Energieeffizienz spielt in der Industrie eine zentrale Rolle. Um eine industrielle Anlage mit einem elektrischen Antriebssystem energieeffizient betreiben zu können, ist oft eine Variation der Drehzahl notwendig. Daher zeigt sich heutzutage eine deutliche Tendenz weg vom Netzbetrieb hin zum Umrichterbetrieb. Dies gilt auch für industrielle Elektromotoren im oberen Leistungsbereich (>1MW), speziell für Anwendungen wie Pumpen, Gebläse, Lüfter und Verdichter. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Schwingungsgrenzen, weil diese über größere Drehzahlstellbereiche eingehalten werden müssen.
Effizienzsteigerung stößt an ihre Grenzen
Üblicherweise prüft der Motorenhersteller die Schwingungsgüte der Elektromotoren nach DIN EN IEC60034-14 im Leerlauf, ungekuppelt, entweder bei starrer Ausstellung (z.B. auf einem massiven Fundament) oder bei freier Aufhängung (z.B. auf weichen Gummielementen; s. Abbildung 1a) für die entsprechenden Drehzahlstellbereiche. Der Kunde/OEM legt den gemeinsamen Stahlrahmen aus (Abbildung 1b).
Anschließend werden die Lastmaschine und der Elektromotor auf diesen gemeinsamen Stahlrahmen montiert (Abbildung 1c). Aufgrund der Elastizität der Stahlrahmenkonstruktion entsteht ein neues Schwingungssystem, wodurch sich das Schwingungsverhalten des Motors deutlich ändert. Auf der Anlage müssen die Schwingungen nach DIN ISO 20816-3 eingehalten werden. Durch die Elastizität des Stahlrahmens können jedoch Resonanzen im Drehzahlstellbereich auftreten, in denen die zulässigen Schwingwerte überschritten werden.
Hauptsächliche Anregungsfrequenz bei Elektromotoren ist die Rotordrehfrequenz. Bei zweipoligen Asynchronmotoren kommt als zusätzliche, dominierende Anregungsfrequenz die doppelte Speisefrequenz hinzu. Dies führt dazu, dass aufgrund von Resonanzen Drehzahlsperrbereiche definiert werden müssen, wodurch die gesamte Anlage nicht im gewünschten Drehzahlstellbereich betrieben werden kann und somit an Energieeffizienz einbüßt (Abbildung 1d). In der Intralogistik ist die Maximierung der Lagerkapazität entscheidend. Kompakte Sensoren spielen dabei eine Schlüsselrolle: Höchste Leistung in kompakter Bauform schafft mehr Platz für die Ware, denn die Technik macht sich klein. ‣ weiterlesen
Intralogistik: Neue Baumer ToF-Sensoren machen sich klein
Das Active Vibration Control System
Mit Innomotics AVCS (Active Vibration Control System) wurde ein System entwickelt, bei dem der Elektromotor aktiv vom Stahlrahmenfundament entkoppelt wird. Das Unternehmen hat für die Entwicklung eng mit dem Elsys-Institut der Technischen Hochschule Nürnberg zusammengearbeitet. Das System besteht aus vier Aktuatorsystemen – drei aktiven und einem passiven – die zwischen den Motorfüßen und dem Stahlrahmenfundament positioniert werden. Sowohl die aktiven als auch das passive System besitzen Spiralfedern, die das gesamte Motorgewicht tragen.
Die aktiven Systeme besitzen zusätzlich stromgeregelte, elektrodynamische Aktuatoren, die elektrodynamische Kräfte in vertikaler Richtung erzeugen können. Da das gesamte Gewicht des Elektromotors von den Spiralfedern getragen wird, müssen die elektrodynamischen Aktuatoren nur die Dynamik kompensieren und erzeugen somit minimale elektrische Verluste. Die Steifigkeit der Aktuatorsysteme ist so gewählt, dass sich ein asymmetrisches Gesamtsteifigkeitssystem ergibt, wodurch alle Starrkörperschwingungen bezüglich ihrer Translationen und Rotationen stärker gekoppelt sind und jede dieser Schwingungsformen vertikale Motorfußbewegungen aufweist. Mithilfe des entwickelten Konzepts Vibration Mode Coupling by Asymmetry (VMCA) können nun alle Starrkörperschwingungen durch die aktiven Systeme beeinflusst werden.
Über Geschwindigkeitssensoren werden die vertikalen Schwinggeschwindigkeiten der Motorfüße der aktiven Systeme ermittelt und (PI-)Reglern zugeführt, welche die notwendigen Stellsignale für die aktiven Systeme erzeugen. In Kombination mit den rückgeführten Schwinggeschwindigkeiten der Motorfüße kann man nun in die Systemdämpfung und Systemsteifigkeit eingreifen. Die Regelparameter sind für jedes der aktiven Systeme sowie für jede Drehzahl unterschiedlich wählbar. Damit steht eine immense Anzahl an Eingriffsmöglichkeiten zur Verfügung, sodass für jede Drehzahl die optimale Systemdämpfung und -steifigkeit gewählt werden kann, um Drehzahlsperrbereiche zu vermeiden. Digitale Souveränität in der Automation: Fraunhofer IOSB-INA entwickelt einen KI-Assistenten für die SPS-Programmierung. ‣ weiterlesen
Automatisierung neu gedacht
Nicht nur die Starrkörperschwingungen sind beeinflussbar, sondern auch Strukturschwingungen, vorausgesetzt, dass diese ebenfalls vertikale Motorfußbewegungen aufweisen. Eine zukünftige Ausbaustufe soll die Auswahl und Optimierung der Regelparameter durch lernende Systeme unterstützen.
Technische Vorteile durch das AVCS
Die maximale Rotordrehzahl des Elektromotors kann deutlich erhöht werden, und zwar in den Fällen, bei denen die Schwingungsproblematik die obere Drehzahl begrenzt. Geringe Schwingwerte des Elektromotors und des Fundaments lassen sich ermöglichen:
- über den gesamten Drehzahlstellbereich,
- ohne Drehzahlsperrbereiche,
- auf der Anlage,
- gekuppelt mit der Lastmaschine,
- unter Volllast,
- auf jedem beliebigen (technisch-üblichen) Stahlrahmenfundament.
Bisher können die Motorenhersteller die Schwingungen nur für die ersten beiden Punkte garantieren, und zwar nur bei starrer Aufstellung oder freier Aufhängung (Abbildung 1a), ungekuppelt und im Leerlauf, nach DIN EN IEC60034-14.
Fazit
AVCS stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Reduktion von Schwingungen elektrischer Antriebe dar. Durch die aktive Entkopplung des Elektromotors vom Stahlrahmenfundament und die Nutzung von elektrodynamischen Aktuatoren wird eine höhere Energieeffizienz und Anlagenverfügbarkeit erreicht. Das System ermöglicht den Betrieb ohne Drehzahlsperrbereiche und bietet flexible Anpassungsmöglichkeiten für verschiedene Drehzahlen. Dies trägt nicht nur zur Verbesserung der Betriebsbedingungen bei, sondern auch zur langfristigen Verbesserung industrieller Prozesse. Zukünftige Erweiterungen, wie die Integration lernender Systeme, versprechen weitere Verbesserungen und eine noch effizientere Schwingungskontrolle.
