Für jede Aufgabe die richtige Antriebstechnik – ein Überblick

Prof. Dr.-Ing. Thomas Schmertosch (schmertosch.de/automatisierung) betreut seit 2014 an der HTWK Leipzig als Honorarprofessor die Fachgebiete ‚Komponenten der Automatisierung‘ sowie ‚Modulare Automatisierungssysteme‘. 1952 in Leipzig geboren, studierte und promovierte er als Kybernetiker und arbeitete bis zu seinem Ruhestand als Automatisierungsingenieur. Seit 2016 ist er freiberuflich als Fachautor und beratender Ingenieur rund um das Thema Automatisierungstechnik und Industrie 4.0 tätig.

Zu den Grundlagen der Automatisierungstechnik sind von Prof. Schmertosch erschienen:

• Industrielle Kommunikation in der Automatisierungstechnik
• Wozu dienen Feldbus und Industrial Ethernet?
• Was ist eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) und ist sie noch zeitgemäß?
• Welche Funktion haben I/O-Module und was können sie leisten?
• Für jede Aufgabe die richtige Antriebstechnik – ein Überblick
• Wozu dienen HMI-Systeme und welche Varianten gibt es?

Inhaltsverzeichnis

1. Welche Eigenschaften charakterisieren ein Antriebssystem?
2. Die wesentlichen Komponenten eines elektrischen Antriebes
3. Das richtige System für jede Antriebsaufgabe
4. Gleichstrom- und Drehstromantriebe: Grundsätzlicher Aufbau
5. Worauf ist bei der Auslegung eines Antriebssystems zu achten?
6. Was gehört zur Auswahl des Motors?
7. Wozu dienen Positionsgeber?
8. Stromrichter für Drehstromantriebe
9. Fazit

Welche Eigenschaften charakterisieren ein Antriebssystem?

Die Auslegung der Antriebstechnik ist extrem vielschichtig und ein wichtiger Bestandteil der Konstruktion, denn sie ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit vieler Maschinen.

Wesentliche Anforderungen an ein Antriebssystem sind seine Kennwerte in Bezug auf die Dynamik, womit ganz allgemein Kraft, Triebkraft oder auf Veränderung gerichtete Kraft in Zusammenhang mit einer zeitlichen Entwicklung bezeichnet wird. Bei Positionier­anwendungen kommt dazu die Wiederholgenauigkeit von Kraft, Geschwindigkeit und Position.

Sehr häufig werden in der Praxis folgende Eigenschaften gefordert:

• Schnelles Erreichen einer Geschwindigkeit
• Schnelles Erreichen einer genauen Position
• Exaktes Einhalten einer Geschwindigkeit
• Einhalten eines vorgegebenen Drehmoments

Ganz allgemein muss das Antriebssystem dazu fähig sein, die verbundene Mechanik exakt nach Vorgabe anzutreiben und entsprechende Kräfte umzusetzen, ohne dabei an Genauigkeit zu verlieren.

Typische Aufgaben elektrischer Antriebstechnik sind:

• Antrieb von Pumpen, Ventilatoren, Förderbändern etc. (kontinuierlich)
• Positionierung in mechatronischen Systemen (diskontinuierlich)

Die wesentlichen Komponenten eines elektrischen Antriebes

Im Prinzip besteht eine Antriebseinheit immer aus den folgenden drei Komponenten:

• Motor
• Stellgerät
• Anschlusstechnik

Dazu kommen je nach Anwendungsfall

• Positionsgeber
• Getriebe und diverse Antriebselemente
• Verbindungsleitungen
• Zubehör

Dabei ist zu beachten, dass die Komponenten der Antriebstechnik in besonders starken Wechselwirkungen zueinanderstehen stehen und sich gegenseitig beeinflussen.

Das richtige System für für jede Antriebsaufgabe

Ganz allgemein können elektrische Antriebssysteme für den Maschinen- und Gerätebau in folgende Klassen einge­teilt werden:

• Gleichstromantriebe
  • Eigenschaften: typisch für kleine Positionieranwendungen, energieeffizient, nicht wartungsfrei (Bürsten)
  • für viele Antriebsaufgaben in der Gerätetechnik und Feinmechanik
  • Bsp.: Miniaturantriebe in der Gerätetechnik, kleine Hilfsantriebe
• Schrittmotorantriebe
  • Eigenschaften: kleine Momente, gleichbleibendes Moment in einem spezifizierten Drehzahlbereich, gutes Stillstands­verhalten, kostengünstig, kompakt, typisch geber­los, wenig dynamisch, kein Dauerbetrieb
  • für geberlose Positionierung in unterschiedlichen Anwendungen
  • Bsp.: Miniatur- und Kleinantriebe in der Gerätetechnik, Formateinstellung und Zustellachsen in Verpackungs- und polygrafischen Maschinen

• Drehstrom-Asynchron-Antriebe
  • Eigenschaften: kostengünstig, robust, wartungsfrei, nicht sehr effizient, geberlose Regelung in einem spezifizierten Drehzahlbereich möglich, typisch nicht für Positionieranwendungen
  • für kontinuierliche Betriebsweisen mit Leistungen bis in den MW-Bereich
  • Bsp.: für Förderanlagen, Pumpen, Gebläse, Hauptantriebe in Maschinen
• Servoantriebe
  • Eigenschaften: hohe Dynamik, präzise positionierbar, lange Lebensdauer, hohe Leistungsdichte, wartungsfrei, höherer Preis
  • für kontinuierliche und diskontinuierliche Betriebsweisen, Positionieranwendungen
  • Bsp.: Ablösung mechanischer Kopplungen in mehrachsigen Maschinen, elektro­nische Kurvengetriebe, Einsatz in Robotern, Werkzeug- und allen Arten von Verarbeitungsmaschinen

In der Klasse der Servoantriebe kann noch unterschieden werden in:

• rotatorische Antriebe mit klassischen Servomotoren
  • Einsatz in Robotern, Werkzeug- und allen Arten von Verarbeitungsmaschinen
• rotatorische Direktantriebe (Torque-Motoren)
  • für hohe Drehmomente bei Drehzahlen unter 1.000 min^-1 als getriebelose Antriebsform
  • Bsp.: in Werkzeugmaschinen, Druckmaschinen oder Pressen
• Lineare Direktantriebe (Linearmotoren)
  • generieren direkte lineare Bewegungen mit hohen Beschleunigungswerten und Verfahrge­schwindigkeiten
  • Bsp.: für hochdynamische Anwendungen in Verpackungsmaschinen oder Handlingsystemen
• Langstator-Linearantriebe
  • gleiche Eigenschaften wie Linearantriebe, jedoch mit großer Längenausdehnung für hochdynamische und flexible Transport- und Handlingsysteme

Gleichstrom- und Drehstromantriebe: Grundsätzlicher Aufbau

Für den Maschinen- und Gerätebau können Antriebssysteme je nach Anwendung wie folgt aufgebaut sein:

• Kleinantriebe
  • Antriebe in Gleichstrom- oder Schrittmotortechnik
  • Spannungsbereiche unter 100 V Gleichstrom
  • Leistungsgrößen von kleiner 1 W bis ca. 1 kW
  • Motoransteuerung über geeignete IO-Module oder externe Geräte
  • Bauform: Leistungsteil separat oder als Kompaktantrieb mit allen erforderlichen Ein- und Ausgängen für die komplette Antriebsachse in einem Gerät
  • DC-Motoren: Motorbrücken-Schaltung für Vor- und Rückwärtslauf oder Ausgänge mit Pulsbreitenmodulation (PWM)
  • Schrittmotoren: Direktansteuerung mit oder ohne Positionsrückmeldung
• Drehstromantriebe
  • ungeregelte oder drehzahlgestellte Asynchronmotoren
  • Spannungsbereiche ab 110 V bis 480 V Wechselstrom, dreiphasig
  • Leistungsgrößen von ca. 0,5 kW bis mehrere 100 kW
  • Ansteuerung über Schützschaltungen oder Sanftstarter
  • Drehzahlstellung über Frequenzumrichter optional auch mit Regelung in geringerer Genauigkeit und mit eingeschränktem Drehzahlbereich
  • optionale Sicherheitsfunktionen, wie z.B. STO (Sicher abgeschaltetes Dreh­moment), SLS (Sichere reduzierte Geschwindigkeit) oder SS1 (Sicherer Halt)
• Einzel- und Mehrachs-Servoantriebe
  • Leistungsstarke und präzise Systeme mit Servomotoren
  • Spannungsbereiche ab 110 V bis 480 V Wechselstrom, meist dreiphasig
  • Leistungsgrößen bis über 100 kW
  • Motoren verfügen über Positionsgeber
  • Umfangreiche technologische Funktionen für optimale Anpassung an die Antriebsaufgabe
  • Einzelachs-Bauformen mit getrennten Motor-Verstärker-Kombinationen
  • Mehrachs-Bauformen i.d.R. in Modulbauweise mit separaten Baugruppen für Leistungs­ver­sorgung, Netzfilter, Energiespeicher und Wechselrichter im Racksystem
  • Motor- und Geberverkabelung über separate Einzel- oder Hybridkabel
• Motorintegrierte Antriebssysteme
  • Kompakte Systeme mit Servo- oder Asynchronmotoren für dezentralen und schalt­schrank­reduzierten Aufbau
  • Leistungsversorgung mit 110 V bis 480 V Wechselstrom oder über DC-Zwischenkreis aus einem zentralen Versorgungsmodul
  • Leistungsgrößen meist unter 10 kW
  • optional zusätzliche lokale Ein- und Ausgänge zur Verarbeitung intern oder
    in der SPS
  • Verkabelung i.d.R. über Hybridkabel für Leistungsversorgung und Feldbus je nach Ausführung mit Verteilerboxen oder doppelt ausgeführte Motorstecker
  • Umfangreiche technologische Funktionen für optimale Anpassung an die Antriebs­aufgabe

Worauf ist bei der Auslegung eines Antriebssystems zu achten?

Die Auslegung eines Antriebssystems ist ein iterativer Prozess, wobei die einzelnen Schritte unter Umständen öfter durchlaufen werden müssen. Dazu hat sich die folgende prinzipielle Vorgehensweise bewährt:

1. Antriebsart auswählen (linear, rotatorisch, Schritt, Servo, …)
2. Entsprechend der Drehzahl und der Drehmomentverläufe den Motor wählen
3. Thermische Belastbarkeit des Motors prüfen
4. Konstruktive Motoroptionen auswählen
5. Gebersystem wählen
6. Stromrichter wählen
7. Wirtschaftlichkeit der Antriebslösung prüfen und ggf. die Schritte erneut durchlaufen

In diesem Zusammenhang ergeben sich noch weitere Aspekte, die nicht außer Acht gelassen werden dürfen. Zu diesen zählen sowohl länderspezifische Besonderheiten als auch die Bedingungen aus dem unmittelbaren Umfeld:

8. Welches Versorgungsnetz steht vor Ort zur Verfügung?
9. Wie konstant ist das Versorgungsnetz?
10. In welcher Seehöhe wird die Maschine betrieben?
11. Gibt es besondere Bedingungen aus dem direkten Betriebsumfeld?
12. Werden die länderspezifischen Richtlinien und Normen eingehalten?

Für die korrekte Antriebsdimensionierung ist eine Vielzahl an Berechnungen notwendig, die den Aufbau der Mechanik einbeziehen. Mit den errechneten Werten kann der benötigte Motor, der Stromrichter und in weiterer Folge die benötigte Leistungsversorgung ermittelt werden. Zur Vereinfachung dieser Vorgänge eignen sich verschiedene Engineering-Werkzeuge, die von den Antriebsherstellern häufig mit angeboten werden.

Was gehört zur Auswahl des Motors?

Die Motorenauswahl ist der erste Schritt bei der Konfiguration eines Antriebsstranges. Dabei erfolgt in erster Linie die Anpassung an die Arbeitsmaschine. Wichtige Ausgangsdaten sind dazu die mechanischen Daten jeweils mit

• Antriebsart (synchron, asynchron, linear, direkt)
• Drehzahl bzw. Geschwindigkeit (Nenn-, Minimal- und Maximalwert)
• Lastmoment (Nenn-, Minimal- und Maximalwert)
• Momentverläufe über der Zeit
• Betriebsart (Dauer-, Kurzzeit- oder Impulsbetrieb)

Mit diesen Angaben kann bereits in erster Näherung ein entsprechender Motor und bei rotatorischen Antrieben ein ggf. erforderliches Getriebe ausgewählt werden. Das ausgewählte Produkt muss nun anhand der Umgebungsbedingungen und der vorgesehenen Betriebsart auf seine thermische Belastbarkeit geprüft werden. Dabei wird entschieden, mit welcher Kühlvariante der Motor ausgestattet werden muss.

Die meisten Anwendungen kommen mit der einfachen Selbstkühlung aus, bei denen die thermische Energie über das Motorgehäuse ohne Zusatzeinrichtungen per Konvektion und Strahlung an die Umgebung abgegeben wird. Bei höheren Umgebungstemperaturen sind abhängig von der Betriebsart u.U. auch Fremdkühlsysteme erforderlich.

In einem weiteren Schritt muss bei Servoantrieben noch ein für die Antriebsaufgabe geeigneter Positionsgeber bestimmt werden, denn er sitzt bei Servomotoren direkt auf dem Rotor.

Wozu dienen Positionsgeber?

Die exakte Position eines Antriebes ist die wichtigste Information bei der Steuerung eines Positionierungsprozesses. Ein wichtiger Bestandteil dafür ist der Positionsgeber (engl. Encoder). Er ermöglicht die genaue Bestimmung der Position eines mechanischen Elements und es lässt sich die Bewegungsgeschwindigkeit ableiten. Oft ist der Positionsgeber direkt Bestandteil des Motors, jedoch sind auch Positionsmessungen an der Last erforderlich.

Was sind Drehgeber und wie funktionieren sie

In einem Positioniersystem stellt der Positionsgeber funktionell ein wichtiges Messglied in einer Antriebskonfiguration dar und nimmt eine Mehrfachrolle ein. Über ihn erhält der Antriebsregler die Infor­mationen zur aktuellen Position und der Geschwindigkeit des Antriebes. Schließlich wird das Statorfeld eines Servomotors mit diesen Informationen durch den Servoverstärker gezielt gesteuert (sog. elektronische Kommutie­rung). Darum wird bei diesen Motoren der Positionsgeber direkt im Motorengehäuse mit der Antriebswelle verbunden.

Grundsätzlich wird in Inkremental- und Absolutwertgeber unterschieden. Während letztere die absolute Position des Rotors und bei sogenannten Muliturn-Gebern auch der nachfolgenden Mechanik erfassen können, benötigen Inkrementalgeber zusätzliche Referenzinformationen und -bewegungen, die nach jedem Einschalten erforderlich sind.

In Verbindung mit Frequenzumformern oder Schrittmotoren kann auch auf eine Positionsrückführung verzichtet werden (Encoderless Control). Dies geschieht einerseits aus Kostengründen, andererseits ist oftmals die erreichbare Positionier- oder Geschwindigkeits­genauig­keit auch ohne Geber aus­reichend.

Stromrichter für Drehstromantriebe

Die Aufgabe von Stromrichtern ist die Aufbereitung elektrischer Energie aus einem Versorgungsnetz für den Betrieb elektrischer Antriebe. Dazu nimmt der Stromrichter elektrische Energie aus dem Netz auf und gibt sie mit den benötigten Spannungsverläufen an den Motor weiter, der so in seiner Drehzahl gezielt gesteuert oder für eine Positionierung in seiner Lage geregelt werden kann. Bei drehzahlgeregelten oder gestellten Drehfeldmaschinen (Asynchron- und Synchronmotor) wird mittels Stromrichtern das Magnetfeld im Stator durch das Verändern der Speisung der Statorwicklungen beeinflusst. Dabei ergibt sich die Ausrichtung und Intensität des Magnetfeldes aus den jeweilig anliegenden Wicklungsspannungen. So können mit der Drehfeldfrequenz die Drehzahl und durch den Strom die Kraft des Motors gezielt beeinflusst werden.

Dazu wird elektrische Energie aus dem Netz entnommen, in einem Brücken­gleich­gerichter zu Gleichspannung gewandelt und in einen DC-Zwischenkreis gespeist. Daraus wird ein Wechselrichter versorgt, der mittels Pulsweitenmodulation ein Drehfeld mit variabler Spannung und Fre­quenz generiert. Im DC-Zwischen­­kreis übernehmen Kondensatoren die Speicherung und Stabilisierung der elektrischen Energie. Weitere Komponenten sind ein Bremswiderstand, über den die bei einem Bremsvor­gang entstehende überschüssige Energie thermisch abge­ge­ben wird und ein vorgeschalteter Netzfilter sorgt schließlich dafür, dass keine störenden Oberwellen zurück in das Versorgungsnetz gelangen. 

Unter den beiden Haupt­typen unterscheidet man in Frequenzumrichter (FU) und Servover­stärker, wobei der Aufbau und die Funktionsweise der Leistungselektronik für beide prinzipiell ähnlich sind.

• Ein Frequenzumrichter ist im klassischen Sinne ein Drehzahlstellgerät, mit dem eine Drehfeldvorgabe ohne Bezug auf die Rotorposition erfolgt (kein Positionsgeber). Das  Regelverhalten ist eher langsam und daher nicht für hochdynamische Prozesse geeignet. Mögliche Anwendungsgebiete sind Krane, Förderanlagen, Pumpen, Ventilatoren u.ä.
• Digitale Servoverstärker werden dazu verwendet, um Synchronmotoren mit integrierter Posi­tions­messung zu betreiben. Dabei wird eine Sollposition vorgegeben, die erreicht werden soll. Durch die direkte Integra­tion eines Gebersystems in die Regelkreise ist es möglich, die erreichte Posi­tion zu halten und beispielsweise auch hängende Lasten zu kontrollieren. Kompakte und leis­tungsfähige Algorithmen lösen auf dieser Basis die regelungstechnischen Aufgaben. Sie werden in den meisten Verarbeitungs- und Werkzeugmaschinen, Handhabungsgeräten sowie Robotern verwendet.

Fazit

Antriebssysteme sind zentrale Komponenten in fast allen Produktionssystemen und genauso vielschichtig sind ihre Ausprägungen und Funktionen. Die Ausführungen können daher nur als ein erster Einstieg in die Thematik verstanden werden. So wurde der Fokus auf Wechselstromantriebe gelegt und auf die Darstellung spezieller Antriebsformen wie elektrischer
Direktantriebe, hydrau­lischer oder pneumatischer Aktorik im Interesse der Übersichtlichkeit verzichtet.

Automatisierung 4.0: Objektorientierte Entwicklung modularer Maschinen

Übersicht zu den Beiträgen der Serie Grundlagen der Automatisierungstechnik von Prof. Schmertosch:

• Industrielle Kommunikation in der Automatisierungstechnik
• Wozu dienen Feldbus und Industrial Ethernet?
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