Abgespeckt oder draufgesattelt: Dezentrale Frequenzumrichter für vielfältige Antriebsaufgaben

Die ersten Frequenzumrichter für Asynchronmotoren steckten grundsätzlich in Schaltschränken – zwangsläufig abgesetzt von der Antriebsmechanik. Erst seit Kurzem ist diese räumliche Trennung keine Selbstverständlichkeit mehr. Durch technologische Verbesserungen der Leistungselektronik und die Entwicklung feldtauglicher Geräte und innovativer Kühlkonzepte bei gleichzeitig sinkenden Preisen setzen sich dezentrale Antriebseinheiten, die Motor, Umrichter und Steuerungslogik integrieren, in immer mehr Anwendungen durch. Aus der Dezentralisierung ergeben sich eine ganze Reihe technischer, aber auch wirtschaftlicher Vorteile. Reduzierter Flächenbedarf und eine höhere Flexibilität bei der Anlagenprojektierung kommen Maschinen- und Anlagenbauern ebenso wie Betreibern zugute. Antriebshersteller integrieren immer mehr anspruchsvolle Funktionen in Feldgeräte und unterstützen damit den Trend zu fortschreitender Modularisierung. Vorteile dezentraler Anwender Nord Drivesystems hat vor drei Jahren seine zweite Linie dezentraler Frequenzumrichter auf den Markt gebracht: die SK 200E-Umrichterfamilie. Beispielsweise fördertechnische Anlagen, wie Vorzonen von Hochregallagern, Rollenbahnen oder Gepäckbänder, profitieren von dezentralen Lösungen ohne die sonst erforderlichen zahlreichen Schaltschränke und langen Kabelstrecken. Waren zuvor zum Schutz vor elektromagnetischen Störungen geschirmte Motorzuleitungen nötig, können sie nun eingespart werden. Vielfach werden bei geringem Verdrahtungs- und Installationsaufwand flexible Antriebslösungen möglich. Einheiten lassen sich komplett vorverdrahten und vorab prüfen; allgemein verlaufen Projektierung und Inbetriebnahme schneller. Verbleibende Schaltschränke fallen kleiner und kälter aus und sind besser standardisierbar. Die aktuellen Kommunikationsbusse werden unterstützt, eine Vernetzung ist auch in Linientopologien möglich. Geschirmte Motorleitungen sind entweder gar nicht mehr notwendig (beim direkten Aufbau auf den Motor) oder nur noch sehr kurz (bei Wandmontage in der Nähe des Motors). Integrierte Einheiten im Feld sind leicht für Servicepersonal zugänglich, Diagnosen können direkt vor Ort vorgenommen werden. Aufgrund steckbarer Anschlussleitungen lassen sich die Einheiten bei Bedarf wechseln – ohne Elekt­rofachpersonal. Auch Signale von Sensoren und Aktoren können über antriebsnahe Schnittstellen an die übergeordnete Steuerung weitergeleitet werden, und Status-LEDs vor Ort helfen bei der Diagnose im Feld. Hohe Einsparungen pro Anlage Im Vergleich zu zentral installierter Leistungselektronik ergeben sich in Anlagen mit verteilter Antriebstechnik erhelbliche Vorteile. Zwar fallen bei der Anschaffung dezentraler Komponenten trotz sinkender Preise noch immer Mehrkosten von ca. 20 bis 30% an, dem gegenüber stehen jedoch um bis zu 40% reduzierte Projektierungskosten, Einsparungen von bis zu 60% beim Aufwand für Installation und Inbetriebnahme sowie um bis zu 50% reduzierte Wartungskosten während des gesamten Lebenszyklus. Insgesamt summieren sich die Einsparungen je nach Art und Umfang einer Anlage auf einen Anteil von ca. 30% (Bild 1). Individueller Leistungsumfang In einer Automatisierungswelt, die immer stärker auf Modularisierung und Integration setzt, sind auch für die Antriebselektronik die funktionalen Anforderungen vielfältig. Nord Drivesystems bietet mit der Baureihe SK 200E Frequenzumrichter, die sich den Erfordernissen anpassen lassen. Die Umrichter sind in erster Linie zur direkten Montage auf dem Klemmenkasten der Getriebemotoren oder in Motornähe konzipiert. Die aktuell verfügbaren Baugrößen 1 bis 4 decken einen Leistungsbereich von 0,25 bis 22kW ab. Die vollintegrierten Antriebseinheiten können für den Feldeinsatz in der benötigten Schutzart (auch Atex Zone 22/ 3D) vorkonfektioniert werden. Verschiedene Geräteausführungen decken die typischen dezentralen Anwendungsgebiete ab. So eignen sich die Frequenzumrichter der Linie SK 2x0E mit serienmäßigem Prozess- und PI-Regler durch das interne 24V-Netzteil sowie zwei analoge Eingänge für den Einsatz an Lüftern und Pumpen. Die Linie SK 2x5E hingegen ist auf Antriebsaufgaben in der Fördertechnik zugeschnitten. Diese Geräte haben eine Bremsenansteuerung und zwei integrierte Potenziometer. Serienmäßige Eigenschaften, wie Drehzahlrückführung (Servomode) und Positionierfunktion (POSICON), befähigen sie, Positionieranwendungen und Hubwerke selbstständig und präzise zu regeln. Eine durchgängige Performance-Stufung und verschiedene optionale Erweiterungen gestatten es Anwendern, passende Kompaktgeräte mit genau den jeweils benötigten Features auszuwählen und dadurch Ressourcen effektiv einzusetzen. Bereits in der Basisausstattung verfügen alle Umrichter der Serie über sensorlose Stromvektorregelung, Brems-Chopper, Inkrementalgeber-Auswertung und Energiesparfunktionen. Ein steckbarer Speicherbaustein (EEPROM) ermöglicht den schnellen und einfachen Austausch eingestellter Parametersätze mit anderen Geräten gleichen Typs. Anspruchsvolle Funktionen Herkömmliche dezentrale Servolösungen sind aufwändig und teuer, waren aber bisher oftmals der einzige Weg, Positionieranwendungen an abgelegenen Orten zu realisieren. SK 200E-Frequenzumrichter sind eine ideale und kostengünstige Alternative. Die Geräte verfügen als einzige ihrer Leistungsklasse über eine integrierte Positioniersteuerung und Anschlussmöglichkeiten für Inkremental- und Absolutwertdrehgeber. Damit gestatten die Frequenz- umrichter den Einsatz von Standard-Asynchronmotoren auch für Anwendungen, die eine relative oder absolute Lageregelung erfordern. Die integrierte Positioniersteuerung Posicon sieht die Programmierung von bis zu 63 absoluten Positionen vor; die gewünschten Positionen können auch über eine Feldbusschnittstelle übertragen werden. Zudem lassen sich bis zu sechs Schrittweiten (sogenannte Lage-inkremente) im Frequenzumrichter hinterlegen. Bei allen Aufgaben sorgt die Wegrechnung der Positioniersteuerung für eine sichere, zeitoptimierte fahrt bis zum Ziel. Zur Grundausstattung der Baureihe zählt außerdem die sensorlose Stromvektorregelung, die die vorgegebene Position auch bei starken Lastschwankungen hält. Zertifizierte Sicherheit bis SIL3 Die Frequenzumrichter bieten verschiedene Sicherheitsfunktionen, mit denen sich je nach verwendetem Schaltgerät sichere Abschaltwege bei hoher Risikoeinstufung nach Kategorie 4 bzw. Performance-Level e gemäß EN13849-1 realisieren lassen. Während bei herkömmlichen Frequenzumrichtern dieser Leistungsklasse der Wiederanlauf des Motors durch eine Komplettabschaltung der 24V-Steuerspannung bzw. der Netzspannung verhindert wurde, sind die Typen SK 21xE und SK 23xE mit einer zertifizierten sicheren Pulssperre ausgestattet und verfügen über Digitaleingänge für die Funktionen \’Spannung sperren\‘ und \’Schnellhalt\‘. Auf diese Weise können die Frequenzumrichter die Stoppkategorie 1 (gezieltes Abbremsen des Antriebs entsprechend SIL1) mit anschließender Momentabschaltung (entsprechend SIL3) bzw. die Stoppkategorie 0 (entsprechend SIL3) gemäß EN60204-1 realisieren. Da bei der Aktivierung der Pulssperren keine Abschaltung der Steuer- und Leistungselektronik erfolgt, bleiben die Geräte online und sind direkt nach Schließen des Sicherheitskreises ohne erneute Initialisierung sofort wieder verfügbar. Die elektronische Schaltung der sichernden Funktionen macht eine regelmäßige Wartung und den Austausch verschleißender elektromechanischer Kontakte sowie Schützkomponenten überflüssig. Kommunikativ kompatibel Wegen des Einsatzes in ausgedehnten Anlagenstrukturen wird von dezentralen Antriebssystemen verlangt, dass sie eine direkte, unkomplizierte Parametrierung und einen einfachen Zugriff auf alle Diagnosedaten ermöglichen. Deshalb verfügen die Frequenzumrichter über einen eigenen Systembus, mit dem sie sich im Feld vernetzen lassen. Zur Anbindung an den Feldbus bzw. das Industrial-Ethernet-System dient eine Bus-Technologiebox, die bis zu vier Umrichter anschließt. Da der Systembus die Parameterdaten tunnelt, stehen die Datensätze sämtlicher Teilnehmer an jeder RS232-Diagnoseschnittstelle der Umrichter und der Technologiebox zur Verfügung. Neben Feldbus-Interfaces für CANopen, Devicenet, Profibus bietet Nord auch Gateways für die Anbindung seiner Umrichter an Profinet- und Ethercat-Netzwerke. Nord aktualisiert ständig das Angebot an Feldbus- und Ethernet-Schnittstellen. Als nächste werden Schnittstellen für Powerlink und Ethernet/IP erhältlich sein. Ein Interface für das Sicherheitsprotokoll Profisafe befindet sich ebenfalls in Vorbereitung. Die Feldbus-Kommunikationsschnittstellen sind als externe Bus-Technologieboxen mit I/Os verfügbar, die einfach und variabel direkt am Umrichter oder abgesetzt am Maschinengerüst bzw. Anlagenteil montiert werden können. Soll der integrierte Funktionsumfang erweitert werden, ohne die Abmessungen des jeweiligen Umrichtermodells zu verändern, stehen die Baugruppen alternativ als interne Module zur Verfügung. (Bild 2) Dezentral und bedienerfreundlich Zur Steuerung, Parametrierung und Diagnose erhält der Anwender verschiedene Lösungen: Einfache Antriebsfunktionen können über Dip-Schalter direkt an den Umrichtern eingestellt werden. Mit Bediengeräten wie dem PotiAdapter, der SimpleBox oder der ParameterBox erhalten Nutzer über die RS232/RS485-Schnittstelle Zugriff auf das Gerät. Für Laptops stellt Nord die komfortable Software Nord CON zur kostenfreien Verfügung. Das Programm bietet Druck- und Archivierungsoptionen sowie eine Oszilloskop-Funktion, mit der sich Antriebssysteme abstimmen lassen. Mit den Ergebnissen lassen sich anwendungsbezogene Einstellungen wie die Kontrolle der Bremsenansteuerung oder Hubwerksfunktionen optimal nachjustieren. Alle per Bedienbox oder Nord CON veränderbaren Parameter werden vom Umrichter in einem steckbaren EEPROM gespeichert. Das Modul lässt sich zwischen verschiedenen Geräten austauschen und vereinfacht damit die Übertragung von Parametersätzen und Inbetriebnahme. (Bild 3). Fazit Dezentrale Automatisierungsanwendungen stellen sehr unterschiedliche Anforderungen an die verwendeten Antriebe. Erste Wahl ist jeweils eine funktional optimierte Lösung. Mithilfe durchgängiger Performance-Stufung und Aufrüstungsoptionen ermöglicht es die Frequenzumrichterserie SK 200E, ein Gerät mit den gewünschten Features zu erhalten.