Die Anforderungen in der mobilen Automation an elektrische und elektronische Komponenten sind hart. Sie sind häufig grossen Temperaturschwankungen, Vibrationen, Flüssigkeiten und Schmutz ausgesetzt. Aus diesem Grund wurden bei den Antrieben für mobile Arbeitsmaschinen in der Vergangenheit hydraulische Systeme eingesetzt. Sie eigneten sich besonders gut, da sie robust sind und häufig grosse Lasten zu bewegen hatten. Die Drehmomentanforderungen im mobilen Bereich sind in der Regel hoch. Geht es jedoch darum, bei Anwendungen eine dynamische Regelung zu realisieren, stossen hydraulische Systeme an ihre physikalischen Grenzen. In solchen Anwendungsfällen macht der Einsatz eines elektrischen Antriebs durchaus Sinn.
Vergleich der beiden Systeme
Bei der Gegenüberstellung von elektrischer und hydraulischer Antriebstechnik geht es nicht darum, letztere Technologie schlechtzureden. Sie wird auch in Zukunft ihren Platz in der mobilen Antriebstechnik haben. Es existieren allerdings mehrere Anwendungsfälle, bei denen sich der Einsatz elektrischer Antriebstechnik lohnt. Die Vorteile liegen im Wirkungsgrad und in der höheren Reaktionsfähigkeit bei Geschwindigkeitsänderungen, was die Regelgüte erheblich verbessert. Durch den besseren Wirkungsgrad der elektrischen Antriebe lässt sich auch die CO2-Bilanz verbessern. Die Elektrik wird die Hydraulik in der nahen Zukunft aus Kostengründen kaum verdrängen, daher sind auch Kombinationsarten denkbar.
Gleich – oder ganz anders?
Die elektrischen Antriebsregler für mobile Anwendungen sind hinsichtlich des Hardwareaufbaus und der Motoransteuerung im Prinzip mit den in der Industrieautomation verwendeten Antriebsreglern identisch. Der Antriebsregler JMM-5000 lässt sich mit einer Gleichspannung (Zwischenkreisspannung) oder Wechselspannung speisen. Diese wird von einem Generator erzeugt. Bei einem Traktor wird er normalerweise mechanisch von der Zapfwelle angetrieben. Anhand der Drehzahlsollwerte und der Informationen, die die Rückführung des Motors liefert, in der Regel ein Resolver, wird ein elektronisches Drehfeld (Kommutierung) an den Statorspulen des Synchronmotors erzeugt. Der Rotor aus starken Permanentmagneten folgt diesem Drehfeld. Bei einer Bremsung des Antriebs wird die Energie in den Zwischenkreis zurückgespeist.
Alternativ lassen sich am JMM-5000 auch Asynchronmotoren betreiben. In diesem Fall wird der Umrichter mit bis zu 560 V Wechselspannung gespeist. Die Motoren kann man sowohl ohne Rückführung ungeregelt im U/f-Betrieb als auch mit Rückführung mit Vektor-Regelung ansteuern. Im Gegensatz zu den Anwendungen im Industriebereich sind die mechanischen Parameter und Umgebungseinflüsse bei mobilen Anwendungen schwieriger zu handhaben, weil sie nicht so einfach erfassbar sind. Hohe Temperaturschwankungen und Schutzgradanforderungen machen eine Wasserkühlung des Reglergehäuses und eventuell auch des Motors notwendig. Äussere Einflüsse wie Feuchtigkeit, Staub und Flüssigkeiten erfordern einen hohen Dichtungsschutz. Oft sind die Lastverhältnisse, zum Beispiel bei einem Fahrantrieb, unklar und schwer zu eruieren.
Sinnvolle Applikationsvarianten
Der Einsatz elektrischer Antriebstechnik macht dort Sinn, wo diese Technologie eine oder mehrere der im Vergleich zur Hydraulik genannten Vorteile ausspielen kann. Vielfach kann durch den Einsatz dieser Technologie ein erheblich optimiertes Ergebnis erzielt werden. Beispielhafte Anwendungen wären:
- Förderbänder
- Lüfter und Gebläse
- Schneckenwellen
- Radantriebe
- dynamische Drehzahl- und Positionsregelungen
Es kann losgehen
Beim JMM-5000 handelt es sich um einen Doppelumrichter für mobile Antriebsanwendungen in abgestuften Leistungsklassen von 5 bis 80 kW. Die eingespeiste Zwischenkreisspannung kann zwischen 200 und 850 VDC oder bis zu 560 VAC betragen. Als Datenbus für die Kommunikation mit der übergeordneten Steuerung kommt der in der Automotive-Branche standardisierte CAN-Bus zum Einsatz. Der Datenaustauch geschieht über das im Mobilbereich verbreitete Protokoll CANopen. Damit der mobile Umrichter die hohe Schutzart IP 6 K 9 K erreicht, kühlt man ihn mit einem Wasser/Glycol-Gemisch. Als Rückführung der Rotorlage und Motordrehzahl lässt sich ein Resolver anschliessen.
Für die Zukunft gerüstet
Um die realen Anforderungen aus der Praxis im Labor abzubilden, hat Jetter einen Motorprüfstand mit Servomotoren und -reglern gebaut. Mit dieser Testanlage lassen sich bis zu vier Servomotoren betreiben und testen. Um eine Applikation realitätsgetreu darzustellen, lassen sich an den Wellen der zu testenden Motoren wieder Servomotoren ankoppeln, die die sich ändernden Lastverhältnisse simulieren. Die Regler sind über einen CAN-Bus an eine JetControl-Steuerung angeschlossen. Auf ihr läuft das jeweilige Simulationsprogramm ab. Dieses Programm bildet möglichst genau die realen Verhältnisse der Applikation an der mobilen Arbeitsmaschine ab. Auf diese Weise lassen sich die optimalen Regleralgorithmen und Parameter für den Antriebsregler ermitteln und implementieren.
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