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 kamen in der Vergangenheit bei den Antrieben für mobile Arbeitsmaschinen hydraulische Systeme zum Einsatz. Sie sind robust und können große Lasten problemlos bewegen. Außerdem sind die Drehmomentanforderungen im mobilen Bereich in der Regel hoch. Geht es jedoch um eine dynamische Regelung, stoßen hydraulische Systeme an ihre physikalischen Grenzen. In solchen und weiteren Anwendungsfällen ist der Einsatz eines elektrischen Antriebs durchaus sinnvoll.
Die Vorteile der elektrischen Antriebstechnik liegen vor allem im Wirkungsgrad und in der schnelleren Reaktionsfähigkeit bei Geschwindigkeitsänderungen, was die Regelgüte verbessert. Der höhere Wirkungsgrad der elektrischen Antriebe verbessert auch die CO2-Bilanz. Die Elektrik wird die Hydraulik in der nahen Zukunft aus Kostengründen nicht verdrängen, daher sind auch Kombinationsmöglichkeiten der beiden Technologien denkbar.
Gleich – oder ganz anders?
Elektrische Antriebsregler für mobile Anwendungen sind hinsichtlich des Hardware-Aufbaus und der Motoransteuerung im Prinzip mit den in der Industrieautomation verwendeten Antriebsreglern identisch. Der von Jetter entwickelte Antriebsregler JMM-5000 lässt sich mit Gleichspannung (Zwischenkreis-Spannung) oder Wechselspannung betreiben. Diese wird von einem Generator erzeugt. Beispielsweise bei einem Traktor treibt normalerweise eine Zapfwelle den Generator mechanisch an. 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. Bremst der Antrieb, wird die Energie wieder in den Zwischenkreis zurückgespeist. Alternativ lassen sich am Antriebsregler auch Asynchronmotoren betreiben. In diesem Fall wird der Umrichter mit einer Wechselspannung von bis zu 560 V gespeist. Die Motoren lassen sich 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. Die hohen 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 Anwendungen vorhanden
Der Einsatz elektrischer Antriebstechnik macht dort Sinn, wo diese Technologie einen oder mehrere Vorteile gegenüber der Hydraulik ausspielen kann. Vielfach lässt sich durch den Einsatz der elektrischen Antriebstechnik ein besseres Ergebnis erzielen. Beispielhafte Anwendungen sind Förderbänder, Lüfter und Gebläse, Schneckenwellen, Radantriebe oder dynamische Drehzahl- und Positionsregelungen. Bei einer Rundballenpresse kommt beispielsweise ein geregelter Antrieb zum Einsatz, der für das gleichmäßige Füllen der Presskammer zu sorgt. Dies bedeutet, dass das Fahrzeug dynamisch die Geschwindigkeit anhand der aufgenommen Menge anpasst. Weitere zwei Achsen sind für die Wickeleinheit verantwortlich. Je nach Außentemperatur weist die Wickelfolie ein unterschiedliches Verhalten auf. Mit einer elektronisch geregelten Achse lässt sich anhand des Ist-Stroms das aufgenommene Moment erfassen und das Drehmoment auf der Folie entsprechend anpassen und regeln. Ziel ist es, die Anzahl der Folienrisse während des Einsatzes zu verringern und somit auch die Stillstandszeiten.
Mit dem Antriebsregler bringt das Unternehmen Jetter den ersten Umrichter für mobile Antriebsanwendungen auf den Markt. Es handelt sich hier um einen Doppel-Umrichter in abgestuften Leistungsklassen von 5 bis 80 kW. Die eingespeiste Zwischenkreis-Spannung kann zwischen 200 und 850 V Gleichspannung oder bis zu 560 V Wechselspannung 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 Schutzart IP6K9K erreicht, kühlt ihn ein Wasser/Glycol-Gemisch. Als Rückführung der Rotorlage und Drehzahl des Motors lässt sich ein Resolver anschließen.
Realitätsnah prüfen
Um die realen Anforderungen aus der Praxis im Labor abzubilden, hat Jetter einen Motorprüfstand gebaut. Basis des Prüfstands ist ein 80 kW Servomotor, der die Zapfwelle simuliert. Die Drehzahl lässt von 500 bis 1.000 Umdrehungen pro Minute variieren, was der Umdrehungsgeschwindigkeit einer Zapfwelle am Traktor entspricht. Dieser Motor treibt einen Generator an, der die Zwischenkreisspannung erzeugt. Der Generator ist ebenfalls ein Servormotor, der über zwei 40-kW-Servoregler eine geregelte Zwischenkreisspannung erzeugt. Somit lassen sich auch die in der Realität auftretenden Drehzahlschwankungen ausgleichen. An dieser Zwischenkreisspannung lassen sich nun zwei Doppel-Servoregler mit bis zu 40 kW Ausgangsleistung betreiben. Mit dieser Testanlage ist das Unternehmen in der Lage, bis zu vier Servomotoren zu betreiben und zu testen. Um eine Applikation realitätsgetreu darzustellen, lassen sich an den Wellen der zu testenden Motoren wiederum Servomotoren ankoppeln, welche 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 die realen Verhältnisse der Applikation an der mobilen Arbeitsmaschine möglichst genau ab. Auf diese Weise lassen sich die optimalen Regleralgorithmen und Parameter für den Antriebsregler ermitteln und implementieren.
Andreas Leu
(mf)
