Grundlagen der Technik, Teil 4

Dezentrale Antriebstechnik — Intelligenz im Antrieb

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Konzepte zur dezentralen Antriebstechnik verlagern die Intelligenz sowie die ansteuernde Elektronik aus dem Schaltschrank zum Antrieb. Dieser Beitrag stellt die beiden Varianten, zentrale und dezentrale Antriebstechnik, kurz vor und bewertet die dezentralen Konzepte.

Prof.-Dr.-Ing. Gernot Schullerus, Hochschule Reutlingen, Reutlingen

Inhaltsverzeichnis

1. Zentrales Konzept
2. Dezentrales Konzept
3. Bewertung
4. Zu dieser Serie

 

Die „treibende Kraft“ in Maschinen und Anlagen ist der elektrische Antrieb. Obwohl in vielen Anlagen hydraulische und pneumatische Antriebssysteme vorhanden sind, ist der elektrische Antrieb aufgrund seiner hervorragenden Dynamik und Genauigkeit ebenso wie seiner guten regelungstechnischen Eigenschaften sowie seiner Effizienz zunehmend die erste Wahl bei der Konzeption neuer Anlagen.

In Leistungsbereichen oberhalb circa 300 W werden in der Regel Drehfeldmaschinen, d.h. Asynchron- oder Synchronmaschinen eingesetzt. Für Anwendungen mit einer hohen Anforderung an die Dynamik, die Genauigkeit oder auch die Effizienz werden diese Maschinen mit einem Frequenzumrichter betrieben, der die Netzspannung umrichtet und dem Motor die jeweils erforderlichen Spannungen bereitstellt. Bezogen auf die Integration des Motor-Umrichter-Systems werden schaltschrankbasierte und dezentrale Konzepte eingesetzt. Der wesentliche Unterschied ist dabei der Einbauort des Umrichters, zentral im Schaltschrank oder dezentral integriert mit dem Motor.

Zentrales Konzept

Zentrale Konzepte sind derzeit weit verbreitet. In diesem Konzept sind Motor und Umrichter räumlich voneinander getrennt. Der Umrichter ist üblicherweise in einem Schaltschrank verbaut. Hier wird er über das Drehstromnetz versorgt und erzeugt zunächst in einem Gleichrichter eine Gleichspannung. Der Wechselrichter wandelt diese Gleichspannung in das zu jedem Zeitpunkt erforderliche Drehspannungssystem für den Motor um. Die Abbildung 1 zeigt hierfür zwei Varianten nämlich in der Ausführung als

  • Servoverstärkersystem mit einem zentralen Versorgungsmodul (VM) und daran über den Zwischenkreis gekoppelten Achsmodulen (AM) oder als
  • Servoverstärker (SV) mit integriertem Gleich- und Wechselrichter.

Der Motor wird über eine Motorleitung mit dem Umrichter verbunden, deren Länge je nach Anwendung variieren kann. Zusätzlich ist häufig eine Geberleitung erforderlich, die das Gebersignal des Motorgebers zum Umrichter zurückführt. Üblicherweise wird die Bewegung der Antriebe durch einen Motion Controller (MC) gesteuert, der über das Antriebsbussystem mit den Modulen des Achsverbunds kommuniziert. Die ebenfalls mögliche Kommunikation mit dem Servoverstärker ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet.

Dezentrales Konzept

Konzepte zur dezentralen Antriebstechnik verlagern die Intelligenz sowie die ansteuernde Elektronik aus dem Schaltschrank zum Antrieb. Die beiden wesentlichen Konzepte leiten sich daher aus den beiden Varianten des zentralen Konzeptes ab. Bei den Varianten des dezentralen Konzeptes wird die Leistungs- und Steuerelektronik direkt auf dem Gehäuse des Motors angebracht und damit die Intelligenz für die Ansteuerung des Motors aus dem Schaltschrank in den Antrieb verlagert. Der wesentliche Unterschied besteht in der Bereitstellung der Energieversorgung und der aufgespannten Topologie. Während der dezentrale Antrieb in dem Konzept in der Abbildung 2(a) mit einem dreiphasigen Drehstromnetz versorgt wird, wird in den Abbildungen 2(b) und (c) über ein Versorgungsmodul ein Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellt und über eine Linien- beziehungsweise Sterntopologie unter Verwendung eines Feldverteilers (FV) an die Antriebe verteilt. Die Antriebsverstärker werden daraus mit Gleichspannung versorgt. Die Vorteile der Variante (b) und (c) sind:

  • ein einfacherer Aufbau der Elektronik und damit eine geringere Wärmeentwicklung ebenso wie geringere Kosten,
  • die Möglichkeit, Energie über den Gleichspannungszwischenkreis zwischen den Antrieben auszutauschen und somit ggf. die Effizienz des Gesamtsystems zu erhöhen.

Diese Vorteile ergeben sich jedoch nur ab einer ausreichend großen Anzahl an Antrieben im System. Werden nur wenige Antriebe eingesetzt, überwiegt der Aufwand für das Versorgungsmodul, so dass der Variante (a) der Vorzug gegeben werden sollte.

In beiden Fällen entfällt die Geberleitung, da der Geber direkt am Motor mit der Steuerelektronik verdrahtet werden kann. In modernen Systemen erfolgen die Kommunikation und Versorgung wie in der Abbildung 2 dargestellt über Hybridkabel.

Bewertung

Die Vorteile des dezentralen Konzepts, das heißt also der Verlagerung der Intelligenz des Antriebssystems aus dem Schaltschrank in den Antrieb selbst, liegen im Wesentlichen in der Verlagerung von Geräten aus dem Schaltschrank ins Feld. Dies führt zu einer Reduktion der Größe des Schaltschranks und in der Regel zu einer Verringerung des Verkabelungsaufwandes. Zu beachten ist, dass die Entwärmung von Motor und Leistungselektronik nicht mehr unabhängig voneinander erfolgt und daher bei der Projektierung berücksichtigt werden muss. Ebenso steigt die Größe des Motors und damit der Platzbedarf im Feld. Schließlich ist zu beachten, dass alle Sicherheitsfunktionen der Motor-Verstärkerkombination über den verfügbaren Kommunikationskanal – in der Regel das Bussystem – abgebildet werden müssen. eve

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Zu dieser Serie

Zusammen mit der Technische Akademie Esslingen e.V. stellt die elektro AUTOMATION in dieser Grundlagenserie Hintergründe und praktische Einsatzszenarien in aktuellen Technikfeldern zusammen. Tipps zu passenden Seminarangeboten erleichtern die Planung einer praxisorientierten Weiterbildung.

Erschienen sind bereits:

Teil 1: Einsatz von hybriden CPU-FPGA-Chips in Embedded Systems: hier.pro/HMeEq

Teil 2: Elektrofahrzeuge – Standardisierte Integration in Smart-Home-Systeme: hier.pro/L06ag

Teil 3: Protokollanalyse und Bestimmung der Phasen: hier.pro/9ANhA

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