Die Auswahl und Bemessung elektrischer Antriebe erfordert große Erfahrung. Tipps dazu liefert das Fachbuch Antriebspraxis. Hier folgen die wichtigsten Punkte zusammengefasst.

Antriebe mit fester oder variabler Drehzahl arbeiten heute in modernen Industrieanlagen entsprechend Industrie 4.0 hoch energieeffizient und stark vernetzt. Wie sich das erreichen lässt, zeigt das Fachbuch Antriebspraxis auf. Hier folgen bereits einige Tipps, wie man bei Auswahl und Bemessung elektrischer Antriebe strukturiert vorgeht. Bild 1 listet ein Schema mit Fragen auf, die zuerst zu klären sind. So sind die Daten des Projekts zu sammeln und unter Umständen durch geeignete Annahmen zu ergänzen.

Bild 1: Checkliste für Auswahl und Bemessung von drehzahlveränderbaren Antrieben mit Stromrichtern (Bild: VCG/Fachbuch Antriebspraxis/Peter F. Brosch)

Die Grundfrage bei der Auswahl und Bemessung ist, ob es sich um einen Bewegungsantrieb oder um einen Positionsvorgang handelt. Antriebe für Bewegungs- oder Bearbeitungsvorgänge sind z.B. solche an

Diese Antriebe werden nach der (Dauer-)Leistung P bemessen. Sie laufen oft mit hohen Betriebsstundenzahlen und dann ist Effizienz besonders wichtig. (Hochdynamische) Antriebe für Stellvorgänge (Positionieren) finden sich z.B. bei

Bild 2: Antriebe für Positoniervorgänge finden sich z.B. in der Robotik wieder. sie werden nach dem für die Beschleunigung notwendigen (Spitzen-)Drehmoment M bemessen. (Bild: ©industrieblick - stock.adobe.com)

Dynamische Antriebe werden nach dem für die Beschleunigung notwendigen (Spitzen-)Drehmoment M bemessen oder für die geforderten Bewegungsprofile der Maschine ausgelegt. Kurzzeitige hohe Überlastbarkeit ist dabei wichtiger als ein guter Wirkungsgrad (Bild 2).

Danach entscheidet sich erst die Frage, welche Motorarten eingesetzt werden sollen (Bild 1): Bei Industrieantrieben sind es Asynchronmotoren oder in zunehmendem Maße PM-Synchronmotoren. Im Bereich kleiner Drehmomente auch noch immer DC-Motoren oder Schrittmotoren sowie Piezo-Aktoren.

Die Wertung der einzelnen Punkte ist sicher nur am konkreten Einzelfall möglich. Kostenfragen sowie die Überlegungen zur Mensch-Maschine-Schnittstelle müssen neben den technischen Zwängen beachtet werden. Bei einem Vortrag wurde einmal gesagt: „… die wichtigste 'physikalische Größe' jedes Antriebs, die absolut stimmen muss, ist der Preis.“

Da Erfahrungen selten direkt vermittelt werden können, hilft hier ein guter (Industrie-)Partner weiter. Eine wesentliche Hilfe kann auch die Besichtigung ähnlicher Anwendungsfälle bringen; dies ist z.B. bei Betriebsrundgängen oder Messen und Ausstellungen möglich.

Elektrische Antriebe haben die Aufgabe,

Bild 3: Logidrive ist ein dezentrales Antriebssystem von Getriebebau Nord. (Bild: Nord Drivesystems)

Jeder Antrieb – zentral oder dezentral – hat drei Schnittstellen zum Umfeld (Bild 3 – Beispiel dezentraler Antrieb):

Die Aufgabe der Antriebsauslegung ist die Anpassung der drei Schnittstellen an die Umgebungssituation:

Anpassung der Kennlinien von Motor und Arbeitsmaschine (Prozess)

Die Anpassung erfolgt durch 'Manipulation' der Motorkennlinie durch elektronische Stellglieder, (z.B. Umrichter im Feldstellbereich beim Asynchronmotor ...)

Kennzeichnend für den Einsatz von Frequenzumrichtern sind Anwendungen zum Bewegen und Bearbeiten mit folgenden Anforderungen:

In der Praxis werden bevorzugt 4-polige (Asynchron-)Normmotoren aber neuerdings aus Wirkungsgradgründen PM-Synchron- oder Synchronreluktanzmotoren eingesetzt, die überwiegend in der Nähe um den Bemessungspunkt aber auch ökonomisch im Teillastbereich betrieben werden.

Kennzeichnend für den Einsatz von Servoantrieben sind Anwendungen zum Positionieren mit folgenden Anforderungen:

In der Praxis werden bei Servos drehende und lineare PM-Synchronmotoren für die Vielzahl der schnellen Bewegungen eingesetzt, bei denen die Maximaldrehmomente und -Kräfte das Kennzeichnende dieser hochdynamischen Anwendungen sind.

Der Reihe nach kann die folgende 'Checkliste' abgearbeitet werden:

Ein Getriebe reduziert das benötigte Motordrehmoment (und damit die Baugröße (AH) des Motors. Wird die Getriebeübersetzung so gewählt, dass das Verhältnis von reduziertem Massenträgheitsmoment der Last zum Massenträgheitsmoment des Motors „1“ ist, tritt das geringste Beschleunigungsmoment für den Motor auf.

Motoren, Frequenzumrichter und Antriebssysteme werden nach ihrer Energieeffizienz klassifiziert. Ab Juli 2021 sind die wichtigsten Aktualisierungen für 2- bis 8-polige Netz- und Umrichter-gespeiste Asynchronmotoren im Leistungsbereich von 0,12 kW bis 0,75 kW die Effizienzklasse IE2, für 0,75 kW bis 1000 kW die Effizienzklasse IE3 und dann ab Juli 2023 für Leistungen von 75 kW bis 200 kW für 2- bis 6-polige Asynchronmotoren die Effizienzklasse IE4.

Diagramm zur Aktualisierung der Norm (Bild: Brosch)

Für Frequenzumrichter beträgt die Mindestanforderung ab Juli 2021 IE2. Die Norm IEC 61800-9-2 definiert die IE-Klassen für Frequenzumrichter sowie die IES-Klassen für Antriebssysteme (Power Drive System – Motor und Frequenzumrichter kombiniert).

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Ein kleines an den Motor angebautes Kästchen mit entsprechenden Sensoren macht aus „einfachen“ Motoren „intelligente“ Geräte. Die Sensoren liefern wichtige Daten zur Motorleistung und tragen damit zu einer Verbesserung der Verfügbarkeit, Verlängerung der Motorlebensdauer sowie einer Steigerung der Leistung und Produktivität der Maschine bei (Bild 4).

Bild 4: Beispiel für smarte Motorüberwachung: der smarte Ability Sensor von ABB. (Bild: ABB)

Mit dem Sensorkästchen können Motoren bereits bei der Produktion ausgerüstet werden, sind aber auch nachrüstbar. Zustandsüberwachung bedeutet, dass die Wartung vorab geplant werden kann, um so Stillstandszeiten zu reduzieren und Kosten zu sparen. Durch die Erhebung von Zustandsdaten für eine große Anzahl von Motoren ebnet diese Lösung den Weg zu einer anlagenweiten Optimierung des Betriebs und des Energieverbrauchs.

Der externe Sensor überwacht die vom Motor kommenden Signale und sendet die Daten per Bluetooth über das Smartphone des Anwenders oder einen Gateway von ABB über das Internet an einen sicheren Cloud-basierten Server. Im Server werden die Daten analysiert und zu Informationen verarbeitet, die direkt auf das Smartphone des Anwenders oder an ein spezielles Kundenportal gesendet werden. Die auf der intuitiven Schnittstelle angezeigte „Ampel“ gibt einen raschen Überblick über die Motoren der Anlage.

Das Buch Antriebspraxis enthält die Gesamtschau der eingesetzten Antriebe mit fester oder variabler Drehzahl, die energiesparend und vernetzt arbeiten. Es erklärt sowohl die Arbeitsweise der Komponenten als auch ihr Zusammenwirken im Antriebssystem bis hin zur Vernetzung in betrieblichen und globalen Netzen.

Für die Auslegung eines Antriebs ist die Nutzung von Checklisten hilfreich, um möglichst alle auslegungsrelevanten Daten zu erfassen. Die im nachfolgenden PDF wiedergegebenen Listen gelten für 'normale' Antriebe; sie sind für ausgesprochene Spezialantriebe sicher individuell zu ergänzen. Die Listen wurden für die am häufigsten vorkommenden Bewegungsantriebe in Gleichstrom oder Drehstromtechnik entworfen.

Für Linearantriebe gelten die Aussagen sinngemäß. Bewegungsantriebe werden nach der Leistung und Positionierantriebe nach dem Drehmoment bemessen.

* Prof. Prof. h. c. mult. Dr.-Ing. Peter F. Brosch ist Autor des Fachbuchs Antriebspraxis

Einen Frequenzumrichter für alle gibt es nicht

Zuverlässige Antriebe für Pumpen

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