Antriebsauslegung unter Life-Cycle-Betrachtungen

Schnell zur Lösung, die passt

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Mit dem so genannten Drive Solution Designer will Lenze Fachleute dabei unterstützen, aus einem modular aufgebauten Getriebemotorenbaukasten sowie der passenden Antriebselektronik schnell und eindeutig dokumentiert die passenden Lösungen zu finden.

Dipl.-Ing. Josef Langfermann, Branchenmanagement Fördertechnik, Lenze Hameln

Die Auslegung eines Antriebssystems ist üblicherweise ein anspruchsvolles Geschäft, welches in der Vergangenheit nur wenigen Spezialisten vorbehalten war. Die Zielsetzung bestand darin, aus einer Anwendung heraus in erster Linie die notwendige Leistung eines Motors rechnerisch zu bestimmen – ergänzt um ein Getriebe und den passenden Antriebsregler aus dem Katalog. Dieser zeitraubende Weg ist einem grundlegenden Wandel unterworfen. Kostenberechnungen über den Lebenszyklus einer Anlage hinweg, sowie Betrachtungen von Lebensdauer und Energieeffizienz haben das Wertegefüge verändert. Es ist die genaue Analyse der Betriebsbedingungen einer Anlage mit dem Grad der Auslastung und der geplanten Lebensdauer die festlegt, wie die Antriebstechnik optimal auszulegen ist. Die Lenze AG, Aerzen, folgt diesem Trend mit optimierten Produkten und speziell auf die Lösung abgestimmten Antriebssystemen. Ein Baustein auf dem Weg zur besten Lösung ist die ganzheitliche, softwarebasierte Antriebsauslegung eines Systems mit dem „Drive Solution Designer“.
Moderne, innovative Auslegungen betrachten heute keine Einzelkomponenten, sondern Gesamtsysteme. Dazu gehören – beispielsweise bei einem Getriebemotor – eben nicht nur Drehmoment und -zahl, sondern auch Angaben zur Auslastung, die optimale Anpassung der Massenträgheitsmomente sowie das Überlast- und Störverhalten. So erfüllt ein überdimensionierter Motor mit einem zu großen Getriebe zwar die gesetzten Anforderungen an eine Antriebslösung, treibt aber die Anschaffungs- und Betriebskosten unnötig in die Höhe.
Mit dem „Drive Solution Designer“ (DSD) auf dem Rechner verfügen die Ingenieure über eine Software, mit der sich direkt beim Kunden vor Ort individuelle Antriebslösungen einfach und sicher auslegen und auswählen lassen. Das Werkzeug integriert dabei detailliertes Fach- und Produktwissen aus Konstruktion und Anwendung, bildet so eine wichtige und umfassende Grundlage, um die vielfältigen Abhängigkeiten zwischen den Komponenten und ihrer Kombinierbarkeit – theoretisch immerhin 10 hoch 23 – zu bewältigen. Die Software ist dabei konsequent zugeschnitten auf die Praxis. Es gibt kaum eine Anwendung, die nicht im DSD berücksichtig wurde. Beispiele sind vertikale Förderelemente, Hubantriebe, Riemen-, Omega-, Spindel- und Linearantriebe, Lüfter oder Pumpen.
Das Auslegungsbeispiel eines hochdynamischen Hubantriebs zeigt, wie sich die konkreten Anlagenparameter leicht und direkt in den „Drive Solution Designer“ einfügen lassen. Die Abfrage mit vorgefertigten Checklisten erleichtert dabei die Arbeit vor Ort. Nach der Erfassung und Eingabe aller relevanten Prozessdaten errechnet das Programm den physikalischen Bedarf und alle möglichen technischen Lösungen. Dabei ist es für den Anwender jederzeit möglich, den Auslegungsprozess interaktiv mitzugestalten. In diesem Fall wurde eine Antriebsachse, bestehend aus einem Standard-Getriebemotor in Verbindung mit einem hochdynamischen Servoregler der Reihe ECS, ausgewählt. Ein Widerspruch? Bei Hubanwendungen keinesfalls.
Hubanwendungen haben in der Regel die Aufgabe, große Massen punktgenau mit hoher Dynamik zu transportieren. Vor diesem Hintergrund bestimmen meist Servoregler mit Synchron-Servomotoren das Bild. Die Steuerung übernehmen in der Regel übergeordnete Positioniersysteme – entweder im Antriebsregler integriert oder auch als zusätzliche Steuerung. Angesichts der Tatsache, dass Servomotoren auf Dynamik getrimmt sind, fällt das Eigenträgheitsmoment des Motors vergleichsweise klein aus. In fördertechnischen Anwendungen findet man jedoch häufig große zu bewegende Massen, die ihrerseits hohe Trägheitsmomente aufweisen.
Dieser Zusammenhang führt zu regelungstechnischen Stabilitätsgrenzen. Sie sind dann überschritten, wenn das Verhältnis der Massenträgheitsmomente vom Rotor des Motors, transformiert zur Abtriebswelle des Getriebes und hin zur Last zu groß wird. In einem solchen Fall gibt der DSD sogleich eine Warnung aus. Jetzt wäre es ein Leichtes, dieses Problem durch einen größeren, überdimensionierten Servomotor zu lösen.
Viel eleganter und preiswerter ist es jedoch, eine Standard-Asynchronmaschine am Servoregler zu betreiben. Nur wenige Hersteller von Servo-Antriebsreglern bieten diese Möglichkeit. Hintergrund: Standard-Asynchronmotoren verfügen durch ihre Bauweise über ein deutlich größeres Trägheitsmoment als ein Servomotor. Insofern lässt sich zusammenfassend feststellen, dass sich diese Kombination ideal dafür eignet, große Massen dynamisch zu bewegen. Der Motor verhält sich ruhiger, gutmütiger und das ohne Rucken oder Vibrationen im System. Sie werden hervorgerufen durch Instabilitäten in den Regelkreisen. Das Ergebnis der Kombinatorik zwischen Standard-Getriebemotor und Servoregler überzeugt. Konkrete Anwendungen zeigen beeindruckend, welche Dynamik mit einem Standard-Asynchronmotor preiswert zu erreichen ist.
Diese Vorteile zu nutzen heißt, Antriebsregler zu bauen, die sämtliche elektrischen Komponenten eines Asynchron-Normmotors beherrschen. So lassen sich mit den Reihen ECS, 9300 und den Servo Drives 9400 beispielsweise die flussbildende Komponente konstant halten und der drehmomentbildende Anteil des Stroms beliebig groß einprägen. Dieses setzt die statischen Kennlinien, die bei einem 400V-Netz mit 50 Hz gültig sind, völlig außer Kraft. Die Servoregler können ein Vielfaches des Kippmoments aus dem Motor herausholen. Nicht die elektrischen, sondern die mechanischen Grenzen – beispielsweise das Abscheren der Antriebswelle oder die Festigkeit des Rotors – bestimmen hier weitgehend das maximale Abtriebsmoment.
Die Elektronik ist aber nur ein Teil des Systems. Die generelle Leistungsfähigkeit mit ihren Vorteilen in der Praxis auch wirklich nutzen zu können heißt, ein passendes und breites Programm von Getriebemotoren zur Verfügung zu stellen. So lassen sich die Standard-Asynchron-Getriebemotoren einfach mit einem Resolver oder zweispurigen TTL-Geber als Rückführungssystem ausrüsten. Damit sind sie fit für den hochdynamischen, präzisen Einsatzfall.
Zurück zum Drive Solution Designer: Ist die Auslegung des exemplarisch geschilderten Hubantriebs abgeschlossen, wird das Ergebnis ausführlich protokolliert. Zur Dokumentation gehören die Eigenschaften der einzelnen Produkte genauso wie qualitative Aussagen über den Auslastungsgrad des Getriebes, des Motors oder eingesetzten Servoreglers. Mit Hilfe dieser Daten lassen sich im Anschluss schnell und unkompliziert gesicherte Aussagen über die Lebensdauer der Komponenten vornehmen. Sie werden bei der nächsten Version des DSD ein fester Bestandteil des Updates sein.
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