antriebstechnik im maschinenbau - federal council

1995 724.333 D

Bundesamt für Konjunkturfragen

Antriebstechnikim Maschinenbau

RAVEL

RAVEL im Maschinenbau

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RAVEL

Impressum

Autoren:

Benno Jäckle (Kapitel 5)Schmidhauser AGAmriswilerstrasse 119315 Neukirch-Egnach

Albert Marty (Kapitel 7)SUVA, Abt. ALM IIRösslimatt 396005 Luzern

Bertil Wallertz (Kapitel 8)Schaffner Elektronik AG4708 Luterbach

Hansruedi Wipf (Kapitel 3)Brütsch Elektronik AGNüsatzstrasse 118248 Uhwiesen

Oliver Zirn (Kapitel 2)IWF ETH ZürichUniversitätsstrasse 318006 Zürich

Projektleitung und Gestaltung:

Rolf Gloor (Kapitel 1, 4 und 6)Gloor Engineering7434 Sufers

RAVEL-Ressortleitung:

Jürg Nipkow, ARENA, ZürichRAVEL Ressort «Kraft»

Copyright Bundesamt für Konjunkturfragen3003 Bern, Mai 1995

Auszugsweiser Nachdruck mit Quellenangabeerlaubt. Zu beziehen bei der Eidg.Drucksachen- und Materialzentrale (Best.-Nr.724.333 D)

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Form. 724.333 D 6.95 1000 U27580


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RAVEL

Vorwort

Das Aktionsprogramm «Bau- und Energie»ist auf sechs Jahre befristet (1990-1995) undsetzt sich aus den drei Impulsprogrammen(IP) zusammen:

• IP Bau – Erhaltung und Erneuerung• RAVEL – Rationelle Verwendung von

Elektrizität• PACER – Erneuerbare Energien

Mit den Impulsprogrammen, die in enger Ko-operation von Wirtschaft, Schulen und Bunddurchgeführt werden, soll der qualitativeWertschöpfungsprozess unterstützt werden.Dieser ist gekennzeichnet durch geringenAufwand an nicht erneuerbaren Rohstoffenund Energie sowie abnehmendeUmweltbelastung, dafür gesteigerten Einsatzan Fähigkeitskapital.

Im Zentrum der Aktivität von RAVEL stehtdie Verbesserung der fachlichen Kompetenz,Strom rationell zu verwenden. Neben denbisher im Vordergrund stehendenProduktions- und Sicherheitsaspekten sollverstärkt die wirkungsgradorientierte Sichttreten. Aufgrund einer Verbrauchsmatrix hatRAVEL die zu behandelnden Themen breitabgesteckt. Neben den Stromanwendungenin Gebäuden kommen auch Prozesse in derIndustrie, im Gewerbe und imDienstleistungsbereich zum Zuge. Entspre-chend vielfältig sind die angesprochenenZielgruppen: Sie umfassen Fachleute aufallen Ausbildungsstufen wie auch dieEntscheidungsträger, die über stromrelevanteAbläufe und Investitionen zu befinden haben.

Kurse, Veranstaltungen, Publikationen,Videos, etc.Die Ziele werden von RAVEL durch Unter-suchungsprojekte zur Verbreiterung der Wis-sensbasis umgesetzt und – darauf aufbauend– Aus- und Weiterbildung sowie Informa-tionen. Die Wissensvermittlung ist auf dieVerwendung in der täglichen Praxis ausge-

richtet. Sie baut hauptsächlich auf Publikatio-nen, Kursen und Veranstaltungen auf. Es istvorgesehen, jährlich eine RAVEL-Tagungdurchzuführen, an der jeweils – zu einemLeitthema – umfassend über neueErgebnisse, Entwicklungen und Tendenzenin der jungen, faszinierenden Disziplin derrationellen Verwendung von Elektrizität in-formiert und diskutiert wird. Interessentenkönnen sich über das breitgefächerte, ziel-gruppenorientierte Weiterbildungsangebot inder Zeitschrift IMPULS informieren. Sieerscheint viermal jährlich und ist (imAbonnement) beim Bundesamt für Konjunk-turfragen, 3003 Bern, gratis erhältlich.

Jedem Kurs- oder Veranstaltungsteilnehmerwird jeweils eine Dokumentation abgegeben.Diese besteht zur Hauptsache auf der für denentsprechenden Anlass erarbeiteten Fachpu-blikation. Die Publikationen können auch un-abhängig von Kursbesuchen bei derEidgenössischen Drucksachen- undMaterialzentrale (EDMZ), 3000 Bern,bezogen werden.

ZuständigkeitenUm das ambitiöse Bildungsprogramm bewäl-tigen zu können wurde ein Organisations-und Bearbeitungskonzept gewählt, das nebender kompetenten Bearbeitung durch Spezia-listen auch die Beachtung der Schnittstellenim Bereich der Stromanwendungen sowie dieerforderliche Abstützung bei Verbänden undSchulen der beteiligten Branchen sicherstellt.Eine aus Vertretern der interessiertenVerbände, Schulen und Organisationenbestehende Kommission legt die Inhalte desProgramms fest und stellt die Koordinationmit den übrigen Aktivitäten, die denrationellen Einsatz der Elektrizität anstreben,sicher. Branchenorganisationen übernehmendie Durchführung der Weiterbildungs- undInformationsangebote. Für deren Vor-bereitung ist das Programmleitungsteam (Dr.

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Roland Walthert, Werner Böhi, Dr. EricBush, Jean-Marc Chuard, Hans RudolfGabathuler, Jürg Nipkow, Ruedi Spalinger,Dr. Daniel Spreng, Felix Walter, Dr. CharlesWeinmann sowie Eric Mosimann, BfK) ver-antwortlich. Die Sachbearbeitung wird imRahmen von Ressorts durch Projektgruppenerbracht, die inhaltlich, zeitlich undkostenmässig definierte Einzelaufgaben(Untersuchungs- und Umsetzungsprojekte)zu lösen haben.

DokumentationDie vorliegende Dokumentation ist eine Zu-sammenstellung der Referate aus demRAVEL-Kurs «Maschinenbau und Antriebs-technik: Mehr Wettbewerbs-Chancen mitmehr Energie-Effizienz» für Maschinenkon-strukteure und Verkaufsspezialisten aus derAntriebsbranche.

Nach einer Vernehmlassung ist dievorliegende Dokumentation sorgfältigüberarbeitet worden. Dennoch hatten dieAutoren freie Hand, unter-

schiedliche Ansichten über einzelne Fragennach eigenem Ermessen zu beurteilen und zuberücksichtigen. Sie tragen denn auch dieVerantwortung für die Texte. Unzulänglich-keiten, die sich in der praktischenAnwendung ergeben, können bei einerallfälligen Überarbeitung behoben werden.Anregungen nehmen das Bundesamt fürKonjunkturfragen oder der verantwortlicheProjektleiter (siehe Seite 2) entgegen. Für diewertvolle Mitarbeit zum Gelingen der vor-liegenden Publikation sei an dieser Stelle al-len Beteiligten bestens gedankt.

Juni 1995 Bundesamt für KonjunkturfragenDr. B. Hotz-HartVizedirektor für Technologie


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Inhaltsverzeichnis

1. Energieeffizienz im Maschinenbau (Rolf Gloor) ................................ ......... 7Beispiele für Energieeffizienz ......................................................................................7Die fünf Bereiche des Energiesparens ..........................................................................8Systembetrachtung .......................................................................................................8Lösungsansätze zum Energiesparen ...........................................................................10

2. Spanabhebende Werkzeugmaschinen (Oliver Zirn) ................................ ... 11Systembetrachtung .....................................................................................................11Prozess-spezifischer Energiebedarf ............................................................................12Maschine und Komponenten......................................................................................12Leistungs- und Energiebedarf von Werkzeugmaschinen ...........................................13Zusammenfassung ......................................................................................................14

3. CNC-Technik (Hansruedi Wipf) ................................ ................................ . 15Aufbau und Strukturen von CNC's.............................................................................15Planungsphasen ..........................................................................................................17Produktivitätssteigerungen und Energiesparen ..........................................................19Mehr Produktivität durch Sensorik ...........................................................................20

4. Antriebsdimensionierung (Rolf Gloor) ................................ ....................... 21Bestimmung der Lastmomente ...................................................................................21Die Krafterzeugung in einem Motor ..........................................................................22Statische Antriebsauslegung.......................................................................................23Dynamische Antriebsauslegung .................................................................................24Thermische Auslegung, Überlastung .........................................................................27Zusammenfassung ......................................................................................................28

5. Frequenzumrichter (Benno Jäckle) ................................ ............................. 29Aufbau des Leistungsteils ..........................................................................................29Halbleiterschalter und deren Verluste ........................................................................30Verlustleistung von Umrichtern .................................................................................31Beispiel: Antriebswirkungsgrad .................................................................................32Beispiel: Lüftungsanlage ............................................................................................33Beispiel: Pumpensteuerung ........................................................................................33Aufgepasst beim Umrichtereinsatz! ...........................................................................34Zusammenfassung ......................................................................................................34

6. Antriebssysteme (Rolf Gloor) ................................ ................................ ..... 35Elektromotor und Verluste .........................................................................................35Technische Ausführung von Motoren ........................................................................36Gleichstrommotor.......................................................................................................37Synchronmotor ...........................................................................................................38Asynchronmotor.........................................................................................................39Reluktanzmotor ..........................................................................................................40Vergleich von Antriebssystemen................................................................................41

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7. Sicherheit im Maschinenbau (Albert Marty) ................................ ..............43Gefahrenanalyse und Integration des Sicherheitskonzepts ........................................ 43Internationale Sicherheits-Anforderungen ................................................................. 44Betriebsarten .............................................................................................................. 44Sicherheitsmassnahmen ............................................................................................. 45Sicherheitssteuerungen .............................................................................................. 46Schlusswort ................................................................................................................ 46

8. EMV im Maschinenbau (Bertil Wallertz) ................................ ...................47Grundbegriffe der EMV............................................................................................. 47EMV-Normen und das CE-Zeichen ........................................................................... 47EMV-Technik ............................................................................................................ 48Frequenzumformer als EMV-Störquelle .................................................................... 49Schutzmassnahmen .................................................................................................... 49Zusammenfassung...................................................................................................... 50

Publikationen des Impulsprogrammes RAVEL ................................ ..............51


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1. Energieeffizienz im Maschinenbau

Autor: Rolf Gloor

Die Energiekosten einer Industriemaschinesind im allgemeinen gering, bezogen auf diePersonal- und Kapitalkosten. Vergleicht mandie Energiekosten aber mit dem Gewinn, sosind die Beträge oft nahe zusammen. Intelli-gente Einsparungen von Elektrizität erhöhendirekt den Gewinn.

Die Wirtschaftlichkeit von Energiesparmass-nahmen kann mit folgender vereinfachtenBerechnung überprüft werden: EineMaschine im Einschichtbetrieb läuft 10 000Stunden während ihrer Nutzungsdauer von 5Jahren. Bei einer Leistungsaufnahme von 10kW und einem Strompreis von 10 Rappenpro kWh kostet der Elektrizitätsverbrauch10 000 Franken.

Für die Einsparung von einem Wattkann ein Franken investiert werden.

Beim Mehrschichtbetrieb und einer längerenNutzung können es auch 5 Franken proeingespartes Watt sein.

Es sind aber nicht nur die Kosten, welche füreine energie-effiziente Maschine sprechen.Eine energetisch geschickt konstruierteMaschine ist auch technisch besser. DerKonstrukteur, welcher genau weiss, wann erfür den Prozess wieviel Energie braucht, unddiese nur dann frei gibt, beherrscht seinHandwerk.

Image– Kunden

– Mitarbeiter

– Gesellschaft

Kosten– Installationskosten

– Verschleiss und Abwärme

– Elektrizitätskosten (kWh, kW, kVarh)

Technik– Qualität der Produktion

– Leistungsfähigkeit der Maschine oder Anlage

– Umweltbelastung durch die Energieproduktion

Bild 1) Energieeffizienz im Maschinenbau.

Der Verkäufer, welcher in seinem Angeboteinen geringen Stromverbrauch aufführenkann, hat einen Vorsprung gegenüber seinenKonkurrenten.

Beispiele für Energieeffizienz

Beispiel: SpritzgussmaschineDie Firma ProControl aus Flawil hat einenSpritzgussautomaten für Kunststoffteile ener-getisch untersucht und verbessert. Die Hyd-raulikaggregate wurden komplett durchelektrische Servoantriebe (bis 130 Nm Dreh-moment) ersetzt. Mit einer Doppelzahnstangeund einem Vierpunkt Doppel-Kniehebelwurden 1000 kN Schliesskraft realisiert. ProKunststoffteil reduzierte sich der spezifischeEnergieverbrauch um 50%. Die Maschinebenötigt 10 kW weniger Leistung und einenhat viel geringeren Kühlaufwand. Die proble-matische und teure Entsorgung desHydrauliköls entfällt. Darüber hinaus, unddas ist am wichtigsten, ist die modifizierteMaschine genauer und schneller.

Beispiel: StreckwerkBei einer Textilmaschinenart wird der Stoffzwischen treibenden und bremsendenWalzen gestreckt. Das ziehendeWalzensystem wird durch einenDrehstrommotor mit Frequenzumrichterangetrieben. Das andere wird mit einerwassergekühlten Magnetpulverbremse ge-bremst. Bei einer energetischen Überarbei-tung der Maschine fand man auf dem Marktein Frequenzumrichtersystem inModulbauweise. Der bremsende und dertreibende Teil wurden danach mit demgleichen Antriebssystem ausgeführt. Der eineMotor läuft als Generator und gibt seine


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Leistung über den gemeinsamenGleichstromzwischenkreis der Frequenzum-richter an den treibenden Antrieb ab. Derdurchschnittliche Leistungsbedarf derMaschine reduzierte sich von 10 auf 7 kW.Die eingesparten 3 kW entlasten auch dieRaumklimatisierung. Die Mehrkosten werdendurch die Konstruktionsvereinfachungkompensiert. Zusätzlich vereinfachte undverkürzte sich das Einrichten, da derbremsende Teil auch angetrieben werdenkann.

Beispiel: AbfüllanlageAn einer Sackabfüllanlage werden die vollenSäcke auf einem Drehtisch zur automatischenPalettierstation geschwenkt. Bei einerProduktionserhöhung von 400 auf 500 Säckein der Stunde überhitzte sich der imStart/Stop-Modus betriebene 5.5 kW Dreh-strommotor. Nach dem zweiten Ersatzmotorwurde ein 7.5 kW Motor eingebaut. Dieserüberhitzte sich noch viel schneller. Eineenergetische Grobanalyse ergab, dass derMotor die meiste Energie brauchte um sichselber zu beschleunigen. Dabei erwärmtesich sein Rotor jedesmal mit dem Äquivalentder kinetischen Energie der beschleunigtenMassen. Die träge Masse des Motors musstereduziert werden und die Beschleunigung mitgeringem Schlupf erfolgen. An derbestehenden mechanischen Konstruktionwurde der zweipolige Asynchronmotor durcheinen kleineren vierpoligen 100 Hz Motormit Frequenzumrichter ersetzt. DerJahresenergiebedarf für den Drehtischhalbierte sich. Danach war eine Produktions-erhöhung auf 560 Säcke pro Stunde möglich.

Beispiel: SchneckenfördererEin Schneckenförderer für eine Verbren-nungsanlage wird während 8600 Jahres-stunden über ein Schneckengetriebe mit i =45 und einen 5.5 kW Drehstrommotor ange-trieben. Das Getriebe verheizte fast die Hälfteder Motorleistung. Durch den Einsatz einesZykloidengetriebes genügte ein 4 kW Motor.Statt 50 000 sind nur noch 35 000 kWh

Elektrizität pro Jahr nötig. Die Mehrkostengegenüber dem alten Antriebssystem be-tragen 1200 Franken. Pro Jahr werden aberbei einem Strompreis von 10 Rappen prokWh 1500 Franken eingespart. Das bessereGetriebesystem zahlt sich also in weniger alseinem Jahr.

Die fünf Bereiche desEnergiesparens

1. System: In der Wahl des energieoptimalenSystems liegen die grössten Energiesparmög-lichkeiten. Es ist zum Beispiel energetischviel effizienter Schüttgut auf Förderbändernals mit Luft zu fördern.

2. Steuerung: Oft kostet es praktisch nichts,Komponenten abzuschalten wenn sie nichtbenötigt werden. Mit drehzahlvariablenAntrieben kann zum Beispiel bei der Flüssig-keitsförderung bedarfsgerecht geliefertwerden.

3. Auslegung: Überdimensionierung hatnichts mit besserer Qualität zu tun und kostetGeld. Ein zu grosser Motor erfordert zumBeispiel auch ein zu grosses Getriebe dieseswieder ein stärkeres Fundament.

4. Komponentenwahl : Bei Energiespar-massnahmen denkt man vordergründig anden Einsatz von teuren Komponenten miteinem hohen Wirkungsgrad. Vorallem beiAnwendungen mit langer Betriebsdauerhaben diese «besseren» Komponenten ihreBedeutung.

5. Unterhalt: Ein abgenützter Keilriemenoder ein nicht nachkalibrierter Temperatur-sensor verschwendet nicht nur Energie,sondern kann auch die Prozessqualität ver-schlechtern. Für den Konstrukteur beziehtsich der Unterhalt nicht nur auf dieBetriebsanleitung sondern auch aufAnzeigegeräte und wartungsfreundlicheEinrichtungen.


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Systembetrachtung

Es gibt einige Beispiele für etablierte Ener-giespar-Anstrengungen. Die eindrücklichstenergeben sich beim Antrieb mit unserer Mus-kelkraft oder mit einer Batterie. Wenn wir einVelo mit einem Motorrad vergleichen, sehenwir, welche konstruktiven Anstrengungenbeim Gewicht und der Reibung im Kraftüber-tragungssystem unternommen wurden. Einnormaler Tischcomputer würde mit derBatterie eines ebenbürtigen Notebook-Computer nach zehn Minuten den Geistaufgeben. Obwohl diese Beispiele mit demMaschinenbau nicht allzuviel zu tun haben,zeigen sie, dass die grössten Spar-möglichkeiten in der Grundkonstruktion lie-gen.

Man kann Maschinen und Anlagenvergleichen, indem man die Leistungs-aufnahme im Leerlauf und bei Last misst.Eine Wasserpumpe braucht mit Wasser vielmehr Leistung als ohne Wasser. Bei einerWerkzeugmaschine wird das Wattmeteretwas ansteigen, wenn gearbeitet wird. EineVerpackungsmaschine oder ein Roboterbrauchen ohne Werkstück nahezu gleichvielStrom wie mit Werkstück .

Nach einem Grundgesetz der Physik gehtkeine Energie verloren. Was als Energie ineine Maschine hineingesteckt wird, kommtwieder heraus, sonst würde sich dieMaschine mit der Zeit ja überhitzen. DieEnergie (vor allem Wärme), welche dieMaschine abgibt, ist aber meistens nichtswert, da sie nicht genutzt wird, oder sogarnoch aufwendig abgeführt werden muss.

Mensch und Information

Umwelt

EndproduktProzess

Maschine

Rohprodukt

ElektrizitätElektrische EnergieSpitzenleistungBlindenergie

Andere Energien

WärmeAusschussAbfallLärmund andere

Wärme, Chemie ...Betriebsmittel

Bild 2) Energiebilanz einer Maschine.

In vielen Anwendungen ist eine bestimmteEnergie für den Prozess notwendig. Für einekomplizierte Bearbeitungsmaschine ist dieVerwendung des Begriffs Wirkungsgradnicht sehr sinnvoll. Energetisch ist der Aus-druck Nutzungsgrad (der durchschnittlicheWirkungsgrad) besser. Wenn eine Maschinein einem Zyklus von 10 Sekunden für 2Sekunden mit einem Wirkungsgrad von 50%arbeitet so kann der Nutzungsgrad bei 15%liegen. Der Einrichtbetrieb und dieStillstandszeiten reduzieren denNutzungsgrad nochmals.

Eine andere Betrachtungsweise konzentriertsich auf die Energieverluste. Die Verlustefallen an verschieden Teilen der Maschinean. Zum einen sind es die Prozessverlustewie beim Zerspanen eines Werkstückes. Zumanderen entstehen die Maschinenverluste vorallem durch Reibung und in denHilfsaggregaten. Elektrische Verluste erwär-men die Motoren, Kabel, Steuerungen,Trafos, Schalter und Sensoren. ZusätzlicheVerluste verursachen die Beleuchtung, dieKlimatisierung und natürlich auch Pro-duktionsausschuss und eine schlechte Ma-schinenauslastung.

Kennlinien verschiedener ProzesseDen verschiedenen Grundprozesse kann manKennlinien in bezug auf Leistung und Gesch-windigkeit (Drehzahl) zuordnen. Folgendevier Gruppen, unterscheiden sich um jeweilseine Potenz:


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Geschwindigkeit / Drehzahl

Leis

tung

012345678

0 0.5 1 1.5 2

3

2

1

0

Bild 3) Kennlinien verschiedener Prozesse.

0. Potenz: Ab einer gewissen Drehzahl kon-stante Leistungsaufnahme bei span-abhebender Bearbeitung wie Bohren, Fräsen,Drehen und beim Zentrumswickler.

1. Potenz: Mit zunehmender Geschwindig-keit nimmt beim Lift, Kran und bei der Gleit-reibung die Leistung proportional zu.

2. Potenz: Bei der laminaren Strömungnimmt mit zunehmender Geschwindigkeit dieLeistung quadratisch zu. Dieser Effekt ist beiFeinfiltern und hydrodynamischen Lagern zubeobachten.

3. Potenz: Am häufigsten nimmt dieLeistung mit der Geschwindigkeit kubischzu. Zum Beispiel bei turbulenten Strömungs-verhältnissen in Gebläsen, Pumpen und beider Positionierung.

Lösungsansätze zum Energiesparen

1. Konzentration auf die Energie fresser:Energie ist Leistung mal Zeit. Eine kleinePumpe mit 100 Watt Leistung, welche rundum die Uhr läuft, braucht mehr Energie alseine 2 kW Spindel, welche eine Stunde proTag läuft.

2. Optimaler Prozess für die Aufgabe : Fürdie Lösung einer Aufgabe gibt es ver-schiedene Möglichkeiten. Zum Beispielbraucht das Fräsen von Stahl etwa 30 malweniger spezifische Energie als das Schleifenoder 100 mal weniger als die Funkenerosion.

3. Reduktion der Reibung : Maschinen miteiner hohen Leerlaufleistung haben oft hoheReibungsverluste. Die Reibung kann mit rei-bungsarmen Kontaktstellen (Beispiel: Wälz-

lager statt Gleitlager) und bei schnellen Ober-flächen mit strömungsoptimalen Formenreduziert werden.

4. Reduktion der bewegten Massen : Kom-ponenten, welche oft die Geschwindigkeitändern, sollten möglichst leicht sein. Durchdie Materialwahl, zum Beispiel Aluminiumstatt Stahl, die Form, zum BeispielWabenprofil statt Vollprofil, kann die Massereduziert werden. Zusätzlich kann durchverteilte Antriebe und durch Direktantriebeeine erhebliche Vereinfachung realisiertwerden.

5. Prozessgrössen dem momentanen Be-darf anpassen: Viele Komponenten an einerMaschine arbeiten mehr, als nötig ist. ZumBeispiel regelt eine Zustellachse seit demEinrichten auf der gleichen Position, obwohlsie geklemmt und abgeschaltet werdenkönnte. Ein anderes Beispiel ist bei vielenHydraulikaggregaten zu finden, welche dieüberschüssige Energie über einen Bypassvernichten, anstatt die Förderleistung demBedarf anzupassen.

6. Antriebskonzepte auch energetisch aus-wählen: Es ist nicht egal, welches Antriebs-system gewählt wird. Am besten ist derElektroantrieb und das Getriebe. Diese er-reichen zusammen einen Wirkungsgrad von50 bis 90%.


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Der Hydraulikantrieb wandelt dreimal dieEnergie. Vom Elektromotor in die Pumpeund dann in den Hydraulikantrieb. Gute Sys-teme erreichen einen Wirkungsgrad von50%. Am schlechtesten sieht es mit derPneumatik aus. Zur dreifachen Energie-wandlung kommt die Abwärme der Luft beider Kompression dazu. Ein Pneumatiksystemübersteigt selten einen Wirkungsgrad von5%.

7. Maschinenumgebung mit einbeziehen :Eine Maschine ist energetisch nicht nur mitihrem elektrischen Anschluss mit derUmgebung verknüpft. Nebst den anderendirekten Energieanschlüssen wie Öl, Gas,Druckluft, Hydraulik, Heizung und Kühlungbeeinflusst sie das Klima in ihrer Umgebung.Um aus einer warmen Maschinenhalle 2 kWherauszukühlen braucht es zusätzlich 1 kWStrom.

8. Anwender mit einbeziehen : Viele Ma-schinen werden nicht abgeschaltet, weil eseine kleine Ewigkeit geht, bis sie betriebs-bereit sind. Dem Unterhalt dient einedauernde Leistungsmessung mit Trendaus-wertung als Wartungsanzeige und Störungs-indikator.

9. Energiebilanz: Wenn Massen dauernd be-schleunigt und abgebremst werden, so wirddie Bremsenergie meistens in Wärmeumgewandelt. Bei Systemen mit mehrerenAchsen können diese die Energie unter sichaustauschen. Für grösser Antriebe gibt esauch die Möglichkeit der Netzrückspeisung.Wo möglich, sollte wenigstens die Abwärmeeiner Maschine zum Beispiel fürWarmwasser genutzt werden.

10. Leistungskoordination: Wenn in einerFabrik mehrere Maschinen in Betrieb sind,oder in einer Maschine mehrere Antriebe, sokann mit einem gestaffelten Einschalten undeiner gegenseitigen Verriegelung dieLeistungsspitze gebrochen werden. DieKommunikation unter den Maschinen undzum Leitsystem sollte auch die Energieberücksichtigen. Zum Beispiel könnte ein

Handlingroboter jeweils erst kurz vor demBearbeitungsende eingeschaltet werden.

2. Spanabhebende Werkzeugmaschinen

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Autor: Oliver Zirn

Der Energiebedarf von Werkzeugmaschinenstellt eine bislang wenig beachtete Einfluss-grösse für deren Produktivität dar. Es bietensich jedoch eine Vielzahl von Möglichkeiten,den Energiebedarf eines Maschinenparkes zuminimieren. Hierzu werden ausgehend vonder zentralen Bearbeitungsaufgabe der Span-bildung die energetischen Zusammenhängean Werkzeugmaschinen aufgezeigt. Nebender energie-optimalen Betriebsführung vonWerkzeugmaschinen werden vor allemweitergreifende Änderungen in derKonstruktion und im Antriebsentwurf, welcheteils parallel zu neuenFertigungstechnologien wie der Hochgesch-windigkeitsbearbeitung verlaufen können,den Energie- und Leistungsbedarf bei gleich-zeitiger Produktivitätssteigerung verringern.

Es darf erwartet werden, dass dieenergetische Optimierung zukünftig einenwichtigen Anteil an der Produktivität unddamit an der Konkurrenzfähigkeit modernerWerkzeugmaschinen darstellt.

Die energetische Betrachtung von Werkzeug-maschinen bedeutet vorwiegend die Betrach-tung des elektrischen Energiebedarfes, da dieWandlung in mechanische Arbeit heute fastimmer direkt oder indirekt aus elektrischerEnergie erfolgt. Der Bedarf an elektrischerEnergie der gesamten SchweizerMaschinenindustrie betrug 1993 rund 2800GWh, welche naturgemäss überwiegend inHochlastzeiten – und damit auchHochtarifzeiten – angefordert wurden. BeiEinschichtbetrieb entspricht diese Energie ei-nem unterbrochenen Band von rund 1,4 GWelektrischer Leistung. Demnach bedarf es zurBereitstellung der von der Maschinen-industrie benötigten elektrischen Energie derLeistung mehrerer grosser Kraftwerksblöcke.

Diese vereinfachte Darstellung macht bereitsdeutlich, dass bei der Ausschöpfung derEnergiesparpotentiale neben derMinimierung des Energie- und Primär-energiebedarfes auch die Begrenzung derbereitzustellenden Leistung als vorrangigeZiele zu betrachten sind.

Systembetrachtung

Die Herstellung industrieller Güter kann inmetabolische Prozesse, die zur Herstellungder Grundstoffe dienen, und morphologischeProzesse, welche Formgebung und Ober-flächenbearbeitung bewerkstelligen, unter-teilt werden. Die Kosten jeHerstellungseinheit der morphologischenProzesse liegen deutlich über denen dermetabolischen Prozesse. Dagegen liegt derEnergiebedarf der metabolischen Herstel-lungsprozesse bezogen auf eineHerstellungseinheit deutlich über demEnergiebedarf der nachfolgendenmorphologischen Arbeitsschritte, was indiesen Bereichen bereits früh einen Optimie-rungsdruck im Hinblick auf die spürbarenEnergiekosten erzeugte. Zudem liegt damitein zusätzlicher Ansatzpunkt bei der Energie-Optimierung von Werkzeugmaschinen in derMinimierung der zur Maschinenherstellungbenötigten Energie (sogenannte «graueEnergie»).

In diesem Gesamtfeld tragen diespanabhebenden Werkzeugmaschinen einengrossen Anteil der Produktivitätmorphologischer Herstellungsprozesse. DerEnergiebedarf dieser Maschinen stellt dabeieinen Anteil am Herstellungsaufwand dar,wobei der Leistungsbedarf dem fixen und derEnergiebedarf dem variablenHerstellungsaufwand zugerechnet wird.


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Der Energiebedarf einer Werkzeugmaschinewird in Zukunft neben Bearbeitungspräzisionund Bearbeitungsleistung einen massgebli-chen Einfluss auf die Produktivität – unddamit nicht zuletzt auf die Kon-kurrenzfähigkeit – einer Werkzeugmaschinehaben.

Prozess-spezifischer Energiebedarf

Die qualitative Aufteilung der Energie, diezur Spanbildung benötigt wird, ist in Bild 1dargestellt. Im Sinne einer hohen Werkzeug-standzeit sind die Reibungsverluste durchgeeignete Prozessparameter wieSchnittgeschwindigkeit, Werkzeuggeometrie,und Zustellung gering zu halten, so dass ca.80% der mechanischen Hauptspindelleistungzur Spanbildung genutzt werden können. DieSchnittgeschwindigkeit bewegt sich beikonventionellen Verfahren zwischen 3 und200 m/min, beim Hochgeschwindigkeitsfrä-sen in Stahl bis ca. 1500 m/min und bei Alu-minium bis 5000 m/min. Der erzielbare Vo-lumenabtrag liegt dabei bei 80 .. 160cm3/min bis zu 1600 cm3/min.

Den verschiedenen abtragendenBearbeitungsverfahren können die in Tab. 1dargestellten spezifischen(volumenbezogenen) Energiewertezugeordnet werden.

Prozess Benötigte Energie zurSpanbildung

Drehen, Fräsen, Bohren 1..3 J/mm3

Schleifen 30..60 J/mm3

Funkenerosion 100..200 J/mm3

Elektroerosion 200..500 J/mm3

Zum Vergleich:Schneiden/Stanzen 0,5..3 J/mm2

Biegen ..1 J/mm2

Tab. 1) Die benötigte Energie zur Spanbildungvariiert zwischen 1 und 500 J/mm3.

Maschine und Komponenten

Üblicherweise werden die Komponenten mo-derner Werkzeugmaschinen in die BereicheGestelle, Führungen und Lager, Antriebesowie Steuerungen unterteilt.

Im Bereich der Gestelle liegen die Energie-sparpotentiale beim Einsatz von Materialiengeringen Energiegehaltes. Zudem müssenGewichtseinsparungen – insbesondere imHinblick auf die Hochgeschwindigkeits-bearbeitung an bewegten Maschinenteilen –bei gleichzeitig höherer Steifigkeit durch eineweiter verbesserte oder gegebenenfallsalternative Konstruktion erreicht werden. Eineindrückliches Beispiel hierfür ist dieOktahedral-Hexapod-Fräsmaschine nachdem «Flugsimulator-Prinzip», welche einehohe Steifigkeit und einen grossen Arbeits-raum mit geringem Gewicht und po-stulierbarem thermischen Verhalten verbin-det.

Eine wichtige und analytisch schwer

100 %

3 %

15 %

82 %

Reibung (Erwärmung) des Werkzeugs

Reibung (Erwärmung) des Werkstücks

Nutzenergie zur Spanbildung(vorwiegend Spanwärme)

Energiebedarf der Spanbildung

Span

Werkzeug, Schneide

Werkstück

Schnittgeschwindigkeit

Schnittkraft

Bild 1) Energiefluss beim Zerspanprozess


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RAVEL

handhabbare Einflussgröße für die Genauig-keit und damit für die Produktivität einerMaschine ist die thermische Stabilität. Diegängige Praxis des Warmlaufenlassens vorProduktionsbeginn ist ein energetischunsinniger und in thermischer Hinsichtschlechter Kompromiss, da die Maschineüber die Hilfsantriebe und nicht über die imProzess wirksamen Wärmequellen beheiztwird. Abhilfe kann hier eine optimierteKonstruktion mit kleinen Wärmekapazitäten,kleinen Wärmewiderständen und geschicktplazierten Wärmequellen bieten. Neben derheute immer öfter angewandtensteuerungsseitigen Kompensation derWärmeausdehnung bietet sich eine gezielteErwärmung oder Flüssigkühlung bestimmterBauteile als energetisch sinnvolle Alternativean.

Im Bereich der Führungen und Lager kanndurch geringere Reibung undverschleissarme Komponenten derEnergiebedarf nebst Lebensdauer verbessertwerden.

Die Antriebe und Antriebskomponentenmüssen einem hohen Wirkungsgrad besitzen.Hierbei ist vor allem die Nutzbremsunganstelle der Widerstandsbremsung inVerbindung mit einer möglichst kleinen

kinetischen Gesamtsystemenergie derAchsen zu erwähnen. Zudem sollten dieAntriebsketten auch im Hinblick auf dieHochgeschwindigkeitsbearbeitung mit mög-lichst geringen Trägheiten behaftet sein.Hierbei können Kugelgewindetriebe hoherSteigung oder, soweit vom Prozess her mög-lich, Direktantriebe zum Einsatz kommen. InBild 2 sind die energetischen Verhältnissedreier Vergleichsachsen für einen Beschleu-nigungsvorgang dargestellt.

Steuerungsseitig sind je nach Prozess undMaschinenumgebung verschiedene Einspar-möglichkeiten gegeben. Bei der Programmer-stellung muss durch Abstimmung derAntriebe der Leistungsbedarf minimiert unddie Widerstandsbremsung soweit möglichvermieden werden.

Der Energie- und Leistungsbedarf eines Ma-schinenparkes hängt neben demEnergiebedarf des Bearbeitungszyklusses zu-sätzlich noch wesentlich von den Aktivitätender Bediener und der «Gleichzeitigkeit» derHerstellungsperioden beziehungsweiseLastspitzen ab. Im Bereich der Steuerung desGesamt-Maschinenparkes können durchverbesserte Abstimmung der Arbeitsschritteund die Minimierung von Pausen- und Leer-laufzeiten deutliche Arbeits- und Leistungs-

einsparungen erzieltwerden. Hierbei kannmit den heute zurVerfügung stehendenSimulationswerk-zeugen eine weitge-hende Optimierungmit Hilfe vonMaschinenpark-modellen vorgenom-men werden.

Leistungs- undEnergiebedarfvon

Motorträgheit50 kgcm

Kupplung Festlager Spindelträgheit 35 kgcm

Schlittenmasse100 kg

(Führung)

2

2 x

Kugelgewindetrieb (32 mm Steigung)


(Führung)

x

(Sekundärteil)

Primärteil-masse 17 kg

Direktantrieb (Maximalkraft 2000 N)

Motorträgheit50 kgcm

Getriebe 2:1 Festlager Spindelträgheit 35 kgcm


(Führung)

2

2x

Kugelgewindetrieb (10 mm Steigung)

Beispielachse (Skizze)Beschleunigungs-zeit auf 0,5 m/s

Ohmsche Beschleu-nigungsverluste

Gesamtsystemenergie Schlittenenergie

0,03 s

0,017 s

0,065 s 130 J

34 J

30 J

= 92,81160 J12,5 J

= 3,8448 J12,5 J

15 J12,5 J = 1,2

Bild 2) Gegenüberstellung der Beschleunigungsverluste und der Systemenergienverschiedener Vorschubantriebs-Konfigurationen.


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Werkzeugmaschinen

Grundsätzlich kann eine immer weiterschrei-tende Erhöhung der installierten Leistungvon CNC-Maschinen festgestellt werden. DieHersteller erhöhen die Leistungsreserven derMaschinen möglicherweise, weil dies –richtig oder falsch – eine Forderung desMarktes zu sein scheint. Dagegen ist heutedie mittlere Leistung Pm während eines Her-stellungszyklus in 80% der Fälle kleiner alsdie halbe gesamte installierte Leistung.

Die Wahl grösser dimensionierter Motorenerzwingt eine höhere Dimensionierung fürdie gesamte elektrische Antriebskette. Eben-so müssen die mechanischen Übertragungs-glieder und die Strukturbauteile stärker unddamit zunächst schwerer dimensioniert wer-den. Dadurch wird die ganze Maschine aberauch teurer.Anteil der installierten

LeistungHaupt-

spindel-leistung

Achs-vor-

schub

Hilfsan-triebe

Fräsmaschine 51% 37% 12%

Bearbeitungszentrum 38% 38% 24%

Lehrenbohrwerk 49% 36% 15%

Horizontal-Drehmasch. 66% 22% 12%

Vertikal-Drehmaschine 72% 21% 7%

HSM-Fräsmaschine 20..40% 50..60% 10..20%

Schleifmaschine 40..60% ca.20% ca. 30%

Tab. 2) Aufteilung der installierten Leistung für

verschiedene Werkzeugmaschinen.

Das Gewicht der Maschinen nimmt exponen-tiell mit der installierten Leistung zu. Für Ho-rizontaldrehmaschinen kann näherungsweiseein quadratischer Zusammenhang zwischenMaschinengewicht und installierter Leistungangegeben werden.

In Bild 3 ist der Netzleistungsverlauf einerFräsmaschine qualitativ für einen Bearbei-tungsvorgang dargestellt. Die Aufteilung aufdie verschiedenen Antriebsarten zeigtdeutlich den geringen Anteil der eigentlichenBearbeitungsenergie amGesamtenergiebedarf. Der Energieanteil, dertatsächlich im Laufe einer Arbeitsschicht zurSpanbildung aufgewandt wird, liegt heute inden meisten Fällen deutlich unter 25% desGesamtenergiebedarfes.

Die Hilfsantriebe haben trotz kleinerinstallierter Leistung einen erheblichenAnteil am Energiebedarf, so dass durchentsprechende bedarfsorientierte Steuerungdieser Antriebe eine spürbare Reduktion desEnergieverbrauches erzielbar sein wird.

Um zukünftig im Bereich der Hochgeschwin-digkeitsbearbeitung entsprechende Bahnge-nauigkeiten zu erhalten, werden bis an diephysikalische Machbarkeitsgrenze optimierteVorschubantriebe eingesetzt werden, derenLeistungs- und Energiebedarf grösser als derBedarf der Hauptspindel sein kann. Dennoch

ist diese Leistungkeine«Verlustleistung»,sondern einwesentlicherBestandteil derHauptaufgabe derWerkzeugmaschinefür das schnelle Zer-spanen mit hoherGenauigkeit, d.h.höchster Pro-duktivität.

PNetz

EIN AUS

Anfahren,Eilgang X, Y

Zustellung Z,Spindel beschleunigen

Bearbeitung Spindel abbremsen Eilgang X, Y

Prozess

Hilfsantriebe

Antriebe (Vorschübe, Hauptspindel)

t

Bild 3) Qualitative Darstellung der Leistung und Arbeit während einesBearbeitungsvorgangs.


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RAVEL

Zusammenfassung

In Anbetracht des heute noch sehr niedrigenEnergiepreisniveaus in den meisten Industrie-ländern wird die nachträgliche energetischeOptimierung eines bestehenden Maschinen-parkes nur im Bereich der Betriebsführungrentabel und sinnvoll sein. Für künftige Ge-nerationen von Werkzeugmaschinen darfjedoch erwartet werden, dass dieMiteinbeziehung energetischer Aspekte eineauch vom Käufer geforderte Bedingung seinwird, und damit neben Leistung undPräzision einen massgeblichen Anteil an derKonkurrenzfähigkeit und der Produktivitäteiner Werkzeugmaschine haben wird.

3. CNC-Technik

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RAVEL

3. CNC-Technik

Autor: Hansruedi Wipf

Was wäre eine moderne Werkzeugmaschineohne CNC-Steuerung? Nebst denausgewiesenen Vorteilen mangelt es vielenautomatisierten Maschinen an einigenFunktionen, welche mit handbetriebenenMaschinen möglich waren. Dazu gehört dasAbschalten der Maschine während einerkurzen Produktionspause, das Festklemmenvon Achsen, welche nicht bewegt werden unddie prozessoptimale Vorschubregelung(Geräusch, Beobachtung der Spanbildung...).

Mit der CNC-Technik sind solche Funktionennur möglich, wenn sie der Maschinenherstel-ler vorsieht. Der Endanwender kann nurnoch die Möglichkeiten nutzen, welche erüber die CNC-Steuerung erreicht. In diesemBeitrag wird versucht, die Vielfalt um denBereich der CNC-Technik zu gliedern undEnergiesparmöglichkeiten aufzuzeigen. Eszeigt sich, dass die grössten Potentiale in derPlanung der Maschinen liegen. Eine Konst-ruktion, welche auch auf die rationelle Ver-wendung von Elektrizität ausgerichtet ist,führt zu einer leistungsfähigeren Maschine.

Aufbau und Struktu ren von CNC's

Ein CNC-Steuerungs-System lässt sich indrei Funktionsebenen unterteilen (Bild 1):

MMI: Das Mensch-Maschine-Interface über-nimmt alle Aufgaben im Bereich der Bedie-nung, Datenvisualisierung und Kommunika-tion mit den peripheren Einheiten und derDatenaufarbeitung.

NCP: Im NC-Kern werden in den einzelnenFunktionsmodulen alle Echtzeitfunktionengesteuert. Die beiden Komponenten desNCP's sind: NCI, der NC-Interpreter,zuständig für die Ablaufsteuerung der

Bearbeitungsprogramme und Zyklen. AXM,der Achsen-Manager, in dem die Interpola-tionsdaten für alle NC-Achsen generiertwerden.

PLC: Die speicherprogrammierbare Anpass-Steuerung (SPS), in welcher alle Steuerungs-und Überwachungsaufgaben der Maschinen-peripherie wahrgenommen werden.

Bild 1) Funktionsebenen einer CNC-Steuerung.

Preisklassen von CNC'sDie Möglichkeiten, ein CNC-System in allenBelangen optimal an eine Maschine anzupas-sen, sind abhängig von der jeweiligen CNC-

3. CNC-Technik

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RAVEL

Struktur. Bis zu einem gewissen Grad sinddie Möglichkeiten proportional zum Preiseiner CNC-Steuerung, so dass eine grobeUnterteilung in die folgenden drei Preis-klassen gemacht werden könnte:

Lowcost-CNC: Eine Lowcost-CNC ist eineSteuerungen für bis zu 3 NC-Achsen welchein einfachen Fräsmaschinen undKreuztischen eingesetzt wird. Es gibt festeFunktionsstrukturen und vorgegebeneanwendungsspezifische Zyklen. DieWerkstückprogrammierung erfolgt nach DIN66025 oder vorgegebenen Zyklenfunktionen.Für Sonderfunktionen stehen nur geringeAdaptionsmöglichkeiten zur Verfügung. DieBedienerstrukturen für Hand, Automatik undProgrammieren sind fest vorgegeben. Dietypische Leistungsdaten sind: Block-zykluszeiten 20-100 ms, Interpolations- undLagereglertakt 10-20 ms.

Medium-CNC: Die Medium-CNC ist aus-baubar bis etwa 6 NC-Achsen. Mehrkanal-strukturen mit unabhängigen Interpolatorensind möglich. Die Standardvarianten fürFräsen, Drehen, Schleifen usw. sind verfüg-bar. Getrennte Funktionsebenen MMI, NC,SPS inklusive programmierbarer Applika-tionsschnittstellen sind vorhanden.

Als MMI-Funktionen sind die Bedienerstruk-turen und der Bildaufbau fest vorgegeben.Die Möglichkeiten mit NC-Befehlen einfacheText- und Dialogfenster zu realisieren sindgegeben. Von den NCP-Funktionen sind dieWerkstückprogrammierung ISO Code nachDIN 66025 oder Zyklenfunktionen möglich.Ein erweiterter Befehlssatz für Ablauf-steuerungen und Subroutinen ist vorhanden.Eine lineare 3-Achsen und Kreis-Interpola-tion ist Standard, höhere Interpolationsartensind zum Teil verfügbar. Typische Leistungs-daten sind: Blockzykluszeiten 10-50 ms,Interpolations- und Lagereglertakt 5-15 ms.Eine integrierte SPS mit NC-Windows-schnittstelle bildet die PLC-Funktionen.

High End-CNC: Die High End-CNC hatoffene Strukturen für das Applikations-engineering auf den Ebenen MMI, NCP und

PLC (Bild 2). Dadurch ergeben sich flexibleHardwarestrukturen für scalierbare Rechner-leistungen. Der vermehrte Einsatz von PC-Hardware beim MMI-Rechner wird möglich.Multiprozessorfähige NC-Systeme lassen denflexiblen Ausbau von NC-Achsen zu. DieMehrkanalstrukturen mit unabhängigenInterpolatoren ermöglichen Varianten bis 5-Achsen-Fräsen, Mehrspindeldrehen,Schleifen usw. Die offenen Programm-schnittstellen für die Integration an Sonder-maschinen sind vorhanden.

Die MMI-Funktionen basieren auf Standard-strukturen sowie projektierbaren maschinen-spezifischen Benutzeroberflächen. Standardi-sierte Multitasking-Betriebssysteme ermögli-chen die Integration von eigenständigen Pro-grammen (MS-DOS, Windows, UNIX usw.)sowie maschinenspezifische Programmier-systeme (WOP und AVOR), graphischeSimulationsprogramme und CAD-Systeme.DNC-Erweiterungen mit direkter LAN-An-kopplung (PC-LAN, Ethernet) sowie MMI-Windows direkt zur NC und PLC sind reali-sierbar. Ein Datenlogger für Fehler, History,Zustände und Diagnose sowie ein Massen-speicher wie Hard- und Floppydisk gehörenzum Funktionsumfang.

Als NCP-Funktionen sind höhere Interpola-tionsarten wie Spline, Parabel, 5-Achsen-Po-lynome und Mehrkanalstrukturen mit virtuel-len Achszuordnungen möglich. Zu den Ant-rieben gibt es offene Schnittstellen wie:analog, SERCOS, Firmenbussysteme(Siemens, FANUC u.s.w.). Es könnenweiche Rampenübergänge für grössereBeschleunigungen generiert werden. Mit denoffenen Strukturen für komplexeZyklenprogrammierung könnenmathematische Funktionen und logischeOperationen implementiert werden.Hochsprachenstrukturen um ISO 66025können überlagert werden (IF, WHILE, FOR...) und in die Systemsoftware kann einSourcecode direkt eingebunden werden.

Durch flexible NC-Windows kann einedirekte Prozessbeeinflussung stattfinden wie

3. CNC-Technik

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RAVEL

ISO-Interrupt aus ISO-, MMI- oder PLC-Funktionen. Eine kanalspezifische Vorschub-steuerungen kann auf Einzelachsen oderInterpolationskanäle wirken. Die flexiblenKompensationsstrukturen basieren aufMaschinenkonstanten, Spindel- und Werk-zeugkompensationen für Winkel-, Spindel-,Cross-Error. Kompensationstabellen in Funk-tion von Maschinenparametern und -temperaturgang können dynamischnachgeladen werden. MMI-Windows wirktdirekt zur NC und PLC für Logik, R-Datenund Files. Die typische Leistungsdaten vonHigh-End CNC-Systemen sind: Blockzyklus-zeiten 0.2-5 ms und Interpolations- undLagereglertakt 0.5-3 ms.

Die PLC-Funktionen umfassen SPS mitMMI- und NC-Windowsschnittstelle. Feld-businterfaces für Interbus-S, Profibus, CAN-Bus usw. sind möglich. Hilfsachsen wieSchrittmotoren und Servohydraulik könnendirekt angesteuert werden. Als Analog-schnittstellen stehen 12/16-Bit ADI und ADCzur Verfügung. Die Durchführung einer Ma-schinendiagnose ist möglich.

Bild 2) Blockstruktur der Datenkommunikationenzwischen MMI, NC und PLC.

Trends im SteuerungsbauIm Steuerungsbau findet bei den CNC-Herstellern eine Strukturbereinigung statt.Bei den MMI-Konzepten baut man auf PC-Hardware mit 486 CPU's. Es werdenvermehrt Mono, Dual-Scan und TFT LCD-Display's eingesetzt. Die Harddisk als Daten-träger für System- und Anwendersoftwaresowie die 3½" Floppy als Transfermediumsetzen sich durch. Die flexible Vernetzung istin immer mehr Systemen möglich. Die NC-Funktionen verfügen über mächtigere Be-fehlsstrukturen aus ISO. SchnellereSatzverarbeitungszeiten und verbesserteRegelalgorithmen ermöglichen einen gerin-geren Schleppabstand. Normierte Befehls-strukturen wie extended ISO und OSACAwerden Standard. Eine erweiterte elekt-ronische Fehlerkompensationen erhöht dieMaschinengenauigkeit.

Offene Antriebsschnittstellen konkurrierenweiterhin Paketlösungen, werden sich aberam Markt behaupten. Die PLC-Strukturenermöglichen Schnittstellen zwischen CNCund SPS Steuerungen über Feldbusse.Normierte Programmiersprachenvereinfachen die Kommunikation. MitFeldbussystemen für dezentrale Lösungenstehen bessere Anschlusstechniken durchstandardisierte E/A-Module und normiertenDatenschnittstellen zu Aggregaten wie Spin-delantriebe, Messstationen und Sensorik zurVerfügung.

Planungsphasen

Der Energiepreis ist noch in den wenigstenFällen ausschlaggebend für aktive Mass-nahmen zum Energiesparen aufWerkzeugmaschinen. Beachten wir aber dieTatsache, dass unnötiger Energieverbrauchzusätzliche thermische Probleme im Schalt-schrank und auf der Maschine hervorrufenkann, so ist es wichtig, in jeder Entwick-lungsphase diesem Aspekt die notwendigeAufmerksamkeit zu schenken.

3. CNC-Technik

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RAVEL

Entwicklung: Im Bereich der Werkzeugma-schinen und der dazugehörigen Steuerungs-technik wird die Forschung und Entwicklungnoch wichtige Beiträge zur Optimierung derSteuerungskomponenten leisten. Durch dieEntwicklung von Steuer- und Antriebsein-heiten mit einem besseren Wirkungsgradkann die Kühlleistung im Schaltschrank undder Temperaturgang auf der Maschinereduziert werden. Die Geräteschnittstellensind offen für eine flexible Maschinen-integrationen zu gestalten. Die Komponentenbekommen ein temperaturunabhängigesVerhalten mit einem breiten Spannungs- undFrequenzbereich ohne verlustreicheAnpassungsschaltungen. Mit einer verbes-serten Sensorik kann der Prozess überwachtwerden. Dazu gehört zum Beispiel eine prä-zise Leistungsinformation bei Spindelantrie-ben über den gesamten Drehzahlbereich undKörperschallmessgeräte für adaptive Vor-schubsteuerungen.

Konstruktion: Bereits bei einemallgemeinen Maschinenpflichtenheft müssendie Entwicklungsteams der Konstruktion,Elektroplanung und des Softwareengineeringeng zusammenarbeiten, um eine optimaleLösung zu erreichen. Die nachfolgendenPunkte sind Beispiele, wo bereits in frühenPlanungs- und Entwicklungsphasen einerWerkzeugmaschine wichtige Punkte mitbe-rücksichtigt werden müssen:

Der Temperaturgang der Maschine kann mitguter Wärmeableitung im Bereich der Moto-ren, Spannvorrichtungen und Aggregate ver-bessert werden. Für die Temperaturstabilitätist der Einfluss des Kühlmittelflusses in derMaschine zu berücksichtigen. Bei derAntriebsdimensionierung ist auf diethermische Zeitkonstante der Antriebe, aufdie Beschleunigungs- und Schnittkräftesowie auf die optimale Abstimmung desMassenträgheitsmoments zwischen Antriebund Maschine zu achten. Für die Halte- undKlemmeinrichtungen von Haupt- und Hilfs-antrieben sind Sicherheitsaspekte und dieEnergieabschaltung in Betracht zu ziehen.Mit dem Einsatz von elektronischen Kom-

pensationen (Bild 3) können Winkelfehler,Cross-Error und Spindelsteigung korrigiertwerden.

Anhand mechanischer Referenzsysteme, wel-che bei der Konstruktion festzulegen sind,können die notwendigenMaschinenkonstanten bei der Inbetriebnahmeeinfach vermessen werden.

Die in leistungsfähigen CNC-Steuerungenintegrierten Kompensationsmechanismenermöglichen weitgehend automatisierteEinrichtfunktionen zu realisieren. Dadurchergeben sich kürzeste Stillstandszeiten beimUmrüsten, automatischer Werkstückwechselund weniger Ausschuss (first part, goodpart).

Bild 3) Kippkompensationen mit erweiterter Spin-delsteigungsfehlerkompensation.

Elektroengineering: Gute Elektroplanungleistet bei der gesamten Anlagenplanungeinen wesentlichen Beitrag für eine flexibleSteuerung der installierten Verbraucher.Leider werden solche Forderungen oft durchden vorgegebenen Kostenrahmen ganzausser acht gelassen. Andererseits ist zubeachten, dass flexible Steuerfunktionenauch die Maschinenfunktionalität erhöhenkönnen. Zusätzlich sind bei der Be-rücksichtigung von einigen Aspekten auchohne zusätzliche Aufwendungen Energie undKosten einzusparen.

Das Ziel muss es sein, ohneSchrankkühlung die zulässigenTemperaturbereiche nicht zu überschreiten.Temperaturunterschiede bis 10 Gradinnerhalb eines Schaltschrankes sind durch-aus möglich, und somit bei der Layoutpla-

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nung entscheidend, ob zusätzliche Kühlleis-tung in Schaltschrank zu installieren ist. Beider Planung eines Schranklayouts solltentemperaturunempfindliche Einheiten wieKlemmen, Rangierfelder, Sicherungen usw.im oberen Schrankteil angeordnet sein. DieLeistungseinheiten mit grossen Verlustlei-stungen können in einem getrenntenSchrankteil plaziert werden. LokaleWärmestaus oder gegenseitige Warmluft-beeinflussung durch Geräte sind zu vermei-den. Wärmestaus lassen sich durch forcierteUmluft vermeiden.

Die Widerstandsmodule von Servo- undSpindelantrieben zur Vernichtung derBremsenergie sind, wenn möglich,ausserhalb des Schrankes zu montieren, zumBeispiel in einem Gehäuserucksack. Es sindnur Kühlgeräte mit einstellbarenTemperaturreglern einzusetzen. Die Tem-peratureinstellung ist möglichst hoch anzuse-tzen, damit der Schaltschrank nicht zum Um-gebungskühler wird. Aggregate und Bau-gruppen sind mit möglichst selektiver An-steuerung zu planen. Freischalten vonAntrieben sollte während dem Betrieb mög-lich sein.

Softwareengineering: Mit modernen Pro-grammierwerkzeugen auf der CNC könnenkomplexe Programmstrukturen wirtschaftlichgelöst werden. Möglichkeiten und Offenheitder CNC-Funktionen sind: Online-Zustell-Strategien, variable Werkzeugradiuswerte,Offenheit der Aggregats-Schnittstellen undkonstruktive Vorgaben wie Bremsen undKlemmen. In den Programmstrukturensollten flexible Parameterschnittstellen fürdie Ablauf- und Schaltfunktionssteuerungdurch den Endanwender vorhanden sein.

Produktivitäts steigerungen undEnergiesparen

Unter der Annahme, dass bei einer Werk-zeugmaschine durch optimierte Abläufe dieBearbeitungszeiten gesenkt werden, redu-zieren sich auch die unproduktiven Neben-

zeiten, und somit auch derGesamtenergieaufwand.

Ablaufoptimierung der Beabeitungspro-zesse: Bei Werkzeugmaschinen mit hoherZyklenfunktionalität können durch intel-ligente Softwarelösungen unnötige Verfahr-wege eliminiert werden. Dazu zählen werk-zeugkompensierte Ausgangslagen, Freifahr-,Kollisionsstrategien und spindelkompensierteAusgangslagen beim automatischem Spindel-wechsel. Voraussetzungen für dieRealisierung solcher Strukturen sind CNC-Steuerungen mit sehr schnellen NC-Inter-preter. Die anspruchsvollen Funktionsabläufeund umfangreiche Kompensations-berechnungen müssen Online ohne Still-standszeiten von der CNC berechnet werden.

% (* Beispiel Konturberechnung Online *)N005 FOR phi = phi_start TO phi_end STEP d_phi;N010 BEGIN;N015 Xn = dm/2 * COS(phi) - 2 * e * COS(2*phi) + e *COS(4*phi);N020 Yn = dm/2 * SIN(phi) + 2 * e * SIN(2*phi) + e * SIN(4*phi);N025 G1 x Xn y Yn;N030 END;

Bild 4) Berechnung von Wegsegmenten.Parkieren von NC-Achsen: Hilfs- undHauptachsen können bei entsprechendenFunktionsschnittstellen (M-Codes für dieBremssteuerung, Klemmung und dieAntriebsfreischaltung) einfach während demProzess parkiert werden. Unter Freischaltenwerden leistungslose Antriebe verstanden.Die Vorteile sind: keine Mikrooszillationender Achse im Stillstand, keine unnötigeMaschinenerwärmung und die Achse mussauch nicht für den Referenzsuchlaufverfahren werden, wenn eine genaue Positioneingestellt ist.

Werkzeugvorbereitungen: DieWerkzeugvorbereitung während der Bearbei-tung, sowie eine flexible Werzeugverwaltungauf der Steuerung reduzieren die Werk-zeugwechselzeiten.

Werkstückprogrammierung(AVOR/WOP): Die Werk-stückprogrammierung unterteilt sich grob inzwei Hauptgruppen:

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RAVEL

Bei der CAD-CAM-Kopplung bestimmender NC-Generator und der nachgeschaltetePostprozessor weitgehend die Qualität vonoptimierten Verfahr- und Schnittstrategien.Der Postprozessor müsste auch feststellen,welche NC-Achsen für ein Werkstück nichtgebraucht werden, und diese Achsen könnteer mit dem entsprechenden M-Codeparkieren. Die CNC braucht für minimaleStillstandszeiten grosse Massenspeicher (z.B.Harddisk) und einen Background Programm-transfer während der Bearbeitung.

Für die WOP / Zyklenprogrammierungsind die gleichen Programmgeneratoren aufder CNC und in der AVOR. Sie müssenwährend der Bearbeitung aktiv sein, was ver-mehrt bei PC-basierenden MMI's möglich ist.

Bild 5) Bei arbeitender Maschine auf der CNCprogrammieren.

Die Programmsimulationen mit graphischerUnterstützung müssen sowohl auf demAVOR-Rechner und der CNC möglich sein.

Mehr Produktivität durch Sensorik

Vermehrt stehen dem Werkzeugmaschinen-hersteller Mess- und Steuergeräte zurVerfügung, die es ermöglichen, denBearbeitungsprozess Online zu steuern undzu regeln. Der Entwicklungsstand einigerMessgeräte ist bereits so weit fortgeschritten,dass viele CNC-Steuerungen die verfügbarenProzessinformationen wegen ungenügendenSchnittstellen oder mangelnder CNC-Funktionalität nicht mehr optimal auswertenkönnen.

CNC-Interfacefuntionen beinhalten: CNC-Eingänge die direkt im Interpolationstakt

oder schneller eine Signalauswertungermöglichen, exakte Positionserfassung mitMesstastern bei Maximalgeschwindigkeit,Analogeingänge bis 16 Bit ADC,Serieschnittstellen für die Kommunikationmit intelligenten Aggregaten. (Messstationenusw.) und ein Feldbusinterface für Sensor /Aktor Ebene.

Bild 6) Reglerstruktur für Mehrachsen-CNC.

Dadurch ergeben sich Anwendungen mitMesstastern für Werkstück- oder Aufspann-positionen. Mit Leistungssignalgebern undKörperschallsenssoren können Werkstückund Werkzeugkontakt Online erkannt wer-den. Analoge Messtaster dienen derschnellen Positionserfassung, wenn dieSteuerung anhand der Tasterauslenkung diegenaue Position berechnen kann. Mitleistungsproportionalen Signalen kann derVorschub geregelt werden (adaptive Vor-schubregelung). Dieses Verfahren verlangtCNC-Steuerungen, die auch im Interpo-lationsbetrieb innerhalb den Geschwindig-keitsrampen ein schleppfehlerfreies Fahrengarantieren.

Verarbeiten von Messeingängen: Messta-stereingänge auf CNC-Steuerungen könnenje nach System direkt auf NC-Eingänge odervia PLC in der NC-verarbeitet werden. NebstCNC-internen Reaktionsgeschwindigkeit aufMesseingängen ist es viel entscheidender,mit welcher Geschwindigkeit und Funktio-nalität die CNC-Applikation denProzessablauf beeinflussen kann. Bei Hoch-geschwindigkeits-Schleifscheiben wird durch

3. CNC-Technik

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RAVEL

Abtasten der Scheibenausdehnung mitSensoren der Werkzeugradius automatischkompensiert. Das «Luftschleifen» wirdverhindert. Die Endmasserkennung erfolgtOnline und das Abfahren von Messzyklendient der Aufspannorientierung.

Adaptive Vorschubsteuerung: BeimSchleifen kommen externe Messgeräte zumEinsatz, die ein leistungsproportionales Ana-logsignal zur CNC melden. Diese skaliertenOnline-Informationen vomBearbeitungsprozess verarbeitet die CNC di-rekt als Vorschubsüberlagerung zur program-mierten Geschwindigkeit. Dadurch ergibtsich ein Vorschub mit konstanterSpindelleistung. Die CNC kann ein stumpfesWerkzeug erkennen, es automatisch ab-richten oder wechseln. Das Endmass wirddurch die Analyse des Schleifdruckeserkannt (Bild 7).

Bild 7) Unterschiedliche Schleifdrücke beim Un-rundschleifen.

4. Antriebsdimensionierung

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RAVEL


Autor: Rolf Gloor

In Maschinen findet man oft überdimensio-nierte Antriebe. Ein zu grosser Antrieb hatnichts mit guter Qualität zu tun, denn er ver-ursacht höhere Kosten für das Antriebs-system selber und für die massivere Infra-struktur in der Mechanik (Getriebe,Fundamente ...) und der Elektrik (Ver-kabelung, Schaltschrank ...). Ein zu grosserMotor ist aber auch weniger dynamisch under hat eine grössere Verlustleistung.

Die Antriebsdimensionierung lässt sich invier Phasen unterteilen: Analyse,Berechnung, Systemauswahl und Kontrolle.Dieses Kapitel versucht einige Zusammen-hänge zwischen den Antriebsanforderungenund den Möglichkeiten mit Elektromotorenaufzuzeigen. Durch die konsequente Verwen-dung von SI-Einheiten bei der Antriebsausle-gung vereinfacht sich die Berechnung unddie Fehlerquellen reduzieren sich auf falscheAnnahmen. Der Maschinenkonstrukteur undAntriebsfachmann soll mehr Sicherheit aufdem Weg zu günstigen und energie-effizienten Antriebslösungen erhalten.

Die Antriebsdimensionierung lässt sich infolgende 3 Gruppen unterteilen:

• Statische Auslegung: Das Drehmomentdes Antriebes muss über den ganzen Be-triebsbereich grösser als das Lastmomentsein.

• Dynamische Auslegung: Der Antriebmuss genügend Drehmomentreservehaben, um die Last in der geforderten Zeitauf die gewünschte Geschwindigkeit oderPosition zu bringen.

• Thermische Auslegung: Der Antrieb darfsich nicht über seine maximal zulässigeTemperatur erwärmen.

Grundlage für die Auslegung sind die Funk-tionen, welche die Maschine erfüllen muss.Sehr oft wird eine Antriebsaufgabe nur mitihrer Maximaldrehzahl und Maximalleistungspezifiziert. Bei den meisten Arbeits-prozessen ist dieses Vorgehen zulässig, weildort bei der höchsten Drehzahl auch dasgrösste Drehmoment erforderlich ist. Beivielen Maschinen sind aber die Lastmomente(Bild 1) nicht bekannt und man weiss nur,dass es mit den eingesetzten Antrieben funk-tioniert. Dass der Antrieb zu gross ist, siehtman vielleicht erst an einer Konkurrenz-maschine.

Typische Lastkennlinien

Drehzahl/Geschwindigkeit

Dre

hmom

ent/K

raft

0

1

2

3

4

0 0.5 1 1.5 2

konstant turbulent

Bild 1) Die häufigsten Lastkennlinien.

Bestimmung der Lastmomente

Bei einer Maschine gibt es folgende Mög-lichkeiten zur Bestimmung der Lastmomente:

• Berechnung der Prozesskräfte: In der Li-teratur (Dubel, Papers ...) sind oft Anga-ben über die grundsätzlichen Kräfte oderErfahrungswerte für einen Prozess zufinden. Verknüpft mit den Parametern derMaschine lässt sich damit analytisch oderiterativ (eventuell mit Computerunter-stützung) das Lastmoment über den Be-triebsbereich bestimmen. Falls keine An-gaben gefunden werden, kann das Last-


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RAVEL

moment vielleicht aus ähnlichen Prozes-sen abgeschätzt werden.

• Messung der Prozesskräfte: An einemModell, Prototypen oder an einer ähnli-chen Maschine können die Kräfte mitSensoren gemessen werden. Eine einfa-che statische Kraft- oder Drehmoment-messung kann mit einer Federwaage(Drehmoment = Kraft mal Hebelarm)durchgeführt werden. Beschleunigungs-kräfte in komplexen Bewegungsabläufenkönnen zum Beispiel durch die quantitati-ve Auswertung von Bild-Aufzeichnungenbestimmt werden.

• Ausmessung am Motor: Bei einer beste-henden Maschine kann direkt am Motordas Lastmoment ermittelt werden. Beielektrischen Antriebssystemen besteht einZusammenhang zwischen Motorstrom undDrehmoment. Mit einer Messreihe (Moto-renstrom und Drehzahl) kann dieLastkennlinie ermittelt werden. DurchLeerlaufversuche und eine Kalibrierungsind Referenzwerte zu schaffen, weil beivielen Antrieben der Strom nicht propor-tional zum Drehmoment ist. Bei dynami-schen Bewegungen ist die Schwungmassedes Motors bei der Prozessanalyse zuberücksichtigen.

Die Krafterzeugung in einem Motor

Ein Elektromotor ist ein elektromagnetischerEnergiewandler. Der eine Teil des Motors istfest (Stator), der andere Teil beweglich (Ro-tor). Bei der Mehrzahl von Motoren liegt derRotor innen.

Das Drehmoment wird im Luftspalt(zwischen Stator und Rotor) erzeugt (Bild 2).Bei den meisten Motoren (AusnahmeReluktanzmotoren) entsteht es durch dieKraft, welche auf die Stromleiter imMagnetfeld ausgeübt wird. Das Magnetfeldwird entweder durch integrierteElektromagnete (Erregerwicklung) oder mitPermanentmagneten gebildet.

Lokal gesehen (Bild 3) wirkt eine Schubkraft,deren Grösse proportional zum Magnetfeldund zum Strombelag ist. Die maximaleStärke des Magnetfeldes ist durch dieSättigung des Eisens im Bereich von einemTesla begrenzt. Die Wärme, welche imStromleiter entsteht, muss abgeführt werden.Somit ist die maximale Schubkraft begrenzt(bei Normmotoren selten über 30 kN/m2).Das Drehmoment an der Motorwelle ergibtsich aus dem Produkt Schubkraft malLuftspaltfläche mal Hebelarm. Es ist somitproportional zum Rotorvolumen.

StatorLuftspaltRotor

Radius

Bild 2) Zwischen Stator und Rotor wirkt dieelektromagnetische Kraft im Luftspalt.

KraftStator

Rotor

Kraft

LeiterEisen

magne-

Flusstischer

Bild 3) Krafterzeugung im Luftspalt des Motors.

Mit der Induktion B [Vs/m2], dem Anker-strombelag A [A/m], dem Rotorradius r [m]und der Rotorlänge l [m] rechnet sich dasDrehmoment M [Nm]:

M B A r l»» 2

Form. 1) Das Drehmoment ist proportional zumRotorvolumen


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RAVEL

Gleichgrosse zwei- und vierpoligenAsynchronmotoren haben oft die gleicheNennleistung, obwohl der zweipolige Motordie doppelte Drehzahl hat. Der vierpoligeMotor erreicht die Leistung mit einemdoppelt so grossen Drehmoment. Diegeometrisch bessere Flussführung erlaubteinen grösseren Rotor (erkennbar am Träg-heitsmoment) und dadurch ein grösseresDrehmoment (Bild 4).

2 - poliger Motor 4 - poliger Motor

Stator Rotor magnetischer Fluss

Bild 4) Der vierpolige Motor hat ein grösseresDrehmoment als der zweipolige, weil er fürden magnetischen Fluss wenigerStatoreisen braucht.

Wenn man den vierpoligen Motor an 100Hertz betreibt, hat er eine doppelt so grosseNennleistung wie der zweipolige Motor imgleichen Gehäuse. Der umrichtergespeiste«100 Hz Motor» braucht eine angepassteWicklung (Sonderwicklung), welche abernicht viel teurer als die Normwicklung ist.Ein Asynchronmotor mit Frequenzumrichterkann auf eine beliebige Nenndrehzahl (zumBeispiel: 400 U/min, 2400 U/min, 12 000U/min) ausgelegt werden.

MotorkennlinienDie Daten auf dem Typenschild eines Motorsgeben nur über den Nennbetriebspunkt (Pn,Mn, Nn, Un, In ...) Auskunft. Ein Antriebs-system arbeitet aber nicht nur im Nennpunkt.Der Arbeitsbereich kann sich über alle vierQuadranten erstrecken. Ein Asynchronmotor,welcher am Netz betrieben wird (Bild 5),deckt drei Quadranten ab, den vierten Quad-ranten, wenn zwei Phasen vertauscht werden.Der stabile Betriebspunkt ist gefunden, wenndas Lastmoment gleich dem Motormoment

ist. Eine Differenz ergibt ein Beschleu-nigungsmoment und dadurch eine Drehzahl-veränderung.

Wenn der Asynchronmotor mit einem Fre-quenzumrichter angesteuert wird, so kannseine Kennlinie so verändert werden, dass beider gewünschten Drehzahl das Lastmomentaufgebracht wird, wie bei Servo-antriebssystemen. Ein Servoantriebunterscheidet sich aber vom um-richtergespiesenen Asynchronmotor durch ei-ne dynamische und genaue Drehzahlregelungund die Beherrschung der tiefen Drehzahlen.

Drehmoment-Kennlinie eines 2.2 kW Asynchronmotors

Drehzahl [U/min]

Dre

hmom

ent [

Nm

]

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

-500 0 500 1000 1500 2000 2500

Motormoment

Anlaufmoment

Kippmoment

Nennmoment

Bild 5) Kennlinie eines «anzugsstarken»vierpoligen Asynchronmotors am 50 HzNetz.

Ein Servoantriebssystem (Bild 6) hat im Still-stand das höchste Drehmoment. Je nachzulässiger Übertemperatur (zum Beispiel 60oder 100 Grad Kelvin) und je nach der Artder Kühlung kann der gleiche Motorverschiedene Nenndrehmomente abgeben.Im Gegensatz zum Netzbetrieb ist bei einemAntriebssystem mit Leistungselektronik derStrom limitiert. Der Nennstrom und dieÜberlastbarkeit des Ansteuergerätesbeschränken die Drehmoment-Kennlinie desAntriebes.

0 2000 4000 6000

Drehzahl [U/min]

0

10

20

30

40

50

Dre

hmom

ent [

Nm

]

Drehmoment-Kennlinie eines 10 Nm Servomotors

Mn (dT 60K)

Mn (dT 100K)

Mn (Lüfter)

Mmax (Imax)

Mmax (Motor)

Spannungs-grenzkurve

Bild 6) Kennline eines Servoantriebssystems.


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RAVEL

Statische Antriebsauslegung

Bei Arbeitsmaschinen mit langsamenDrehzahländerungen genügt meistens einestatische Antriebsauslegung. Es gilt dieBedingung, dass über den ganzenDrehzahlbereich das Lastmoment nichtgrösser als das Antriebsmoment sein darf(Bild 7). Wenn das Losbrechmoment (dieHaftreibung) nicht grösser als das Anzugs-drehmoment ist, sind keineAnlaufschwierigkeiten zu erwarten.

Bei hohen Haftmomenten im Bereich desMotoranlaufmomentes nützt bei Asynchron-motoren ein Sanftanlaufgerät nicht viel, dennder Motor beschleunigt erst, wenn er genugSpannung hat, um das Losbrechmoment zuüberwinden. Mit einem modernen Frequenz-umrichter steht aber schon beim Start einhohes Drehmoment zur Verfügung.

Drehmomente bei einem anzugsschwachenAsynchronmotor mit einem Gebläse als Last

Drehzahl [U/min]

Dreh-

[Nm]

Lastmoment Motormoment Beschleinigungsmoment

0

10

20

30

40

50

60

300 600 900 1200 15000

moment

< Losbrechmoment

Bild 7) Ein hohes Losbrechmoment kann denMotor blockieren.

Ein Asynchronmotor, der direkt oder miteinen Softstarter ans Netz geschaltet wird,erhitzt sich beim Hochfahren mit derEnergie, welche der Rotationsenergie desRotors und der Last entspricht. In denDatenblättern von Standardmotoren ist diezulässige Anzahl Leerumschaltungen proStunde angegeben. Kleine Asynchron-motoren können viel mehr Schaltungen (eini-ge pro Sekunde) als grosse (einige pro Stun-de) verkraften. Beim Betrieb mit einem Fre-quenzumrichter hat der Motor einen be-

schränkten Schlupf und kann viel häufigergeschaltet werden.

Wenn das Lastdrehmoment unterhalb derNenndrehzahl grösser als das Nenndrehmo-ment des Motors ist (Zentrumswickler, Knet-maschinen, Exzenter ...), so ist ein Antriebs-system mit einer Kennline zu suchen,welches diesen Bereich abdeckt (Gleich-strom-Reihenschluss-Motor, Gleichstrom-Motor mit regulierbarer Erregung, Asynch-ronmotor mit Frequenzumrichter in der Feld-schwächung, geschalteter Reluktanzmotor).Alternativ bleibt sonst eine veränderbare Get-riebeuntersetzung oder eine entsprechendeÜberdimensionierung des Antriebssystems.

Der Preis eines Motors hängt von seinerGrösse und somit vom Nenndrehmoment ab.Die Drehmomentanpassung an die Last istmit einem Getriebe meistens günstiger alsmit einem grossen Motor. Ein Getriebe hatein Reibungsmoment, welches von der über-tragenen Leistung wenig abhängig ist. DerWirkungsgrad eines Motors oder einesGetriebes bezieht sich auf die Nennleistung.Im Teillastbereich oder bei tieferenDrehzahlen ist der Wirkungsgrad schlechter.

Dynamische Antriebsauslegung

Als Ergänzung zu den Anforderungen bei derstatischen Dimensionierung muss bei der dy-namischen Antriebsauslegung einebestimmte Drehzahl oder Position in einervorgegebenen Zeit erreicht werden. Für diedazu notwendige Beschleunigung (oder Ver-zögerung) muss das Antriebssystem einzusätzliches Drehmoment aufbringen. Jegrösser die Beschleunigung ist, desto mehrKraft ist erforderlich. In vielen dynamischenMaschinen braucht der Motor die meisteKraft, um seinen eigenen Rotor zu be-schleunigen.

Translatorisches SystemDas translatorische System bezieht sich aufgeradlinige (lineare) Bewegungen (Bild 8),wie sie Schlitten, Aufzüge, Kolben und


29

RAVEL

andere Teile von Maschinen und Anlagenausführen.

Die Grundeinheiten für das translatorischeSystem sind der Weg s [m], die Zeit t [s] unddie Masse m [kg]. Daraus lassen sich dieGeschwindigkeit v [m/s], die Beschleunigunga [m/s2] und die Beschleunigungskraft F [N= kgm/s2] ableiten. Im freien Fall (Bild 9) miteiner Beschleunigung von etwa 10 m/s2

nimmt die Geschwindigkeit pro Sekunde um10 m/s zu.

m F

s, v, a 0

Bild 8) Die translatorische Bewegung.

Die Beschleunigungskraft ist (vereinfacht)das Produkt aus Masse mal Beschleunigung:F = a m, oder genauer für veränderlicheMassen: F = d(v m)/dt. Die Geschwindigkeitist Weg durch Zeit: v = ds/dt. Die Beschleu-nigung ist Geschwindigkeitsänderung durchBeschleunigungszeit: a = dv/dt.

Beschleunigung, Geschwindigkeit und Weg

Zeit [s]

05

1015202530354045

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Weg [m] Geschwin-digkeit [m/s]

Beschleuni-gung [m/s2]

Bild 9) Die Kinematik des freien Falls.

Rotatives SystemDas rotative System bezieht sich auf Drehbe-wegungen wie sie in rotierenden elektrischenMaschinen, Getriebe, Walzen, Spindeln undTeilen von Maschinen und Anlagen vorkom-men (Bild 10).

Die Einheit rad (Radian) für den Winkel istungewohnt aber praktisch.

1 rad = 1 Umdrehung / 2pp

(0.16 Umdrehungen oder 57.3 Grad)

Durch die Verwendung dieser Grösse könnenUmrechnungsfaktoren (9550, 60 usw.) beiBerechnungen weggelassen werden.

0

Drehmoment M

Schwung-

masse

Winkel

Winkelgeschwindigkeit

WinkelbeschleunigungM / J

t

t

W = aW = a

a =a =

j = Wj = W

J(Formeln vereinfacht)

Bild 10) Die rotierende Bewegung.

Die Grundeinheiten für ein rotatives Systemsind der Winkel jj [rad] und die Schwung-masse (Polares Massenträgheitsmoment) J[kgm2]. Daraus lassen sich die Winkelgesch-windigkeit (Drehzahl) W W [rad/s], die Winkel-beschleunigung aa [rad/s2] und das Beschleu-nigungsmoment M [Nm] ableiten.

Bei der dynamischen Auslegung vonGelenken, Kurbeltrieben und ähnlichenSystemen ist bei der Berechnung derBeschleunigungsmomente die ausführlicheFormel zu verwenden. Durch denveränderlichen Radius für die Bewegungs-übertragung vom lineraren ins rotativeSystem verändert sich die transformierteSchwungmasse mit dem Winkel und der Zeit.

Md J

dtJ

dJdt

== == ++WW

WWα φ

aa

Form. 2) Ausführliche Formel zur Berechnung desBeschleunigungsmomentes.

Schwungmasse und GetriebeDas Massenträgheitsmoment J [kgm2] für ei-nen Vollzylinder mit Radius r [m], Länge l[m], Masse m [kg] und spezifischem Gewichtr r [kg/m3] rechnet sich:


30

RAVEL

Jm

r l r== ==2 2

2 4rrpp

Form. 3) Die Schwungmasse eines zylindrischenKörpers.

Die Schwungmasse eines Vollzylinder nimmtmit der vierten Potenz des Durchmessers zu.Ein um 20% dickerer Zylinder hat diedoppelte Schwungmasse.

Spindel 2

Motor1

Bild 11) Riemengetriebe mit Übersetzung i.

Wenn zwei rotierende Körper über ein Get-riebe miteinander verbunden sind, so wirddie Schwungmasse mit dem Quadrat desÜbersetzungsverhältnisses i transformiert.Eine optimale Anpassung ist gefunden, wenndie transformierte träge Masse der Lastgleich gross ist, wie die des Motors.

Grösse System 1 = System 2

Winkel jj1 == jj2 i

Drehzahl WW1 == WW2 i

Winkelbeschleunigung aa1 == aa2 i

Drehmoment M1 == M2 / i

Schwungmasse J1 res == J1 + J2 / i 2

Leistung P1 == P2

Tab. 1) Transformation durch ein Getriebe.

Vom translatorischen ins rotative SystemDie Umwandlung einer rotativen in einetranslatorische Bewegung kann aufverschiedene Arten erfolgen: Kette,Zahnriemen, Seilzug, Zahnstange, Spindel,usw. Bei diesen Transformationen kann einRechnungsradius r [m] als Umrechnungswertangenommen werden. Bei denÜbertragungselementen mit einer Abwick-lung über den Umfang entspricht dieser

Radius dem geometrischen Wert, bei einerSpindel der Spindelsteigung durch 2p.

m F

s, v, a 0

0

M

rJ

j, W, aj, W, a

Bild 12) Ein Schlitten wird über einen Seiltrommelmit dem Radius r gezogen.

Grösse rotativ = translatorisch

Winkel jj = s / r

Drehzahl WW = v / r

Winkelbeschleunig. aa = a / r

Drehmoment M = F r

Schwungmasse Jres = J + m r 2

Tab. 2) Transformation mit «Rechnungsradius» r.

Leistung und EnergieMit der Leistung und Energie kann dieTransformationsrechnung überprüft werden,denn sie muss in beiden Systemen gleichgross sein.

Grösse Symb. Einheit transl. rotativ

Leistung P W F v M WW

Energie(dyn.)

W J m/2 v 2 J/2 WW2

Energie(stat.)

W J F s M jj

Erdbeschl. g m/s2 9.81

Pot. Höhe h m

Pot. Energie W J m g h

Tab. 3) Leistung und Energie im translatorischenund rotativen System.

Für die Berechnung der Leistung aus der Be-ziehung Drehmoment mal Drehzahl kann dieUmrechnung mit 1 rad/s = 60/2p U/min =9.55 U/min = ca. 10 U/min vereinfachtwerden. Die verwendete Grösse für dieDrehzahl n in Umdrehungen pro Minute ist


31

RAVEL

etwa 10 mal grösser als die Grösse WW inRadian pro Sekunde.

P Mn

MP

n»» »»

1010

Form. 4) Vereinfachte Berechnung von Leistung,Drehmoment und Drehzahl.

BewegungsabläufeFür die Überwindung einer gegebenenStrecke s [m] in einer möglichst kurzenPositionierzeit tp [s] gibt es zweiMöglichkeiten der Bewegungsoptimierung.Zum einen kann eine minimale Beschleu-nigung, zum anderen auf eine minimale Lei-stung optimiert werden.

Grösse minimaleBeschleunig.

minimaleLeistung

Beschleunigungszeit tp / 2 tp / 3

Geschwindigkeit 2 s / tp 1.5 s / tp

Beschleunigung 4 s / tp 2 4.5 s / tp 2

Leistung 8 m s2/ tp 3 6.75 m s 2 / tp 3

Tab. 4) Geschwindigkeit und Beschleunigung beioptimierten Bewegungsabläufen.

Für die erste grobe Leistungsabschätzung(Annahme: Schwungmasse Motor = transfor-mierte Last) dient folgende Formel:

P mst

Beschleunigung LastPositionierhub

Positionierzeit

»» 202

3

Form. 5) Leistungsabschätzung für eine Positionie-rung in minimaler Zeit.

Zeit [s ]

-1

0

1

2

3

4

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

a [8 m/s2] v [3.6 m/s] s [1.62 m]

Bild 13) Bewegungsverlauf mit minimaler Beschleu-nigungskraft.

Zeit [s ]

-1

0

1

2

3

4

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

a [9 m/s2] v [2.7 m/s] s [1.62 m]

Bild 14) Bewegungsverlauf mit minimaler Leistung.

Bei der Auslegung für die beiden Beispiele(Bild 13/14) ist von der Positionierzeit voneiner Sekunde eine Zehntelsekundeabgezogen worden. Je nach Steifigkeit desRegelsystems dauert es eine Zeit, bis sich derAntrieb und die Last auf die genaue Positionausgerichtet haben (Beruhigungszeit). DerRegler des Ansteuergerätes darf für einegenaue Positionierung nicht am «Anschlag»fahren. Für einen sauberen Bewegungsablaufsollte das maximale Drehmoment desAntriebssystems nur bis zu 90% ausgenütztwerden.

Thermische Auslegung,Überlastung

Grundlage für die thermische Auslegung istdie Annahme, dass sich das Motor nur durchdas Drehmoment erwärmt. Die Verluste imMotor sind proportional zum Quadrat desDrehmoments. Ein Betrieb mit dem halbemDrehmoment verursacht nur einen Viertel derMotorverluste, das doppelte Drehmoment dievierfachen. Bei der Definition der BetriebsartS6 ist die Zeitdauer auf 10 Minuten fest-gelegt. Bei Motoren ab Baugrösse 73 (150mm Durchmesser) ist diese Zeitkonstanteausreichend.

Die Betriebsart S6/60 beschreibt zumBeispiel eine Überlastung des Antriebes um30% während 6 Minuten. In den übrigen 4


32

RAVEL

Minuten ist der Antrieb unbelastet (imLeerlauf).

Zeit [min]

Auslastung [%]

0

50

100

150

200

250

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

S1

S6/60

S6/25

Bild 15) Antriebe dürfen kurzzeitig überlastetwerden.

Wenn sich ein Motor dauernd über die zuläs-sige Temperatur erwärmt, reduziert sich seineLebensdauer (die Wicklungslebensdauer istca. 100 000 Stunden). Wenn besonders hoheLeistungen nur ausnahmsweise benötigt wer-den (zum Beispiel: Ventilator mit einerBetriebsart «Sturmlüftung» im Brandfall),kann es sich durchaus lohnen, einen zweitenMotor zu installieren, welcher nur bei Bedarfeingeschaltet wird.

Die meisten Antriebssysteme mit elektroni-schen Steuergeräten können den Motor auchbremsen. Bei Vierquadranten-Phasenanschnittgeräten für Gleich-stromantriebe und bei einigen grösserenFrequenzumrichtern wird die Bremsenergieins Netz zurückgespiesen. Bei Achsmodulenmit einem gemeinsamen Spannungszwi-schenkreis kann die Bremsenergie von denanderen Antrieben genutzt werden. In denanderen Fällen wir die Bremsenergie ineinem Ballastwiderstand verheizt. DieBremswiderstände sind meistens sodimensioniert, dass sie dauernd etwa 10 bis20% der Nennleistung und kurzzeitig diemaximale Leistung des Antriebssystemsaufnehmen können. Die Bremswiderständesollten ausserhalb des Schaltschrankes in-stalliert werden.

Zusammenfassung

Grundlage der guten Dimensionierung ist dasKennen der Anforderungen, welche die Ma-schine an den Antrieb stellt. Ein Antriebbraucht nicht überdimensioniert zu werden,


33

RAVEL

denn er kann seine Nennleistung dauerndabgeben. Bei komplexeren Antriebsaufgabenhelfen Auslegungsprogramme wenig, denndie Berechnung macht den kleineren Teil derArbeit aus. Die Auswahl der passendenAntriebskomponenten braucht die meisteZeit. Bei einer guten Auslegung ist wichtigist, dass nach der Wahl bis auf den Prozesszurückgerechnet wird. Zur Kontrolle sollteüber das Drehmoment und zusätzlich überdie Leistung/Energie gerechnet werden. Sokann vermieden werden, dass zum Beispielfür eine Aufgabenstellung, welche maximal270 Watt Leistung erfordert, ein 5 Nm Motormit 3000 U/min Nenndrehzahl (1.5 kW) undein Verstärker mit zweifacher Überlastbarkeit(3 kW) eingesetzt wird.

5. Frequenzumrichter

29

RAVEL


Autor: Benno Jäckle

Ein Grossteil der industriellen Antriebsauf-

gaben werden mit Asynchronmotoren rea-

lisiert, welche direkt oder über einen Stern-

Dreieck-Schalter mit dem elektrischen Netz

verbunden sind. Die Energiezufuhr zu den

Maschinen kann nur über einen EIN-AUS-

Schalter gesteuert werden. Für eine reduzierte

Leistungsabgabe werden energievernichtende

By-Pass Einrichtungen oder Drosseln einge-

setzt.

Mit einem Frequenzumrichter können solche

Maschinen energieeffizienter konstruiert und

betrieben werden. Obwohl Umrichter durch

ihre eigenen Wärmeverluste den Wirkungsgrad

für die Umwandlung von elektrischer in me-

chanischer Energie verkleinern, ist der durch-

schnittliche Wirkungsgrad über den ganzen

Betriebsbereich um ein mehrfaches besser.

Die heutzutage erhältlichen Antriebssysteme

mit Frequenzumrichtern decken eine Vielzahl

von Applikationen mit unterschiedlichen An-

forderungen ab. Die Umrichtersysteme lassen

sich in folgende Gruppen einteilen:

AC Inverter: Low Cost Drehzahlsteuerung

für Asynchronmotoren.

AC Drive: Dynamische Drehzahlsteuerung

mit Asynchronmotoren (sensorless vector

control).

AC Servo: Hochdynamischer Drehzahlreg-

ler für Asynchronmotoren mit Rotorposi-

tionsrückführung (vector control).

Brushless DC: Drehzahlregelung für einen

Synchronmotor mit einer Rotorpositions-

rückführung.

SR Drive: Steuergerät für ein Reluktanz-

motor (switched reluctance drive).

Alle genannten Antriebssysteme arbeiten mit

Umrichtern, welche sich hauptsächlich in der

Komplexität des Steuerteiles unterscheiden.

Der Leistungsteil dieser Umrichter ist in etwa

der gleiche (Gleichrichter, Zwischenkreiskon-

densator und sechs Halbleiterschalter).

Aufbau des Leistungsteils

Die Aufgabe des Leistungsteiles besteht darin,

aus der Netzspannung ein neues Versorgungs-

netz zu erzeugen, welches mit variabler Span-

nung und Frequenz arbeiten kann. Dazu gibt es

unterschiedliche Möglichkeiten:

Direktumrichter

Der Direktumrichter arbeitet, analog wie eine

Phasenanschnittsteuerung, mit einem dreipha-

sigen Stellglied, welches am Umrichterausgang

die Energie ohne Zwischenspeicherung zur

Verfügung stellt (Bild 1 und 2).

Bild 1) Blockschaltbild eines Direktumrichters.

Bild 2) Strom- und Spannungsverläufe eines

Direktumrichters.


30

RAVEL

ZwischenkreisumrichterDer Zwischenkreisumrichter speichert die zu

übertragende Energie in einem Energiespeicher

und gibt sie anschliessend gleichmässig mit der

gewünschten Spannung und Frequenz an die

angeschlossenen Verbraucher (Motoren) ab. Es

wird zwischen zwei Arten unterschieden:

Der Stromzwischenkreisumrichter arbei-

tet mit einer Längsdrossel (Induktivität) als

Energiespeicher, welche den Strom im

Zwischenkreis konstant hält.

Der Spannungszwischenkreisumrichter

benötigt eine konstante Spannung über dem

Zwischenkreis. Eine Kondensatorbank dient

ihm als Energiespeicher.

In den meisten Applikationen werden Um-

richter mit Spannungszwischenkreis eingesetzt

(Bild 3). Als Eingangsstufe wird eine passive

Gleichrichterbrücke eingesetzt, welche die

Elektrolytkondensatorbank auf den Scheitel-

wert der Eingangsspannung auflädt. Diese kon-

stante Spannung wird mit 6-Halbleiterschaltern

(heute meistens IGBT's) so zerhackt, dass eine

sinusbewertete, pulsbreitenmodulierte, dreipha-

sige Rechteckspannung entsteht, welche durch

einen induktiven Verbraucher (Motor) einen

sinusförmigen Strom fliessen lässt (Bild 4).

Bild 4) Typische Motorspannungen und Motor-

ströme eines Spannungszwischenkreis-

umrichters.

Halbleiterschalter und deren Verluste

Für die Erzeugung von rechteckförmigen

Spannungen werden Halbleiterschalter einge-

setzt. Ein Linearbetrieb dieser Halbleitertransi-

storen ist nicht zulässig, da die enorme Ver-

lustleistung die Bauteile sofort überhitzen wür-

de. Dem Frequenzumrichterhersteller stehen

verschiedenartige Transistoren für unterschied-

liche Applikationen zur Verfügung:

Der Bipolartransistor besitzt eine npn-

Struktur. Zum Einschalten des Transistors

wird ein Strom in den Steuereingang (Basis)

eingeprägt. Der durch die Last bestimmte

Ausgangsstrom IC muss nun kleiner sein, als

das Produkt Stromverstärkung Ib * Signal-

Bild 3) Blockdiagramm eines Spannungszwischenkreisumrichters.


36

RAVEL

Struktur. Zum Einschalten des Transistorswird ein Strom in den Steuereingang (Ba-sis) eingeprägt. Der durch die Last be-stimmte Ausgangsstrom IC muss nun klei-ner sein, als das ProduktStromverstärkung Iβ * Signalstrom IB,sonst wäre der Transistor nicht vollständiggeschaltet und würde bei mangelnderKühlung schlagartig zerstört. Span-nungszwischenkreisumrichter älterer Ge-neration wurden mit Bipolartransistorenausgerüstet.

• Der MOSFET ist ein Feldeffekttransistor,welcher zum Einschalten eine Gleichspan-nung an seinem Steuereingang (Gate)benötigt. Im Gegensatz zu allen anderenTransistoren steigen die Durchlassverlustenicht linear sondern quadratisch mit demStrom an. Der MOSFET ist ein sehrschnellschaltendes Bauelement, welchesvor allem in batteriegespiesenen Umrich-tern (Elektrogabelstapler, Elektromobile)zu finden ist.

• Der GTO ist ein ausschaltbarer Thyristor.Im stromführenden Zustand kennt er,ähnliche wie Dioden, keinen Linearbe-trieb. Zum Ausschalten benötigt er einensehr grossen Strom an seinem Steuer-eingang (Gate). Der langsamschaltendeGTO wird vor allem in Bahnumrichterneingesetzt.

• Der IGBT ist die Kombination einesMOSFET's als Eingangsstufe und einesBipolartransistors als Ausgangsstufe.Seine Verlustleistung ist linear zumStrom. Seine typischenAnwendungsgebiete sind allgemeine indu-strielle Leistungsendstufen von 100 W bis200 kW.

• Der MCT ist die Kombination einesMOSFET's als Eingangsstufe und einesausschaltbaren Thyristors als Ausgangs-stufe. Da dieses, doch eher langsam-schaltende Bauelement immer noch in denKinderschuhen steckt, ist noch nicht

abzusehen wo und wann es zum indu-striellen Einsatz kommen wird.

Obwohl diese Halbleiter nur als Schaltereingesetzt werden, sind sie in SachenWärmeverluste nicht mit dem mechanischenSchalter vergleichbar. Es wird zwischen zweiverschiedenen Verlustleistungsartenunterschieden:

Durchgangsverluste treten während derstromführenden Zeit der Halbleiter auf. Überden Leistungsanschlüssen der einzelnenHalbleiter fällt eine Spannung ab, welche mitdem lastabhängigen Strom eineVerlustleistung produziert.

Die Durchgangsverluste sind laststromabhän-gig und fallen vor allem bei Transistoren mithoher Sättigungsspannung (Spannungsabfallüber den Leistungspfad) sehr stark insGewicht.

Schaltverluste werden beim Ein- und Aus-schalten von Strömen produziert. Bei einemSchaltvorgang tretenKommutierungsvorgänge auf. Das heisst,Spannung und Strom ändern gleichzeitig mitbegrenzten Steilheiten ihre Werte. Dabeitreten momentan sehr hohe Verlust-leistungsspitzen auf, wobei sich die Verlust-energie, wegen der kurzen Zeitdauer, inGrenzen hält. Bei regelmässigen Ein- undAusschalten summieren sich jedoch dieseVerlustenergien so stark, dass sie nicht mehrvernachlässigt werden können.

Je grösser die Schaltfrequenz ist desto höhersind die Schaltverluste. LangsamschaltendeBauteile produzieren längere Kommu-tierungszeiten, das heisst eine grössereVerlustenergie pro Schaltvorgang. BeimSchalten von induktiven Lasten erhöhen sichdie Schaltverluste, da die in denSchaltvorgang miteinbezogene Freilaufdiodezum Aufbau ihrer Sperrspannung auchVerluste produziert.


37

RAVEL

Verlustleistung von Um richtern

Frequenzumrichter weisen im Gegensatz zumechanischen Schaltern, wo der Kontaktwi-derstand die bestimmendeVerlustleistungsgrösse ist, viel grössereWärmeverluste auf. Die exakte Berechnungder Umrichterverlustleistung ist sehraufwendig. Zur Vereinfachung wurde eineFaustformel für 3 * 400 V Umrichter, basie-rend auf einem variablen Motornennstrom IMerarbeitet. Diese setzt sich aus folgenden Ele-menten zusammen:

• Gleichrichter: Bei einer Gleichrichter-brücke fliesst der gleichgerichtete Stromimmer über zwei Dioden, von welcherjede etwa 1.5 V Durchlassspannungaufweist:PvGleichrichter ≈ 3 V * IM

• Zwischenkreiselektrolytkondensator:Die Kondensatoren speichern die vomNetz bezogene Energie und geben siewieder gleichmässig an die Ausgangsstufeab. Bei einer dreiphasigenNetzeinspeisung kann die Kondensator-bank nur sechs mal pro Netzperiode auf-geladen werden. Das verursacht grosseRippelströme, die im Innenwiderstand desKondensators Verlustwärme produzieren.Messungen zeigen folgende Zusam-menhänge:PvElko ≈ 0.4 V * IM

• IGBT-Ausgangsstufe: Die Verluste derAusgangsstufe setzen sich aus den Durch-lassverlusten PvVentil und den Schaltverlus-ten PvSchalt zusammen. Die Ventilverlustesind bestimmt durch die Sättigungsspan-nung des eingeschalteten IGBT's. EinWirkstrom fliesst stets durch zwei IGBT's.Näherungsweise gilt folgender Zusam-menhang:

PvVentil ≈ 6.5 V * IM

Die Schaltverluste sind von der Schaltge-schwindigkeit und von der Schalthäufig-keit fPWM abhängig. Typische Werte fürdie Schaltverlustenergie pro Schaltstrom

von IGBT's liegen im Bereich von 0.8mJ/A:PvSchalt ≈ 0.8 mVs * fPWM * IM

• Steuerspannungsversorgung: EinSchaltnetzteil realisiert aus dem Zwischen-kreis die Steuerspannungsversorgung,deren Ausgangsleistung direkt als Verlust-leistung zu werten gilt. DieWärmeverluste der Mikroprozessor-steuerung sind vom Motorstrom un-abhängig und betragen im Schnitt 8 W.Andere Hilfsspannungsverbraucher sindjedoch wieder von der Geräteleistungs-klasse abhängig. Um die Geräte möglichstin kleiner Bauform anzubieten, werden dieKühlkörper in der Regel mit Lüfterzwangsgekühlt. Verlustleistungsannahme:PvSteuerung ≈ 0.1 V * IM + 8 W

Faustformel für 400 V Umrichter:

PvU ≈≈ (0.8 mVs * fPWM + 10 V) * IM + 8W

Beispiel: Antriebswirkungsgrad

Motor: 11 kW, 380 V, 23 A, 50 Hz, cosϕ0.83

Umrichter: 16.7 kVA, 24 A, 5 kHz

Gesucht: Wirkungsgrad von Motor, Umrich-ter

Verlustleistung des Motors:

PvM ==

PI - PO

S * cosϕ - PO

S ==

√3 * U * I1.73 * 380 V * 23 A = 15.

1kVA

PI = 15.1 kVA * 0.83 = 12.5

kW

PvM = 12.5 kW - 11 kW = 1.5 kW

Verlustleistung des Motors mit Umrichter:


38

RAVEL

PoZ ==

PO * ηZ11 kW * 0.95 = 10.

5kW

PvMZ

= 12.5 kW - 10.5 kW = 2 kW

Der Frequenzumrichter verschlechtert denMotorwirkungsgrad um zusätzlich 5%, da dieUmrichterströme oberfrequente Anteile auf-weisen, welche im gewählten Motor Zusatz-verluste von etwa 500 Watt verursachen.

Verlustleistung des Umrichters:

PvU =

=

(0.8 mVs * fPWM +10 V) IM + 8 W(0.8 mVs * 5 kHz +10 V) * 23 A + 8 W = 330 W

PIU ==

PIU + PvU12.5 kW + 0.33 kW = 12.

8kW

Wirkungsgrade:

ηM ==

PO / PI

11 kW / 12.5 kW = 88 %

ηMZ ==

POZ / PI

10.5 kW / 12.5 kW = 84 %

ηU ==

PI / PIU12.5 kW / 12.8 kW = 97 %

ηAnt ==

POZ / PIU10.5 kW / 12.8 kW = 82 %

Beispiel: Lüftungsanlage

Eine bestehende Lüftungsanlage sorgt dafür,dass immer genügend Frischluft in der Tief-garage vorhanden ist. Der Lüftermotor (11kW, 380 V, 23 A, 50 Hz, cosϕ 0.83), der bis-her Tag und Nacht im Betrieb war, soll übereinem Frequenzumrichter (16.7 kVA, Takt-frequenz 5 kHz) drehzahlgesteuert betriebenwerden. Der Umrichter regelt die Frischluft-zufuhr in der Garage so, dass der CO2 -Gehalt einen Maximalwert nicht überschrei-tet. Als Annahme gelten folgende verein-fachten Lastverhältnisse: Vollast 4 h/Tag,50% Teillast 12 h/Tag, Abgeschaltet 8 h/Tag.

Es stellen sich, wirtschaftlich gesehen,folgende Fragen: In welchem Umfang redu-zieren sich die Energiekosten pro Jahr? Wielange dauert es, bis die Anlagekostenamortisiert sind?

Ausgangswert: Energieverbrauch der beste-henden Lüftungsanlage (dauernd Vollast):

W ==

PIn * t12.5 kW * 365 * 24 h = 110 MW

h

Lösung: Energieverbrauch der neuenAnlage.

WVoll

==

PIU * tVoll12.8 kW * 4 h = 52 kWh

WTeil =

=

[0.5 * POZ + 0.8 *(PvMZ + PvU)] * tTeil[0.5 * 10.5 kW +0.8 * (2 kW + 0.33kW)] * 12 h = 85 kWh

Wtot ==

365 * (WVoll + WTeil)365 * (52 + 85) kWh = 50 MW

h

Bemerkungen: Motor und Umrichter habenbei Halblast etwa 80% der Nennverlust-leistung.

WSp ==

W - Wtot110 MWh - 50MWh

= 60 MWh

Kosteneinsparungen bei 0.10 Fr./kWh

Fr.Sp ==

WSpar * Tarif60 MWh *

0.10 Fr./kWh = 6 kFr.

Bei Anschaffungskosten von 5000 Frankenzahlt sich das geregelte Antriebssysteminnerhalb von einem Jahr.

Beispiel: Pumpensteuerung

In einem Nahwärmeverbund wird die Förder-menge der Umwälzpumpe dem Wärmebedarfangepasst. Den grössten Teil der Zeit muss


39

RAVEL

die Pumpe nur etwa die Hälfte dermaximalen Fördermenge liefern. Die Pumpehat einen Wirkungsgrad von 90% und wirdvon einem Motor mit den gleichen Daten wieim vorhergehenden Beispiel«Lüftungsanlage» angetrieben.

Bestehende Anlage: Durchflussregelung miteinem Drosselventil. Eine Messung zeigt,dass sich bei einer Halbierung desDurchflusses die aufgenommene Motoren-leistung nur um 20% reduziert. Die Auf-nahmeleistung für den Pumpenmotor beträgt:

P50% ==

0.8 * √3 * U * I * cosϕ0.8 * 1.73 * 380 V *

23 A * 0.83 = 10 kW

Neues Konzept: Durchflussregelung mitFrequenzumrichter. Der Leistungsbedarfeiner Pumpe steigt mit der dritten Potenz desFörderstromes, er ist also bei halberFördermenge achtmal kleiner: (0.5

3 = 0.125).

PHyd ==

0.125 * ηP * PM0.125 * 0.9 * 11 kW = 1.2

4kW

PvP ==

(1 - ηP) * PM(1 - 0.9) * 11 kW = 1.1 kW

Die Reduktion der Verlustleitung bei 12.5%Teillast ist etwa 50% (k = 0.5).

P50% =

=

PHyd + k *(PvP + PvM + PvU)1.24 kW + 0.5 *

(1.1 kW + 2 kW +0.33 kW) = 3 kW

Die Leistungseinsparung beträgt somit 7 kWoder 70% gegenüber der Förderstromanpas-sung mit einer Drossel.

Aufgepasst beim Umrichtereinsatz!

Digitale Umrichter haben Parametriermög-lichkeiten mit Standardvorgaben. EinUmrichter kann nur energieeffizient arbeiten,wenn seine Parametrierung dem Motor undder Anwendung angepasst ist.

Motorparameter wie Motornennstrom,Motornennspannung und Motornennfrequenzentsprechen in der Regel den Werten einesdem Umrichter angepassten Motors undkönnen, falls erforderlich, auf demTypenschild oder Datenblatt des Motorsabgelesen werden. Die Spannungsfrequenz-charakteristik ist jedoch anwendungsspezi-fisch und sollte angepasst werden.

Anwendung CharakteristikKonstante Lastmomente Lineare

SpannungsanhebungLüftungen Quadratische

SpannungsanhebungPumpen Lineare oder quadratische

SpannungsanhebungWechselnde Lastmomente Automatische

Spannungsanhebung

Tab. 1) Die richtige Spannungsfrequenz-Charak te-ristik muss für die entsprechendeAnwendung ausgewählt werden.


40

RAVEL

Frequenzumrichter erzeugen amMotorausgang schnelle Spannungsände-rungen, welche in Zusammenhang mit langenMotorleitungen (grösser als 20 Meter) ge-fährliche Überspannungsspitzen an denMotoranschlüssen entstehen lassen, die danneinen Durchschlag in der Motorwicklungverursachen können. Eine Abhilfe bringen danur Motordrosseln direkt am Ausgang desUmrichters.

Werden Frequenzumrichter ohne Ein-gangsfilter betrieben, können andere amgleichen Netz angeschlossene Verbrauchergestört werden.

Zusammenfassung

Die Frequenzumrichtertechnik hat sich aufdem Antriebsmarkt durchgesetzt. DieAnschaffungskosten sind etwa fünfmalgrösser als die entsprechender mechanischerSchalter. Die Mehrkosten lassen sich jedochin vielen Applikationen durch Energieein-sparungen in vernünftiger Zeit amortisieren.Der Wirkungsgrad von Umrichtern ist sohoch (grösser als 95%), dass die Verluste inder Berechnung der Energieeinsparungmeistens vernachlässigt werden können. Nurrichtig parametrierte Umrichter arbeitenenergieeffizient.

6. Antriebssysteme

41

RAVEL

6. Antriebssysteme

Autor: Rolf Gloor

Die verschiedenen Elektromotoren wurdenvor über 100 Jahren erfunden und habensich bis heute nicht wesentlich verändert. DieFortschritte in der Elektronik haben dieMöglichkeiten der Antriebstechnik aber starkerweitert. Es gibt eine Vielzahl vonunterschiedlichen elektrischenAntriebssystemen. Noch zahlreicher sindderen Bezeichnungen. Die im Maschinenbaugebräuchlichen Antriebe lassen sich infolgende vier Gruppen einteilen: Kollektor-,Synchron-, Asynchron- und Reluktanzma-schinen.

Nach den ergiebigen Energiesparmöglich-keiten des optimalen Maschinensystems, derAnsteuerung und der Dimensionierung liegennoch Potentiale in der Auswahl des richtigenAntriebes. Der Wirkungsgrad eines Motorswird in der Praxis erst bei grösserenAntrieben berücksichtigt, obwohl es sichauch bei kleinen Antrieben, welche eine hoheBetriebsdauer haben, bezahlt macht. InBezug auf den Wirkungsgrad liegen zwischenden einzelnen Systemen keine riesigen Unter-schiede, aber doch lohnende Möglichkeiten.Ein 2.2 kW Antrieb mit 83% statt 78%Wirkungsgrad und 8000Jahresbetriebsstunden spart 500 FrankenElektrizitätskosten in fünf Jahren. Dieses Ka-pitel will die einzelnen Antriebssysteme be-schreiben und die entsprechenden Einsatzbe-reiche aufzeigen.

Elektromotor und VerlusteDie technische Grösse eines Motors ist mitdem Abstand (mm) von der Welle zur Auf-lage definiert (Bild 1). Diese Distanz wird alsBaugrösse bezeichnet. Für Asynchron-motoren ist diese Grösse normiert (IEC-Normmotor). Beispiel: Ein Motor der Bau-

grösse 100 hat einen Durchmesser von 200mm.

Ein Elektromotor besteht im wesentlichenaus folgenden drei Teilen:

Stator: der feststehende TeilRotor: der rotierende TeilGehäuse, Lager, Achse und Kühlung

Welle

Rotor

Lüfter Achse

Stator

Gehäuse

Bild 1) Schnitt durch einen Elektromotor.

In einem Elektromotor fallen verschiedeneVerluste an. Die Verlustleistung muss abge-führt werden, damit sich der Motor nichtüberhitzt. Es sind die Verluste (und die zuläs-sige Erwärmung), welche die Grösse einesMotors bestimmen:

Kupferverluste (Leiterstromdichte)• Ankerstrombelag für den drehmomentbil-

denden Strom.• Magnetisierungsstrom für die Erregung.

Bei einer Erregung mit Permanentmagne-ten entfallen diese Verluste.

Eisenverluste (Qualität des Blechmaterials)• Wirbelstromverluste (geblechte Ei-

senstapel)• Ummagnetisierungsverluste (Hysterese)

Zusatzverluste (Motorkonstruktion)• Motorventilator• Reibungsverluste (Lager und Dichtung)

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• Strömungsverluste im Motor (Luftspalt ...)• Oberwellenverluste und weitere

Die Verluste entstehen in erster Linie imKupfer (den elektrischen Leitern) und inzweiter Linie im Eisen (den magnetischenLeitern). Die Verluste steigen quadratisch mitdem abgenommenen Drehmoment bei mehroder weniger konstanten Leerlaufverlusten(Bild 2).

0 500 1000 1500 2000Drehzahl [U/min]

025

5075

100

Drehmoment[Nm]

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Ver

lust

leis

tun

g [

W]

Bild 2) Verlustleistung eines vierpoligen 11 kWAsynchronmotors bei unterschiedlichenFrequenzen und Belastungen.

Je besser die Verlustwärme abgeführt wird,desto mehr Drehmoment und damit auchLeistung kann aus einem Motor herausgeholtwerden (Bild 3). Ein hoch ausgenutzterAntrieb hat nicht unbedingt einen besserenWirkungsgrad.

Nenndrehzahl [rad/s]

Nen

nle

istu

ng

[kW

]

02468

101214161820

0 200 400 600 800 1000

Pn Wasser

Pn Venti

Pn

eff. 88%

eff. 90%

eff. 90%

Bild 3) Nennleistung bei verschiedenen Nenndreh-zahlen für einen Motor mit Wasserkühlung,mit Ventilator und ohne aktive Kühlein-richtung.

Die Verluste in einem Elektromotor nehmenweniger stark zu als seine Nennleistung. Jegrösser ein Elektromotor ist, desto besser

wird sein Wirkungsgrad, wenn seineNennleistung gebraucht wird.

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis vonabgegebener zu aufgenommener Leistung.Der im Datenblatt eines Motors angegebeneWirkungsgrad gilt für den Betrieb bei derNennleistung (bei Nenndrehzahl). ImLeerlauf oder im Stillstand haben alleMotoren den Wirkungsgrad Null (Bild 4).

0 500 1000 1500 2000Drehzahl [U/min]

025

5075

100

Drehmoment[Nm]

0102030405060708090100

Wir

kun

gsg

rad

[%

]

Bild 4) Wirkungsgrad eines vierpoligen 11 kWAsynchronmotors bei unterschiedlichenFrequenzen und Belastungen.

Der Elektromotor ist nur ein Teil des Ant-riebssystems, welches aus der elektrischenAnsteuerung, dem Kabel, dem Motor unddem Getriebe besteht.

Eine besondere Beachtung verdient das Get-riebe. In den meisten Getriebekatalogen sindkeine Angaben über den Wirkungsgrad zufinden. Für eine Zahnradstufe kann je nachGetriebegrösse ein Wirkungsgrad von 94 bis98% angenommen werden. Dieser Wir-kungsgrad bezieht sich aber auf dasNenndrehmoment. Wenn zum Beispiel einzweistufiges 3 kW, 200 Nm Getriebe beiNennleistung einen Wirkungsgrad von 91%hat, so beträgt das Reibungsmoment 20 Nm.Im Teillastbereich bei 50 Nm Lastmoment istaber sein Wirkungsgrad nur noch 71%.Schneckengetriebe haben tiefe Wirkungs-grade und verheizen im Teillastbereich mehrLeistung als sie abgeben.

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Technische Ausführung vonMotoren

Toleranzen: Die elektromechanischen Anga-ben für einen Motor sind oft nur berechnetund unterliegen wegen der BlechqualitätToleranzen. Es wird eine zulässigeAbweichung von +/- 10% toleriert. Beispiele:91% Wirkungsgrad kann 90% bis 92% sein,1450 U/min Nenndrehzahl kann bei derAsynchronmaschine zwischen 1445 und1455 liegen.

Leistungsreduktion: Bei Umgebungstem-peraturen über 40 °C und Höhenlagen vonüber 1000 m ü.M. muss der Motordeklassiert werden.

Aussetzbetrieb: Ein Motor, welcher oft ein-und ausgeschaltet wird, kann sich mehr alsim Dauerbetrieb erwärmen und dadurchausfallen. Wenn eine Leistung nur für einekurze Einschaltdauer (innerhalb von 10Minuten) benötigt wird, kann vom Motorauch eine höhere Leistung abgenommenwerden (Handbohrmaschine ...).

Isolationsklasse: Die Isolationsstoffklassebeschreibt die zulässige Dauertemperatur derWicklungsisolation. Klasse B (130 °C) giltals Standard. Klasse F (155 °C) ist beiumrichtergespiesenen Motoren empfehlens-wert. Klasse H (180 °C) ist nur in besonderenFällen erforderlich.

Schutzart: Die Schutzart (zum Beispiel IP12) kennzeichnet den Schutz eineselektrischen Gerätes gegen das Eindringenvon Fremdkörpern wie Finger, Staub usw.(erste Ziffer) und gegen Wasser (zweite Zif-fer). Die Schutzart nimmt keinen Bezug aufdie Beständigkeit gegenüber Lösungsmittelund Korrosion. Für die Schutzart ist dieWellendichtung die kritische Stelle. Einwasserdichter Motor braucht eine spezielleDichtung, welche regelmässig ersetzt werdenmüsste und eine relativ hohe Reibung (Ver-luste) hat. In vielen Fällen genügt da aucheine Schleuderscheibe auf der Welle.

Explosionsschutz: Elektromotoren gibt es inunterschiedlichen Zündschutzarten (erhöhteSicherheit «e», druckfeste Kapselung «d»).Ein explosionsgeschützter Motor musszusammen mit dem entsprechendenSteuergerät (Beispiel: Frequenzumrichter)bescheinigt werden.

Zuverlässigkeit von AntriebssystemenElektrische Antriebssysteme sind imallgemeinen zuverlässige Systemkom-ponenten. Folgende Kriterien bestimmen dieZuverlässigkeit:

Bei Kollektormaschinen (Gleichstrommo-toren, Universalmotoren ...) liegt dieBürstenstandzeit zwischen 1000 und 8000Betriebsstunden. Der Kollektor ist jeweilsauch zu überprüfen und gegebenenfalls zurevidieren.

Die Lager halten 10 000 bis 50 000 Stunden.Bei grossen und in unbeaufsichtigten An-lagen installierten Antrieben werden dieLagervibrationen und Temperaturen über-wacht. Bei Riemenantrieben ist eine ver-stärkte Lagerung am Motor vorzusehen. EinFlachriemen ist einem Keilriemen vorzu-ziehen. Der Riemen und die Spannung sindregelmässig zu kontrollieren.

Bei der Verwendung von Motoren mit hohenSchutzarten (zum Beispiel: IP 56) ist die La-gerdichtung nach den angegebenenBetriebsstunden auszuwechseln.

Die Leistungselektronik erreicht Ausfallra-ten von unter 1%. Nach etwa 7 Jahren sinddie Elektrolytkondensatoren ausgetrocknet.Nach 15 Jahren ist die Gefahr gross, dassbeim Lieferanten niemand mehr das Gerätkennt.

Die Wicklung erreicht 100 000 Stunden Le-bensdauer bei Nennbetrieb. Überspannungs-impulse im Motor, zum Beispiel vom Fre-quenzumrichterbetrieb verursacht, könnendie Wicklungsisolation schneller altern las-sen, im Extremfall innert ein paar Stunden.

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Gleichstrommotor

Der Gleichstrommotor ist der klassischeRegelantrieb. Er wird als Hauptantrieb bis zueinigen 100 kW Leistung alsUniversalantrieb und als Servoantrieb bishinunter in den Wattbereich eingesetzt.

S

N

Bild 5) Schnitt durch einen zweipoligen Reihen-schluss-Gleichstrommotor.

Das Prinzip des Gleichstrommotors ist relativeinfach, die mechanische Konstruktion dafürrecht aufwendig. Die Leiter des Rotorswerden von Magnetfeld des Stators durch-drungen. Die Kommutierung (Nachführungdes Strombelages im Rotor) erfolgt auf me-chanische Art. Dazu sind auf der AchseSchalter (Kollektor mit Bürsten) angebracht,welche direkt durch die Drehung dieentsprechenden Leiter (Windung) einschal-ten. Die mechanische Festigkeit desKollektors begrenzt die Maximaldrehzahl desGleichstrommotors. Das Drehmoment istproportional zum Strom, die Drehzahl pro-portional zur Spannung. Ein entsprechendesRegel-/Steuergerät ist einfach und günstig(Seriewiderstand in der Erregung, Thyris-tortechnik, DC-Chopper).

Für die Erregung (Erzeugung des Magnet-feldes) gibt es folgende Varianten:

• Hauptschluss(Erregung im Ankerstromkreis)

• Neben- und Fremdschluss(Erregung unabhängig des Ankerstromes)

• Compoundschluss(Kombination oberer Varianten)

• Permanenterregung(Erregung mit Permanentmagneten)

Das Prinzip des Gleichstrommotors funktio-niert auch mit Wechselstrom, wenn die Er-regung und der Ankerstrom die gleiche Fre-quenz haben. Die meisten einfachen Kleinan-triebe (Scheibenwischer, Fensterheber, Kin-derspielzeuge, Haushaltgeräte, Stellantriebe...) sind mit Kollektormotoren ausgerüstet,welche direkt ans entsprechende Netzgeschaltet werden können.

Oft wird auch von bürstenlosen Gleichstrom-maschinen «brushless DC» gesprochen.Damit ist ein kommutatorloser Antrieb mitdem Betriebsverhalten einer Gleich-strommaschine gemeint. Eigentlich handeltes sich um eine mit Permanentmagnetenerregte Synchronmaschine, welche mit meistblockförmigen Strömen angesteuert wird.

Synchronmotor

Der Synchronmotor wird in der Elektrizitäts-erzeugung als Generator eingesetzt. AlsMotor findet er durch den Einsatz vonPermanet-Magneten mit der Umrichter-technik immer mehr Verbreitung. BeimSynchronmotor befindet sich die Erregungim Rotor, welcher sich synchron mit demFeld des Statorstromes dreht.

N

N

N

S

S S

Bild 6) Schnitt durch einen sechspoligen perma-nenterregten Synchronmotor.

Wenn der Rotor nicht mit der Statorfrequenzdrehen kann (hohe Beschleunigung oder zuhohes Lastmoment), fliessen in den Stator-windungen sehr hohe Ströme. DerSynchronmotor kann daher nur bei einfachenAnwendungen zusammen mit einem Fre-

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quenzumrichter betrieben werden. Bei Servo-antrieben wird durch einen Rotorlagegeberim Motor (zum Beispiel ein Resolver) derElektronik mitgeteilt, welche Windungsspulegerade im Magnetfeld ist und eingeschaltetwerden soll. Die Kommutierung erfolgt elek-tronisch (Transistoren als Schalter). Es gibtauch Ansteuergeräte, welche Syn-chronmotoren ohne Sensoren betreiben (zumBeispiel durch die Erfassung der drittenOberwelle). Für einen hochwertigen Servo-antrieb (Beherrschen von tiefen Drehzahlen,geringe Momentpulsationen) ist eine Rück-führung von Bewegungsinformationen not-wendig (Bild 7).

Synchronmotoren mit Permanentmagentensind für Drehmomente bis etwa 30 Nminteressant. In Katalogen sind sehr seltenAngaben über den Wirkungsgrad zu finden.Obwohl im Rotor eigentlich keine Verlusteentstehen sollten, werden die Motoren sehrheiss, vor allem bei höherenNenndrehzahlen.

Strom-Regler

Drehzahl-Regler Motor MessungPositions-

ReglerWW M i jj

WWjj

jj

jj WW MLeistungSollwerte

Bild 7) Typische Reglerstruktur eines Servo-antriebssystems.

Asynchronmotor

Der Asynchronmotor ist der am meisten ver-wendete Industriemotor. Er kann direkt (mitMotorschutzschalter) ans Drehstromnetzangeschlossen werden und ist sehr robust undeinfach zu bauen. Wegen diesen gutenEigenschaften ist dieser Antrieb internationalnormiert und er wird auf der ganzen Welt ingrossen Stückzahlen produziert.

Bild 8) Schnitt durch einen Asynchronmotor.

Der Asynchronmotor hat seinen Namen vonder Tatsache, dass er sich nicht genau mit derNetzfrequenz dreht. Er hat nur ein Dreh-moment, wenn seine Drehzahl von der syn-chronen Drehzahl abweicht. Im Betriebs-bereich ist das Drehmoment proportional zudieser Abweichung, welche als Schlupf be-zeichnet wird. Beim Asynchronmotor erfolgtdie Erregung über die Statorspannung. In dieNuten des Stators sind die Wick-lungenspakete eingelegt. Im Rotor ist beimKurzschlussankermotor nur ein Leiter proNut eingelegt oder eingegossen. Es werdenweder Bürsten noch Magnete verwendet.

Der Asynchronmotor wird direkt an dasDrehstromnetz (3 * 400 V) angeschlossen.Für kleine Leistungen (unter 2 kW) kann derAsynchronmotor mit einem Kondensatorauch an das Wechselstromnetz (1 * 230 V)angeschlossen werden. Für noch kleinereLeistungen gibt es den Spaltpolmotor (ein-phasiger Asynchronmotor mit gespaltenemStator), welcher einen schlechtenWirkungsgrad hat.

Beim Anlauf nimmt der Asynchronmotorsehr hohe Ströme auf. Um die Belastung desStromnetzes zu reduzieren wird der Motorbei grösseren Leistungen mit einer tieferenSpannung angefahren. Mit demStern/Dreieck Anschluss liegen in der Stern-schaltung 400 V über zwei Windung an.Nach einer gewissen Zeit wird durch einenexternen Schalter in die Dreieckschaltungumgeschaltet und 400 V an eine Windungangelegt. In der Sternschaltung hat der Motornur ein Drittel des Nenndrehmomentes. Aufdem Typenschild sind die erforderlichen

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Spannungen für die Nennleistung in Dreieck-und Sternschaltung angegeben (zumBeispiel: Nennspannung 400/700 V). Diehohen Anlaufströme und die mechanischenAnfahrstösse können auch mit einem Sanft-anlaufgerät reduziert werden. Dieses Phasen-anschnittgerät zur kontinuierlichen Span-nungserhöhung wird normalerweise nachdem Hochfahren überbrückt.

Motoren sind zur maximalen magnetischenAusnützung des Eisens oft sehr knapp ausge-legt. Das heisst, wenn sie mit einer zu hohenSpannung betrieben werden, kommt das Ei-sen in die Sättigung und der Strom nimmtüberproportional (hohe Leerlaufverluste) zu.

Für besondere Anwendungen (Aufzüge ...)werden auch Asynchronmotoren mit einemhohen Läuferwiderstand (Rotorwiderstand)gebaut. Je höher der Widerstand ist, destomehr verschiebt sich das maximale Dreh-moment (Kippmoment) zu tiefen Drehzahlen.Solche Widerstandsläufermotoren habeneinen sehr schlechten Wirkungsgrad undbrauchen deshalb ein grosses Gehäuse, umdie Verlustwärme loszuwerden. Bei grös-seren Leistung wird statt des Kurzschluss-ankers im Rotor eine Drehstrom-Wicklungeingelegt, deren Enden über drei Schleifringevon aussen abgegriffen werden. DieRotorleistung wird dann in externen Wi-derständen verheizt (Anlaufwiderstände)oder über ein Steuergerät (UntersynchroneKaskade) ins Netz zurückgespiesen.

Mit einem Frequenzumrichter kann dieStatorspannung und Frequenz des Asyn-chronmotors stufenlos verändert werden.Dadurch wird aus dem Standardmotor eindrehzahlveränderliches Antriebssystem. Miteinem Rotorlagegeber, dem Errechnen derMagnetisierung und dem Einprägen derentsprechenden Statorströme (Vektor-regelung) hat ein Asynchronmotor die Eigen-schaften eines Servoantriebes.

Die standardisierten Asynchronmotoren sindfür den Betrieb am Drehstromnetz konstru-iert. Das heisst, sie haben ein hohesAnlaufmoment (Kippmoment das zwei- bis

dreifache des Nennmomentes) und sindgetrimmt auf einen möglichst niedrigenAnlaufstrom (Stromverdrängungsnuten).Auch Asynchronmaschinen imMegawattbereich, welche in Einzelstückenhergestellt werden, unterliegen dieser Orien-tierung am Netzbetrieb. Ein Antriebssystem,welches aus einem Umrichter und einerAsynchronmaschine besteht, stellt andereAnforderungen an den Motor.

0 1500 3000 4500 6000

Drehzahl [U/min]

025

5075

100

Drehmoment[Nm]

70758085

9095

Wir

kun

gsg

rad

[%]

Bild 9) Wirkungsgradfeld eines streuarmen Asyn-chronmotors.

Durch eine geschickte Konstruktion, welchedie Streuung minimiert, kann dasKippmoment sehr viel höher liegen. Dadurchkann der Asynchronmotor kurzzeitig einmehrfaches seines Nennmomentes abgeben,ohne überdimensioniert zu sein. BeiAnwendungen, welche über einen weitenBereich konstante Leistung benötigen (span-abhebende Bearbeitung, Zentrumswickler,Traktionsfahrzeuge ...), erlaubt

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dieses hohe Kippmoment einen grossen Feld-schwächbereich, indem der Wirkungsgradbesser als im Nennpunkt ist (Bild 9).

Reluktanzmotor

Beim Reluktanzmotor entsteht die Kraft imLuftspalt zwischen Eisen und Eisen. Es musszwischen drei Ausführungsartenunterschieden werden:

Asynchronmotor mit Reluktanzmoment:Dabei handelt es sich um einen Asynchron-motor, welcher einen Rotor mit ausgeprägtenPolen hat. Bis in die Nähe der Nenndrehzahlhat dieser Antrieb die Kennline einesAsynchronmotors. Dann springt er in dasVerhalten eines Synchronmotors. Dieser An-trieb hat einen hohen Blindleistungsbedarf(schlechter cos ʲ) und einen schlechten Wir-kungsgrad. Er ist nur für einfacheAnforderungen (geringe Störmomente) ge-eignet.

Schrittmotor: Von einigen Watt bis zueinigen 100 Watt Leistung wird diesesgesteuerte System bei Positionierantrieben(Drucker, Automaten ...) eingesetzt. Es istsehr kostengünstig, hat einen schlechtenWirkungsgrad und ist für Anwendungen mitgeringen Störmomenten geeignet.

Switched reluctance drive : Wenn der Re-luktanzmotor mit einem Rotorlagegeberausgerüstet und mit einem speziellenUmrichter angesteuert wird, spricht man voneinem geschalteten Reluktanzmotor «SR-Drive».

Der SR-Motor (Bild 10) wird von einem An-steuergerät (Bild 11) gespiesen, welches überHalbleiter-Schalter Strom in die Motorwick-lungen fliessen lässt. Ein Regelsystem,welches über Sensoren den Strom und dieRotorlage erfasst, steuert die Schalter. DerStator besteht aus bewickelten, ausgeprägtenPolen. Die gegenüberliegenden Spulenwerden gemeinsam gespiesen und bildeneine Phase mit Nord- und Südpol. Der Rotorist eine einfache zahnradähnliche

Konstruktion ohne Magnete, Wicklungenund Bürsten.

Bild 10) Schnitt durch einen Reluktanzmotor mitvier Rotorpolen und sechs Statorpolen.

Bild 11) Ansteuerung für einen dreiphasigen Swit-ched Reluctance Motor. Die Motorwicklun-gen liegen zwischen den Schaltern.

Beim Einschalten der entsprechenden Stator-wicklungen wirkt auf den Rotor ein Drehmo-ment, welches von der magnetischen Anzie-hungskraft zwischen Stator- und Rotorpolherrührt. Die Regelung sorgt anhand der In-formationen vom Rotorlagegeber dafür, dassdie Spulen im richtigen Augenblick erregtsind, um das benötigte Drehmoment auf diewirksamste Weise zu erzeugen. Bei tiefenDrehzahlen arbeitet die Steuerung im «Chop-permodus»: In die Windungen wird einStrom über einen bestimmten Rotorwinkeleingeprägt. Bei höheren Drehzahlen arbeitetdie Steuerung im «Pulsmodus»: In einerentsprechenden Rotorlage wird für einebestimmte Zeitspanne eine Spannung an dieWindungen angelegt.

Es ist die Flexibilität der Motorerregung,welche weitgehend die hervorragendenRegeleigenschaften und den hohenWirkungsgrad über einen grossen Drehzahl-

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und Drehmomentbereich ermöglicht. DerRotorlagegeber dient auch als Tacho.Drehmoment und Drehzahl sind vollregelbar, was eine anwendungsoptimale«konstruierbare» Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie innerhalb des jeweiligen Leis-tungsbereichs ermöglicht. Bisher konntensich SR-Antriebssysteme wegen der feh-lenden Standardisierung erst inkundenspezifischen Massenproduktenbehaupten.

Vergleich von Antriebssystemen

Weit mehr als der technische Aufwandbeeinflusst die Losgrösse der Produktion unddie Standardisierung im Marketing den Preisder Antriebssysteme. Für Industrieantriebe istder IEC-Normmotor und der darauf auf-bauende Markt der Frequenzumricher eineRichtgrösse. Normmotoren kosten ab einigenkW etwa 10 bis 15 Franken pro KilogrammMotorengewicht. Bei zwei- und vierpoligenMotoren ergibt das etwa 100 Franken prokW. Frequenzumrichter kosten im höherenLeistungsbereich etwa 200 Franken pro kW,also etwa das Doppelte des Motors (Bild 12).

Nennleistung [kW]

Ko

sten

[F

ran

ken

]

05'000

10'00015'00020'00025'00030'00035'00040'00045'000

0 50 100 150 200

Umrichter Motor

Bild 12) Durchschnittliche Kosten von Asynchron-motoren und Frequenzumrichtern.

Ein Servoantriebssystem mit einem Synch-ronmotor unterscheidet sich vomAsynchronmotor mit Frequenzumrichtertheoretisch nur durch die Permanentmagneteim Motor und durch den Rotorlagegeber. Derkleine Synchronmotor hat einen besserenWirkungsgrad als der entsprechendeAsynchronmotor und kann dadurch

kompakter gebaut werden, was die Mehr-kosten für die Magnete ausgleicht. Der Re-solver alleine ist nicht schuld, dass ein 2 kWSynchronservo mehr als doppelt so teuer wieeine entsprechende Asynchronmaschine mitFrequenzumrichter für 1400 Franken ist.

Wenn man die Theorie der Antriebebetrachtet, so müsste der Synchronmotor inBezug auf das Leistungsgewicht, dieDynamik und den Wirkungsgrad gewinnen.Bei einem Vergleich der Katalogdaten (Bild13) von in der Schweiz erhältlichen Motorenist im Leistungsgewicht keine Dominanz derSynchronmotoren erkennbar geworden.Deutlich wurde eine Unterlegenheit derGleichstromantriebe. Wenn man davon aus-geht, dass die Motordimension vor allem vonder Verlustleistung abhängt, ist dasLeistungsgewicht auch ein Mass für den Wir-kungsgrad. Bei einem Hersteller von Asyn-chronmotoren fiel auf, dass seine Motorenein überdurchschnittlich gutes Leistungsge-wicht haben. Auf Anfrage erklärte dieserHersteller, dass von seinen Motoren dieNennleistung nie dauernd abverlangt würde,und er daher seine Motoren so klassiere.

Gewicht [kg]

Dre

hm

om

ent

[Nm

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100

ASM

DC

SM

Bild 13) Vergleich von Drehmoment und Gewichtverschiedener Motoren.

Auch in bezug auf den Wirkungsgrad sindschon Anbieter aufgetreten, welche die Datenden Kundenwünschen (leider meistens nurauf dem Papier) anpassen. Sie rechnen damit,dass der Wirkungsgrad nicht überprüft wirdoder dass die Messgenauigkeit (elektrischeLeistung +/- 1%, mechanische Leistung +/- 2%) die Übertreibung schluckt. DemAnwender, der Wert auf einen guten Wir-

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kungsgrad legt, wird empfohlen, seineMaschine mit Musterantrieben auszurüsten,und die verschiedenen Antriebe mit einemeinfachen Stromzähler zu vergleichen.

Es gibt keinen universalen Superantrieb. Jenach Anwendung haben die verschiedenenAntriebssysteme ihre Vor- und Nachteile.Mit dem Einzug der Frequenzumrichterwurde die Gleichstrommaschine schon mehr-mals für tot erklärt. Betrachtet man die Zoll-statistik der Schweiz (Bild 14), so sieht man,dass der Trend nicht auf ein baldigesAbleben hinweist.

19921991199019890

50

100

150

200

250

Mill

ion

en F

ran

ken

Universalmotor

Gleichstromotor

Wechselstrommotor

Umrichter

Bild 14) Schweizerischer Import von elektrischenAntrieben.

Ein Vergleich der Antriebssysteme (Tab. 1)lässt in bezug auf den Wirkungsgradfolgende verallgemeinerte Aussage zu:

• Als Antriebe bis in den Kilowattbereichsind Antriebe mit Permanenterregung(Synchron und Gleichstrom) bezüglichWirkungsgrad besser als die Asynchron-motoren.

• Bei Leistungen ab zehn Kilowatt istderzeit die Asynchronmaschine meistensdie beste Lösung.

AntriebssystemGleich-

strommotorm. Chopper

Synchron-motor mit

Servoregler

Asynchron-motor mitUmrichter

SwitchedReluctance

Drive

Leistung bis 3 kW bis 3 kW ab 0.3 kW bis 300 kW

Preis Motor teuer teuer günstig günstig

Preis Elektronik günstig teuer mittel mittel

Robustheit mittel gut sehr gut sehr gut

Regelgüte sehr gut gut mittel gut

Standardisierung

mittel gering hoch keine

Wirkungsgrad mittel gut mittel mittel

Tab. 1) Grober Vergleich der verschiedenenAntriebssysteme.

7. Sicherheit im Maschinenbau

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Autor: Albert Marty

Sicherheit und sparsamer Umgang mit Res-sourcen sind wesentliche Anforderungen anmoderne Maschinen und Anlagen und dienendem Schutze des Menschen. Als Gemeinsam-keit bei beiden Anforderungen gilt, dass siemöglichst früh, das heisst in die Konzeptions-phase des Produktes einfliessen müssen. Nurso sind optimierte und preisgünstigeLösungen zu erreichen. Sichere und ver-brauchsarme Maschinen zeigen die Prozess-beherrschung des Herstellers, sie sind einQualitätsmerkmal.

Während einerseits der spezifische Energie-verbrauch in gesetzlichen Rahmen-bedingungen (noch) nicht limitiert ist, sindandererseits die notwendigen Vorschriftenbezüglich Sicherheit in der EU wie derSchweiz vorhanden. Insgesamt existierenmomentan 14 EG-Richtlinien mit CE-Konformitätsbewertungsverfahren.

Diese dienen dem freien Warenverkehr undvereinheitlichen die minimalen An-forderungen an die betreffenden Produkte.Jeder EG-Staat muss diese Richtlinien in seinGesetzeswerk einbinden. Damit haben dieseEG-Richtlinien «Gesetzescharakter». ZurErklärung dieser Richtlinien werden vonprivatrechtlichen Organisation (z.B. CEN/CENELEC) Normen ausgearbeitet. DieseNormen haben jedoch «unverbindlichenCharakter». Im Maschinenbau haben ins-besondere folgende EG-Richtlinien grosseBedeutung:

• 89/392/EWG «EG-Maschinenrichtlinie»• 73/23/EWG «Niederspannungsrichtlinie»• 89/336/EWG «Elektromagnetische

Verträglichkeit»• 87/404/EWG «Einfache Druckbehälter»

Weil die «EG-Maschinenrichtlinie» von alldiesen Richtlinien zweifellos die grösste Be-deutung hat, wird im nachstehenden Artikelbesonders darauf eingetreten.Gefahrenanalyse und Integrationdes Sicherheitskonzepts

Damit die möglichen Gefahren vonMaschinen erkannt werden können,empfiehlt es sich, die verschiedenenBetriebsarten eines jeden Systems zuanalysieren. Bis heute gemachte Gefähr-dungsanalysen zeigen, dass es sinnvoll ist,zwischen dem Normalbetrieb und den Son-derbetriebsarten zu unterscheiden. Somitlassen sich nur Sicherheitsanforderungenfestlegen, wenn zuvor die möglichen Gefähr-dungen systematisch in einer Analyseermittelt werden. Wiederum zeigen sich Ge-meinsamkeiten von Sicherheit undEnergiesparen. Eine Gefährdung für denMenschen entsteht dann, wenn auch Energiein irgendeiner Form vorhanden ist. Das Ab-schalten einer Maschine ist nun sowohl Si-cherheitsmassnahme wie auch Massnahmezur Steigerung der Energieeffizienz.

Bei der Entwicklung von Maschinen ist derHersteller verpflichtet gemäss «EG-Maschi-nenrichtlinie» (siehe Kasten Seite 46) eineGefährdungsanalyse vorzunehmen; die damithervorgehenden Gefahren zu ermitteln undmit konstruktiven Lösungen aufzeigen, dassalle Gefahren im Hinblick auf Personen, mitEinbezug der verschiedenen Betriebsarteneliminiert werden. Alle ermittelten Ge-fährdungen sind einer Risikobetrachtung zuunterziehen. Jedes Risiko eines Ereignissesist abhängig vom Schadenumfang und vonder Eintrittshäufigkeit. Die zu beurteilende


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Gefahr ist zusätzlich einer Risikostufe zuzu-ordnen (minimiert, normal, erhöht).

Überall dort, wo aufgrund der Risikobeurtei-lung das Risiko nicht akzeptiert werden kann,müssen Lösungen (Schutzmassnahmen) ge-sucht werden. Durch diese Lösungen sind dieEintrittshäufigkeit und der Schadenumfangeines Ereignisses zu reduzieren. Dabei liegendie Lösungsansätze für normale und erhöhteRisiken in der mittelbaren und unmittelbarenSicherheitstechnik, für minimierte Risikeneher in der hinweisenden Sicherheitstechnik.

• Unmittelbare Sicherheitstechnik: DieKonstruktion wird so ausgeführt, dasskeine Gefährdung besteht (z.B.Eliminieren von Scher- und Klemmstellendurch Ergonomie, Einsatz von geringenKräften und Energien).

• Mittelbare Sicherheitstechnik: Die Ge-fährdung bleibt bestehen. Durch zusätzli-che technische Vorkehrungen wird jedocherreicht, dass aus der Gefährdung keinEreignis entsteht (z.B. Verhindern desEindringens in gefährdende Bewegungendurch mechanische Schutzverdecke oderabschaltende Schutzeinrichtungen;Auffangen von wegfliegenden Teilendurch Schutzverdecke usw.).

• Hinweisende Sicherheitstechnik: Diesegilt nur für Restgefährdungen und mini-mierte Risiken, also Gefährdungen, dieaufgrund menschlicher Faktoren zumEreignis führen. Durch entsprechendesVerhalten des Betroffenen kann derEintritt dieses Ereignisses verhindertwerden (z.B. Verhaltensanweisungen inder Betriebs- und Wartungsanleitung,Schulung des Personals usw.).

Internationale Sicherheits-Anforderungen

Die EG-Maschinenrichtlinie (89/392/EWG)aus dem Jahre 1989 hält die grundlegendenSicherheits- und Gesundheitsanforderungenfür Maschinen fest. Gemäss Ma-

schinenrichtlinie gilt als «Maschine» eineGesamtheit von miteinander verbundenenTeilen oder Vorrichtungen, von denenmindestens eines beweglich ist und ent-sprechend eine Funktion aufweist. Im weite-ren werden von internationalen Normengre-mien einzelne Normen geschaffen, die Lö-sungsmöglichkeiten aufzeigen (z.B. grundle-gende Sicherheitsaspekte EN 292, elektrischeAusrüstung von Industriemaschinen EN60204 etc.). Ziel dieser Normenwerke ist es,die


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grundlegenden Anforderungen der EG-Richt-linien zu erklären, respektive Schutzziele zuspezifizieren. Dieses Normenwerk ist sehrumfangreich; der rote Faden der ursprüng-lichen Zielsetzung ist darin nicht immer er-kennbar.

Betriebsarten

Aufgrund von Erfahrungen und Untersu-chungen wurde aufgezeigt, dass sich sehrviele Vorfälle und Unfälle gerade beikomplexen technischen Systemen wie CNC-gesteuerte Bearbeitungsmaschinen undIndustrieroboter nicht im Normalbetriebereignen. Bei derartigen Maschinen bildetsich ein Schwerpunkt in den Sonderbetriebs-arten wie beispielsweise Inbetriebnahme,Einrichten, Testlauf, Störungssuche oderInstandhaltung. In diesen Betriebsarten istdenn auch meist die Anwesenheit von Per-sonen im Gefahrenbereich gegeben. In derar-tigen Situationen muss das Sicherheitskon-zept den Menschen vor negativenEreignissen schützen.

• Normalbetrieb: Die Maschine erfülltihren Einsatzauftrag, für welchen sievorgesehen und gebaut worden ist. Fürautomatische Maschinen gilt: Die Ma-schine erfüllt ihren Einsatzauftrag, fürwelchen sie vorgesehen und gebautworden ist, ohne weiteres Dazutun desMenschen.

• Sonderbetriebsarten:Sonderbetriebsarten sind Arbeitsabläufe,die den Normalbetrieb erst ermöglichen.Dazu zählen beispielsweise Werkstück-oder Werkzeugwechsel, Beheben einerStörung im Produktionsablauf, Behebeneiner Maschinenstörung, Einrichten,Programmieren, Testlauf, Reinigen undInstandhalten.

• Personen: Bei der Gefahrenanalyse wiebei der Auswahl der geeigneten Schutz-massnahme müssen die in denverschiedenen Betriebsarten tätigen Perso-nen sowie Dritte berücksichtigt werden.

Unter Dritten sind auch indirekt von derMaschine betroffene Personen wieVorgesetzte, Kontrolleure, Logistik-Mitarbeiter, Besucher etc. zu verstehen.

Sicherheitsmassnahmen

NormalbetriebDurch die Vorgabe von Schutzzielen wird ei-nerseits der technische Fortschritt nichteingeengt und andererseits könnenangepasste Lösungen gewählt werden. Nach-folgend sind einige Schutzziele fürMaschinen näher umschrieben.

Schutzziel: Das Greifen oder Treten in Ge-fahrenstellen von Bewegungen muss verhin-dert werden.

Lösungsmöglichkeiten: FolgendeSicherheitsmassnahmen stehen zurVerfügung:

• Durch mechanische Umwehrungen Zutrittoder Zugriff in Gefahrenstellenverhindern.

Bild 1) Absicherung des Normalbetriebs einerCNC-Fräsmaschine mit einerVollschutzkabine (Mikron AG, 2501 Biel).

• Durch auf Annäherung wirkende Schutz-einrichtungen (z.B. Sicherheitslicht-schranken, -trittmatten) bei Eingriff oderEintritt sicher abschalten.

• Eintritt oder Eingriff nur erlauben, wennsich das Gesamtsystem im sicherenZustand befindet. Dies kannbeispielsweise durch Verriegelungsein-richtungen mit Zuhaltung an denZutrittstüren erreicht werden.


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Schutzziel: Durch Energieaustritt (wegflie-gende Teile oder Energiestrahl) dürfen keinePersonen verletzt werden.

Lösungsmöglichkeit: Energie am Austrittaus dem Gefahrenbereich hindern zumBeispiel durch ein entsprechenddimensioniertes Schutzverdeck (Bild 1).

Die Schnittstellen zwischen Normalbetriebund Sonderbetriebsarten (z.B.Türverriegelungs-Schalteinrichtungen,Sicherheitslichtschranken, Sicherheitstritt-matten) sind notwendig, damit dieSicherheitssteuerung die Anwesenheit vonPersonen automatisch erkennen kann.

Bild 2) Absicherung des Bearbeitungsraum einerDurchlauf-Schleifanlage durch eine zwei-kanalige Verriegelungseinrichtung mit Zu-haltung (Linear Abrasive SA, 2074 Marin).

SonderbetriebGewisse Sonderbetriebsarten (z.B.Einrichten, Programmieren von CNC-Bear-beitungsmaschinen) erfordern Bewegungen,die unmittelbar am Ort des Geschehensausgelöst werden müssen.

Schutzziel: Bewegungen dürfen nur so ab-laufen, dass sie für die betroffenen Personenkeine Gefährdung darstellen:

• nur in der vorgesehenen Art und Ge-schwindigkeit,

• nur so lange wie befohlen,

• nur wenn gewährleistet ist, dass sich keineKörperteile im Gefahrenbereich befinden.

Lösungsmöglichkeit: Sonderbetriebssteue-rung, welche nur kontrollierbare und führ-bare Bewegungen in Tippschaltung über Zu-stimmtaste (Bild 3) zulässt. Die Geschwin-digkeit der Bewegungen wird dabei sicherreduziert, z.B.


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durch Energiereduktion, Schaltung vonTrenntrafos oder Einsatz von fehlersicherenZustandsüberwachungsgeräten. Damit istwiederum die Gemeinsamkeit von Schutz-massnahme und Energieeinsparung auf-gezeigt.

Bild 3) Dreistufiger Zu-stimmschalter fürsicheres Arbeitenim Sonderbetrieb(Mattle Industrie-produkte, Hinwil).

Sicherheitssteuerungen

Als Merkmal einer Sicherheitssteuerung gilt,dass bei Auftreten von irgendwelchenFehlern die Sicherheitsfunktion trotzdemgewahrt bleibt. Überall da, wo Prozesseschnell vom gefährlichen in den sicherenZustand überführt werden können, genügt dieBetrachtungsweise eines Fehlers. Bei denmeisten Industriemaschinen mag dieseVereinfachung zutreffen.

Schutzziele:• Ein Fehler in der Sicherheitssteuerung

darf keinen gefährlichen Zustand aus-lösen.

• Ein Fehler in der Sicherheitssteuerungmuss entdeckt werden (sofort oder inter-vallmässig).

Lösungsmöglichkeiten:• Redundante und diversitäre Auslegung

von elektromechanischen Sicherheits-steuerungen inklusive Testkreise.

• Redundanter und diversitärer Aufbau vonMikroprozessorsteuerungen entwickeltdurch unterschiedliche Teams. Dieser mo-derne Lösungsansatz gilt heute beispiels-

weise bei Sicherheitslichtgittern als Standder Technik.

EG-MaschinenrichtlinieRichtlinie des Rates vom 14. Juni 1989 zur Anglei-chung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten fürMaschinen (89/392/EWG). Richtet sich an jeden EG-Einzelstaat: Diese müssen die Richtlinie in ihr Geset-zeswerk einbinden (in der Schweiz freiwillige Anpas-sung über «Swisslex» und Bundesgesetz STEG).

Wichtigste Botschaft daraus:

• Gültig ab 1. Januar 1993.

• Fordert vom Hersteller bereits in der Entwicklungs-phase eine Gefahrenanalyse mit Risikobetrachtung.

• Fordert vom Hersteller die Einhaltung von Standder Technik.

• Der Hersteller muss zuerst eine technische Doku-mentation ausarbeiten, die über alle grundlegendenAspekte der Sicherheit und der Gesundheitsvorsor-ge Auskunft gibt. Der Hersteller kann erst dann dieEG-Konformitätserklärung unterzeichnen und dasCE-Zeichen an der Maschine anbringen

• Kann die vollständige technische Dokumentationauf Verlangen einer staatlichen Kontrollstelle nichtvorgelegt werden, bedeutet dies ein Nichterfüllender Maschinenrichtlinie. Ein EU-weites Verkaufs-verbot könnte die Folge sein.

Schlusswort

Um fortschrittliche Lösungen zuermöglichen, werden neue Richtlinien inForm von Schutzzielen geschrieben. DieseZielsetzung ermöglicht es dem Konstrukteureinerseits, für den konkreten Fall dieoptimale Lösung zu wählen. Andererseitskann er auf verhältnismässig einfache Artden Sicherheitsnachweis für seine Maschineerbringen, indem er eine Lösung für jedesSchutzziel beschreibt. Diese Lösung kannman dann mit anderen bestehenden undakzeptierten Lösungen vergleichen: Ist siebesser oder mindestens gleichwertig, kannauch eine neue Lösung gewählt werden. Aufdiese Weise wird der Fortschritt nicht durchzu eng gefasste Vorschriften behindert.Werden zudem Sicherheit und Energiesparen


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bereits in die Konzeptionsphase des Produk-tes einbezogen, resultieren praxisfreundliche,effiziente und auch kostengünstigeLösungen.

8. EMV im Maschinenbau

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Autor: Bertil Wallertz

Was nützt eine energetisch optimierte Ma-schine mit Frequenzumrichterantrieb, wennsie am Einbauort nicht gut funktioniert unddie umgebenden Systeme stört? Wir allehaben schon Effekte von elektromagnetischerBeeinflussung beobachtet, sei es, dass derFernseher durch Blitzeinschlag ausgefallenist oder, dass sich das Licht in einerWohnung kurz verdunkelte, als derKühlschrankkompressor eingeschaltet hatoder, dass der Radioempfang von einemanderen Sender mit ähnlicher Frequenz ge-stört wurde. Solche und viele andere Störun-gen sind Beispiele elektromagnetischer Um-weltstörungen.

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) liegt vor,wenn ein Gerät:

1. Andere Geräte nicht stört.

2. Nicht von anderen Geräten gestört wird.

Gute EMV ergibt statistisch eine bessereZuverlässigkeit der Anlage und der umge-benden Geräten. Ab 1996 sind dieMaschinenhersteller, welche in den EG-Raum exportieren, zur Einhaltung der EMV-Normen verpflichtet. Wie in vielen anderenFeldern der Technik ist es wichtig, die EMV-Problematik früh in der Entwicklungsphasezu berücksichtigen, damit die Kunden zufrie-den bleiben und die Kosten tief gehaltenwerden.

Grundbegriffe der EMV

Eine Störquelle gibt elektromagnetische Stö-rungen ab (Emission). Diese Störungenkönnen durch elektrische Leitungenübertragen werden (Leitungsgebunden) oderdirekt durch den Raum abgestrahlt werden.Eine Störsenke nimmt einen Teil der

Störungen auf (Immission). Ihre Funktionwird dabei unter Umstän-


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den beeinflusst. In manchen Fällen wird dasGerät sogar gestört. Falls in einer gewissenUmgebung keine Funktionsstörungenauftreten sagt man, dass das Gerät störfest ist.In der Praxis emittiert jedes elektrische Gerätelektromagnetische Störungen. Es ist auchmehr oder weniger empfindlich fürImmision. Jedes Gerät ist also grundsätzlichStörquelle und Störsenke.

Motor Frequenz-Umrichter

Radio

Messinstrument

Netz

Bild 1) Störquellen und Störsenken bei einemFrequenzumrichterantrieb.

EMV-Normen und das CE-Zeichen

Ob EMV während einer Zeitperiode vorliegtkann im Prinzip nur am Aufstellungsort undnur mit gewisser Wahrscheinlichkeitfestgestellt werden (ein direkter Blitz-einschlag zerstört jeden Fernseher, PC-Abstürze durch Netztransienten passierendann und wann, usw.). Damit der Benutzermit hoher Wahrscheinlichkeit keineschwerwiegenden EMV-Probleme bekommt,werden in Normen Grenzwerte für Emis-sionen und Störfestigkeit festgelegt. Die Ein-haltung dieser Normen können durch Mes-sungen überprüft werden, zum Beispiel in ei-nem EMV-Messlabor. Weltweit legt die IECNormen fest. Für den EG- und EFTA-Raumsind die europäischen Normen (EN), welchevon der CENELEC definiert werden, mass-gebend.


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NormenartenMan unterscheidet drei Arten von Normen:

Basic-Normen Die Grundnormen definie-ren Mess- und Prüfverfah-ren für verschiedeneEMV-Phänomene.

Generic-Normen Die Fachgrundnormen le-gen minimale Anforderun-gen für Geräte in einer ge-wissen Umgebung fest.Sie definieren nachwelchen Basic-Normengetestet wird und beiwelchen Prüfgrössen.

Produktnormen Für spezifische Produkte(zum Beispiel «Informa-tionstechnische Einrich-tungen») gibt es Produkt-normen, welche die Prüf-anforderungen angeben.Die Produktnorm hat vorder Generic-Norm Vor-rang.

CE-ZeichenDas CE-Zeichen ist obligatorisch für alleProdukte die unter eine der elf EG-Richt-linien fallen. Es gibt an, dass die in denRichtlinien angegebenen Anforderungenerfüllt werden, und dass ein in der Richtlinievorgesehenes Konformitätsbewer-tungsverfahren durchgeführt wurde.

Ausser für Sendefunkgeräte kann der Her-steller selber eine CE-Konformitätserklärungausstellen. Der Hersteller muss vor derAbgabe der Erklärung eine Dokumentationausarbeiten, die Angabe darüber enthält, wiedie sicherheitstechnischen Anforderungender Richtlinien sichergestellt wurden. In derPraxis sind grundsätzlich zweiKonformitätsbewertungsverfahren möglich(Bild 2).

Gültigkeit der schweizerischen Akk redi-tierstellen in EG-RaumGrundsätzlich sind im EG-Raum die Messun-gen einer schweizerischen akkreditierten

Prüfstelle nicht verbindlich. Die Messungenwerden aber von den im EG-Raumakkreditierten Prüflabors anerkannt. EinMessprotokoll von einer schweizerischenakkreditierten Prüfstelle ist ein Ausweisdarüber, dass der Hersteller seine Kon-formitätserklärung auf Messungen einesanerkannten Prüflabors baut.

Hersteller

Entspricht denharmonisiertenGeneric- oder Produktnormen?

Ja Unklar

Messlabor konsultieren

Ev. Testbericht

C E

EG-Konformitätserklärungdes Herstellers

Erstellen von Dokumentation

Bild 2) Konformitätsbewertungsverfahren für CE-Zeichen im Bereich EMV.

EMV-Technik

Als Beispiel der EMV-Technik wählen wirdie Entstörung von Frequenzumrichtern. Wirwerden hauptsächlich die Emissionenbetrachten. Prinzipiell gilt aber, dass einGerät, das kleinere Emissionen aufweist,auch für Immision weniger empfindlich ist(und umgekehrt). Wenn wir also dieEmissionen begrenzen können, haben wirmeistens auch die Störfestigkeit erhöht!

Frequenzumrichter haben üblicherweise sehrgrosse Störemissionen. Ohne Entstörungwerden die Normen verletzt und Systeme in


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der Umgebung werden oft in der Funktiongestört. In dieser Sektion wird gezeigt wieeine Anlage installiert werden kann, damitdie EMV in einer möglichst günstigen Weiseerreicht wird.


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Frequenzumformer alsEMV-Störquelle

Der Aufbau eines Frequenzumrichters sowieder Anschluss zum Motor wird in Bild 3 ge-zeigt. Der hauptsächliche Störmodus ist hierasymmetrisch (das heisst zwischen Phasenund Erde).

Wenn die Schalter des Umrichters kom-mutieren, entstehen Potentialsprünge in denAdern des Motorkabels. Über die Koppel-Kapazitäten fliessen dann Ströme mit demMomentanwert(i = C * du/dt) im Erdungssystem und zwi-schen den Phasen. Diese Ströme können überdie Erde und über die Versorgungsleitungenin benachbarten Systemen einkoppeln. Diehochfrequenten Anteile können ausserdemabgestrahlt werden.

Eine Abschätzung als Beispiel: Eine Streuka-pazität zum Gehäuse von 0.1 nF und eineZwischenkreisspannung von 500 V mit einerAnstiegszeit von 500 ns ergibt einErdleiterstrom von etwa 0.1 A. Bei 50 Ω Im-pedanz messen wir dabei 5 V!

Bei längeren Kabeln steigt der Kapazität zwi-schen den Adern und zur Masse. Aus diesemGrund sind üblicherweise die Emissionen beigrösseren Kabellängen höher.

Schutzmassnahmen

Die üblichen Schutzmassnahmen sindSchirmen und Filtern. Im Normalfall wirdder Umrichtereingang gefiltert und dasMotorkabel geschirmt ausgeführt. In gewis-sen Fällen kann eine Filterung desMotorausgangs aktuell werden, zum Beispieldort wo es teuer ist, ein neues Kabel zuverlegen.

Praktische HinweiseBei unsorgfältiger Installation sind die bestenFilter oder Kabel wirkungslos. BeiInstallation und Service sollten darumunbedingt die folgenden Hinweise beachtetwerden:

1. Erdung

• EMV bei Frequenzumrichtern ist zumgrossen Teil eine Frage von Hochfrequen-zeigenschaften. In einem solchen Fall istdie häufig vorkommende «sternförmige»Erdung nicht ausreichend (induktive Lei-tungen). Die Masse muss als ein netz-oder flächenförmiges Gebilde ausgelegtwerden.

• Kontaktieren Sie Umrichter und Filtermöglichst grossflächig zur gemeinsamenMassefläche (zum Beispiel: Festschraubenin der metallische Montageplatte des

UmrichterKabel

Motor

KapazitätzumKabelschirm

KapazitätzwischendenKabeladern

KapazitätzumUmrichter-Gehäuse

Kapazitätzum

GehäuseMotor-

(~0.1nF)(~0.1nF/m)

Bild 3) Die wichtigsten Koppelkapazitäten beim Umrichterantrieb mit Spannungszwischenkreis.


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Schaltschrankes).

2. Schirmung

• Auch der Schirm muss grossflächig kon-taktiert werden (Bild 4).

• Der Schirm des Motorkabels soll sowohlam Umrichter als auch am Motorgehäusekontaktiert werden (beidseitige Massever-bindung)!

Umrichter

Netz

Metallklemmeals Erdverbindung

Motorzum

Filter

GND

Schirm

gross-flächigeMasse-verbindung

Schrankwand (aus Metall).

Bild 4) EMV-gerechte Plazierung und Massever-bindung im Schaltschrank. Weitere (Masse-) Verbindungen sind ausSicherheitsgründen nötig!

3. Filter

• Ein EMV-Filter ist grundsätzlich ein Tief-pass aus Drossel und Kondensatoren.

• Das Kabel zwischen Filter und Umrichtersollte kürzer als 30 cm sein, sonst muss

ein geschirmtes, beiderseitig grossflächigkontaktiertes Kabel eingesetzt werden.

• Die gefilterte Leitung vom Versorgungs-netz zum Filter muss räumlich getrenntvom Motorenkabel verlegt werden (Bild4).

4. Ableitstrom

• Die meisten Netzfilter erhöhen den 50/60Hz Ableitstrom des Systems, Datenblattbeachten!

• In einem dreiphasigen System mit sym-metrischer Last ist der Ableitstrom theo-retisch Null, durch Bauteiletoleranzen imFilter kann aber trotzdem ein nennens-werter Ableitstrom fliessen.

• Beim Einschalten kann kurzzeitig ein ho-her Ableitstrom fliessen, welcher einen FI-Schutzschalter auslösen kann.

Zusammenfassung

Die EMV-Problematik im Umrichterbetriebist keine «Hexerei». Durch einfacheMassnahmen, können sowohl dieAnforderungen für die CE-Konformität alsauch ein zuverlässiger Einsatz am Einbauorterreicht werden. Um Kosten zu sparen ist eswichtig, die EMV-Problematik wie dieSicherheitsanforderungen und die Energie-effizienz früh im Entwicklungsvorgang zuberücksichtigen.

antriebstechnik im maschinenbau - federal council

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