Einen Antrieb auszulegen bedeutet, die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des Motors an die Kennlinie der Arbeitsmaschine anzupassen. Bei der Konstruktion einer neuen Maschine erfolgen die ersten Berechnungen dafür meist schon in einem sehr frühen Stadium. Oft gilt es, verschiedene Varianten zu berechnen und abzuschätzen, ob die Leistung auch dann noch ausreicht, wenn ein kleinerer Antrieb eingesetzt wird oder inwieweit sich diese mit dem nächst größeren Antrieb steigern lässt. Ist der Antrieb unterdimensioniert erreicht die Maschine nicht die gewünschte Leistung und der Antrieb muss durch einen größeren ersetzt werden. Das zieht Aufwand und eventuell sogar Konstruktionsänderungen nach sich. Wurde der Motor mit dem Regler zu groß ausgelegt, steigen Anschaffungs- und Unterhaltungskosten im späteren Betrieb, weil der Antrieb mit einem schlechten Wirkungsgrad arbeitet und zu viel Energie verbraucht. Häufig kommen auch die gleichen Antriebe an verschiedenen Stellen und für verschiedene Aufgaben zum Einsatz. Dahinter steht das Ziel, die Teilevielfalt zu verringern, auch wenn dadurch ein Antrieb vielleicht überdimensioniert ist. Die Antriebsauslegung ist nicht nur bei Neukonstruktionen ein Thema. Sie ist immer dann notwendig, wenn sich die Anforderungen an eine Maschine ändern und es beispielsweise zu prüfen gilt, eine höhere Last zu bewegen. Weiterhin muss bei Retrofit-Maßnahmen der Ist-Zustand des Antriebs ermittelt werden, um sicherzustellen, dass der neue Antrieb dieselbe Leistung erreicht. Es gibt also unterschiedliche Anlässe, eine Antriebsauslegung vorzunehmen, die Vorgehensweise bleibt jedoch immer gleich. Schritt für Schritt: Von der Mechanik zum Netz Die Antriebsauslegung betrachtet zwei Aspekte: die dynamische Anpassung, um die vorgegebenen Weg-Zeit-Bedingungen einzuhalten und die thermische Anpassung, damit der Motor sich nicht unzulässig erwärmt. Die Anpassungen können auf unterschiedliche Weise erfolgen. Zum einen lässt sich der natürliche charakteristische Verlauf von Elektromotoren nutzen. Das klassische Beispiel ist bzw. war der Reihenschlussmotor bei Bahnantrieben: hohes Drehmoment bei geringer Drehzahl für den Anlauf und geringes Drehmoment bei hoher Drehzahl nach der Beschleunigungsphase für die Konstantfahrt. Eine elegantere Methode ist die Manipulation der Motorkennlinie durch Stellglieder. Auf diese Weise lässt sich die Bindung an die starren Kennlinien der verschiedenen Motorarten lösen. In vielen Fällen ist es dann möglich, die einfache wie robuste Asynchronmaschine einzusetzen, oder, wenn mehr Effizienz und Dynamik gefordert sind, die Synchronmaschine mit Permanentmagneten. Bei der Antriebsauslegung gilt es, die mechanischen Gegebenheiten zu analysieren und die erforderlichen Drehmomente und Drehzahlen unter Berücksichtigung der Weg-Zeitbedingungen zu berechnen. Auf dieser Basis erfolgt die Auswahl des Motors, eines darauf abgestimmten Reglers und der Netzanschlusskomponenten. Drehzahl- und Drehmoment-Zeit-Verlauf ermitteln Als erster Schritt wird anhand des gewünschten Bewegungsprofils der erforderliche Drehzahl-Zeit-Verlauf und daraus die mittlere Drehzahl (arithmetischer Mittelwert) berechnet (Bild 1). Wenn der genaue Bewegungsablauf nicht bekannt ist, hilft es, die Berechnung nach relativer Einschaltdauer durchzuführen. Hierbei werden alle Bewegungszyklen auf 100% referenziert und die einzelnen Anteile für Beschleunigung, Bremsen usw. prozentual abgeschätzt. Als Nächstes erfolgt die Umrechnung aller wirkenden Kräfte wie Reib-, Prozess- oder Gewichtskräfte in Drehmomente und die der Massen in Massenträgheitsmomente. Weiterhin gilt es auch \’weiche\‘ Faktoren wie zusätzliche Reibung durch Kabelschlepp zu berücksichtigen. Enthält der Antriebsstrang Übertragungselemente wie Getriebe oder Riemenvorgelege, ist es notwendig, die vorher genannten Werte noch auf die Motorseite umzurechnen. Anhand dieser aufgearbeiteten Größen ist es dann möglich, die erforderlichen Drehmomente am Motor zu berechnen. Ob der Motor Drehmoment abgeben oder aufnehmen muss, sprich motorisch oder generatorisch wirkt, hängt von der Wirkrichtung der Drehmomente ab. Um die thermische Auslastung des Antriebs zu prüfen, wird schließlich noch der Effektivwert des Drehmomentverlaufs (quadratischer Mittelwert) bestimmt (Bild 2). Motor, Wechselrichter bzw. Umrichter festlegen Damit sind die einzelnen Drehmomente mit den dazu gehörenden Drehzahlen bekannt und können in einem Diagramm eingezeichnet werden. Auch das Effektivmoment bei mittlerer Drehzahl wird hier eingetragen (Bild 3). Auf dieser Basis erfolgt die Auswahl eines Motors, der die einzelnen Drehmomente bereitstellen kann. Da erst jetzt auch das Massenträgheitsmoment des Motors bekannt ist, muss die Berechnung der Drehmomente noch einmal durchgeführt werden. Dabei steigen die einzelnen Drehmomente etwas an, sodass die Eignung des Motors noch einmal zu prüfen ist. Gegebenenfalls kann es erforderlich sein, den nächstgrößeren Motor zu nehmen. Steht der Motor und damit sein Strombedarf fest, erfolgt die Auswahl eines geeigneten Wechsel- oder Umrichters. Es genügt, wenn dieser den tatsächlichen Strombedarf aus den Drehmomentanforderungen abdeckt. Um die Auswahl zu erleichtern, stellt Rexroth an dieser Stelle Drehmoment-Drehzahl-Diagramme für komplette Motor-Regler-Kombinationen zur Verfügung. Versorgung, Zusatzkomponenten, Netzdrossel und -filter auswählen In einem modularen System mit mehreren Wechselrichtern an einer Gleichspannungsversorgung wird der erforderliche Leistungsbedarf pro Antrieb ermittelt und aufsummiert. In die Berechnung fließen Ein- und Rückspeise-Dauerleistung, die Spitzenleistung und die Rückspeiseenergie ein. Dieselben Größen sind notwendig, um erforderliche Zusatzkomponenten wie z.B. Bremswiderstände oder Zusatzkapazitäten zu ermitteln. Der letzte Schritt der Antriebsauslegung besteht in der Auswahl eventuell notwendiger Netzdrosseln und -filter. Diese richtet sich nach dem Netzstrom, der Anzahl aller an einer Einspeisung betriebenen Antriebe, der Motorkabellängen und den parasitären Kapazitäten der Kabel und Motoren. Fazit: Technisches Grundverständnis ist Voraussetzung Eine korrekte Antriebsauslegung verlangt eine strukturierte Vorgehensweise gepaart mit dem notwendigen Formelwissen und einem technischen Grundverständnis. Die ersten beiden Aspekte – Vorgehensweise und Formelwissen – können entsprechende Softwaretools heute zur Verfügung stellen. Darüber hinaus helfen sie, Zeit zu sparen, insbesondere wenn im Rahmen der Antriebsauslegung verschiedene Varianten zu berechnen sind. Das grundlegende Verständnis für die Technik muss der Ingenieur oder Techniker mitbringen. Nur so kann er alle Einflussgrößen berücksichtigen und erkennen, ob er einen Antrieb optimieren muss oder vielleicht auch Abstriche machen kann. Fehlt dieses, ist es schwieriger, Zusammenhänge richtig zu erkennen. Ein Beispiel: Für die Berechnung der Reibung werden Reibfaktoren oder -kräfte oftmals großzügig angesetzt. Greift diese \’Reserve\‘ noch für die Beschleunigung, kann es beim Bremsen aber schon anders aussehen. Denn hier vermindert die Reibung die Energie, die eventuell an einem Bremswiderstand in Wärme umgesetzt werden soll. Damit kann unter Umständen der Bremswiderstand nicht ausreichen.
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