmaschinen wird das Drehmoment entsprechend mitprotokolliert. Die Fa. Engel Maschinenbau GmbH, Hersteller von Spritzgießmaschinen, setzt für elektrische Schneckenantriebe pdrive MX-Frequenzumrichter ein und nutzt die Modellbildung zur Bestimmung der Parameter.
Temperatur
Der hier vorgestellte Frequenzumrichter hat für alle direkt betriebenen Komponenten (Frequenzumrichter, Kabel, Motor, Bremswiderstand) parametrierbare thermische Modelle hinterlegt, sodass ein effizienter Anlagenschutz möglich wird.
Logik- und Steuerfunktionen
Die Integration von Steuerungsaufgaben ermöglicht der Frequenzumrichter durch die zur Verfügung stehenden, frei belegbaren Logikblöcke und Komparatoren. Die Konfiguration dieser Elemente kann auf Standard-Parameter-Ebene über das Symbol-Matrix-Bedienfeld oder über die PC-Oberfläche Matrix erfolgen.
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