Industriemotorsteuerung
Ein Leitfaden für die Industriemotorsteuerung
Elektromotoren sind in vielen Industrieanwendungen weit verbreitet, von Antriebsrollen für bahnbasierte Produkte wie Papier und Stahlblech bis hin zum Mahlen und Mischen von Inhaltsstoffen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Sie werden auch häufig zum Antrieb von Lüftern und Verdichtern in HLK- und Kühlanwendungen sowie zum Betrieb von Produktions- und Transportmaschinen wie CNC-Bearbeitungszentren und Förderbändern eingesetzt.
Diese allgegenwärtige Nutzung bedeutet, dass Industriemotoren derzeit fast 50 % des weltweiten Stroms verbrauchen. Da die Energieversorgung unter zunehmendem Preisdruck steht und der Energieverbrauch gesenkt werden muss, um die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren, sind Motoren ein primäres Ziel für Maßnahmen zur Verbesserung ihrer Energieeffizienz.
Motoren müssen auch gesteuert werden, um die Präzision ihrer Bewegung zu verbessern und sie vor potenziell schädlichen Einschaltströmen beim Start zu schützen. Direkte Motoranlasser (DOL) werden direkt an ihre Stromversorgung angeschlossen. Im eingeschalteten Zustand nimmt der Motor einen großen Strom auf, der typischerweise das Sechs- bis Achtfache des Vollaststroms des Motors beträgt. Dadurch entsteht ein großes Spitzendrehmoment, das Schäden wie kaputte Förderbänder sowie weniger offensichtliche Schäden an Getrieben und anderen Antriebsstrangbauteilen verursachen kann. Diese Art der Inbetriebnahme erzeugt auch eine thermische Belastung des Motors, was dessen Lebensdauer möglicherweise verkürzt. Eine allmähliche Erhöhung des Stroms über einen Motorregler vermeidet diese Stöße.
Industriemotorsteuerungen bewältigen die Herausforderungen des Startens, indem sie den Strom begrenzen und den Energieverbrauch eines Motors während des Betriebs reduzieren, wobei sie ihn mit der geeigneten Geschwindigkeit für die Anwendungsbedingungen laufen lassen.
Beispielsweise kann eine Kühlanwendung mit einem Lüfter über eine Regelung mit geschlossenem Regelkreis verwaltet werden. Die Lufttemperatur kann gemessen und die Daten an die Steuerung zurückgesendet werden, welche die richtige Drehzahl für den Betrieb des Lüfters auswählt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Temperatursollwert beibehalten wird, während der Lüfter mit einer energiesparenden Drehzahl betrieben wird. Dies steht im Gegensatz zum Betrieb mit konstanter Drehzahl, bei dem der Lüfter unabhängig vom Kühlbedarf mit maximaler Drehzahl läuft.
Motorsteuerungen sind daher ein wichtiger Bestandteil jeder industriellen Anlage, indem sie Motoren steuern und eine höhere Präzision in der Produktion ermöglichen.
Was ist die Industriemotorsteuerung?
Bei der Industriemotorsteuerung wird ein Gerät zur Regelung der Drehzahl und des Betriebs eines Industriemotors verwendet. Die Regelung der Drehzahl eines Motors ermöglicht es, die Anforderungen des Prozesses bei minimalem Energieverbrauch zu erfüllen. Eine Motorsteuerung kann auch den Motor schützen und eine präzisere Steuerung der Anwendung ermöglichen.
Typen von Industriemotoren
Im Wesentlichen ist ein Elektromotor eine Maschine, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Dies wird durch die Wechselwirkung zwischen einem Magnetfeld im beweglichen Teil des Motors – dem Rotor – und einem elektrischen Strom in der Spulenwicklung im festen Teil des Motors – dem Stator – erreicht.
Es gibt drei Haupttypen von Industriemotoren:
- DC
- AC-Induktion
- AC synchron
DC-Motoren
DC-Motoren werden am häufigsten in Spielzeugen, Elektrofahrzeugen, Hebezeugen und Aufzügen eingesetzt. In industriellen Prozessen wurden sie weitgehend durch AC-Motoren ersetzt.
Ein einfacher DC-Motor besteht aus zwei Hauptteilen – einem stationären Satz von Magneten im Stator und einem Rotor, der aus einem Anker besteht, der eine oder mehrere Wicklungen aus isoliertem Draht aufweist, welcher um einen Weicheisenkern gewickelt ist. Diese Anordnung dient zur Konzentration des Magnetfeldes.
Die Enden der Wicklungen sind mit einem Kommutator verbunden, einem Drehschalter, der die Stromrichtung zwischen dem Rotor und dem externen Stromkreis periodisch umkehrt. Dadurch kann jede Ankerspule nacheinander erregt werden. So werden auch die rotierenden Spulen mit der externen Stromversorgung über Kontakte verbunden, die als Bürsten bezeichnet werden.
Die Spulen werden nacheinander ein- und ausgeschaltet, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen. Diese Magnetfelder wirken mit den Magnetfeldern der Magnete im Stator zusammen, bei denen es sich sowohl um Permanentmagnete als auch um Elektromagnete handeln kann. Dadurch wird wiederum ein Drehmoment auf den Anker erzeugt, das ihn in Drehung versetzt.
Eine Alternative zu Bürsten ist die Verwendung von bürstenlosen DC-Motoren, die den Strom zu jeder Spule elektronisch ein- und ausschalten.
Die Betriebsgeschwindigkeit von DC-Motoren kann durch Einstellung der am Anker anliegenden Spannung gesteuert werden.
Der stabile Energiefluss von DC-Motoren macht sie gut geeignet für Anwendungen, die eine konstante Drehzahl und einen konstanten Drehmoment benötigen, wie Stahlwalzanlagen und Papiermaschinen.
AC-Induktionsmotoren
Ein AC-Induktionsmotor, auch als Asynchronmotor bezeichnet, verwendet die Magnetfelder in der Statorwicklung, um einen elektrischen Strom in der Rotorwicklung zu induzieren. Diese Induktionsströme im Rotor erzeugen wiederum Magnetfelder im Rotor.
Der Rotor eines Induktionsmotors dreht sich langsamer als das Statorfeld, daher der Begriff asynchron. Das Magnetfeld des Stators ändert sich folglich relativ zum Rotor, wodurch ein Gegenstrom im Rotor induziert wird.
Um der Änderung der Rotorwicklungsströme entgegenzuwirken, beginnt sich der Rotor in Richtung des rotierenden Statormagnetfeldes zu drehen. Dieser Induktionseffekt bedeutet, dass ein Induktionsmotor keine elektrischen Verbindungen zum Rotor benötigt.
Der Rotor eines Induktionsmotors kann einen der folgenden Typen aufweisen: gewickelt oder vom Käfigläufertyp. Dreiphasige Käfigläufermotoren werden in der Industrie aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Effizienz weit verbreitet eingesetzt. Sie bieten auch den Vorteil des Selbststarts.
AC-Synchronmotoren
Ein Synchronmotor ist ein AC-Elektromotor, bei dem sich die Welle mit der Frequenz des Versorgungsstroms dreht. Dies bedeutet, dass die Rotationsdauer mit einer ganzzahligen Anzahl von AC-Stromzyklen übereinstimmt.
Der Stator trägt eine Anzahl von mehrphasigen AC-Elektromagneten. Diese bestehen aus einer 3-phasigen Wicklung, die eine 3-phasige Versorgung aufweist, und erzeugen ein Magnetfeld, das synchron mit den Schwingungen des Netzstroms rotiert. Der Rotor weist entweder Permanentmagnete oder Elektromagnete auf und verfügt über eine DC-Versorgung.
Ein Synchronmotor arbeitet aufgrund der Wechselwirkungen der Magnetfelder von Stator und Rotor. Die 3-Phasen-Statorwicklung, die 3-Phasen-Ströme führt, erzeugt einen dreiphasigen rotierenden magnetischen Fluss. Auf dieses rotierende Magnetfeld rastet der Rotor ein und dreht sich mit ihm mit. Man sagt, dass der Motor in diesem Zustand synchronisiert ist.
Sobald der Motor gestartet wurde, hängt seine Drehzahl nur von der Versorgungsfrequenz ab. Beispielsweise dreht sich ein AC-Synchronmotor bei 120 V AC und einer Frequenz von 60 Hz mit 72 U/min. Diese Drehzahl kann durch die Frequenzänderung mit einem Frequenzumrichter (FU), auch als drehzahlvariabler Antrieb (VSD) bezeichnet, variiert werden.
Da sie kontinuierliche Energieänderungen aufweisen, sind AC-Motoren die bevorzugte Wahl für Anwendungen wie Verdichter, Hydraulik und Bewässerungspumpen.
Andere Motoren
Zwei weitere Arten von Motoren sind in industriellen Anwendungen üblich, darunter der Servomotor und der Schrittmotor.
Ein Servomotor ist als Dreh- oder Linearantrieb ausgebildet. Er kann gesteuert werden, um eine präzise, winklige oder lineare Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung anzunehmen. Ein Servomotor besteht aus einem Motor, der mit einem Sensor gekoppelt ist, um eine Rückmeldung über seine Position zu geben, und erfordert ein spezielles Steuermodul, das für die Verwendung mit Servomotoren ausgelegt ist.
Servomotoren werden häufig in Anwendungen wie Robotik, CNC-Maschinen und automatisierter Fertigung eingesetzt. Servomotoren können mit DC- oder AC-Spannung betrieben werden.
Schrittmotoren sind eine Art bürstenloser DC-Elektromotor. Wie der Name schon vermuten lässt, teilen diese eine volle Umdrehung in mehrere gleiche Schritte auf, und der Motor kann angewiesen werden, sich zu einem dieser Schritte zu bewegen und an einen davon zu halten.
Computergesteuerte Schrittmotoren werden typischerweise digital als Teil eines offenen Regelkreises zur Verwendung in Anwendungen, die ein Halten oder Positionieren erfordern, gesteuert.
Schrittmotoren werden heute am häufigsten in Anwendungen wie Diskettenlaufwerken, Flachbettscannern, Computerdruckern, Plottern, CNC-Maschinen und 3D-Druckern verwendet. In den meisten industriellen Anwendungen wurde ihre Rolle durch Servomotoren ersetzt.
Industriemotorsteuerungen
Industrielle AC-Motorsteuerung
Es gibt mehrere Möglichkeiten zur Steuerung von Motoren, wobei die einfachste ein Sanftanlasser ist. Dies ist eine Vorrichtung, die mit AC-Motoren verwendet wird, um die Last und das Drehmoment des Antriebsstrangs sowie den elektrischen Stromstoß, der vom Motor während des Anlaufs aufgenommen wird, vorübergehend zu reduzieren. Ein Sanftanlauf reduziert die mechanische Beanspruchung des Motors und der Welle sowie die elektrische Beanspruchung der Kabel und Anschlüsse, wodurch die Lebensdauer verlängert wird.
Ein Sanftanlauf kann sowohl aus mechanischen als auch aus elektrischen Geräten gebildet sein. Mechanische Vorrichtungen können Kupplungen oder Kopplungen beinhalten, um das Drehmoment zu begrenzen, während elektrische Sanftanlasser in jedem Steuersystem verwendet werden können, das die Spannungs- oder Stromeingabe vorübergehend reduziert und somit das Drehmoment verringert.
Eine modernere und leistungsfähigere Lösung, die auch eine große Flexibilität in der Steuerung bietet, ist der drehzahlvariabler Antrieb (VSD) oder Frequenzumrichter (FU). Die FU-Motorsteuerung variiert die Frequenz der AC-Versorgung des Motors. Da die Drehzahl eines Induktionsmotors von der Versorgungsfrequenz abhängt, kann der FU dazu verwendet werden, dessen Drehzahl zu variieren. Sie können auch mit Synchronmotoren verwendet werden.
Ein FU ist ein Leistungswandler, der eine Elektronik verwendet, um eine feste Frequenz und eine feste Spannung in eine variable Frequenz und eine variable Spannung umzuwandeln. Sie verfügen in der Regel über eine programmierbare Benutzeroberfläche, welche eine einfache Überwachung der Drehzahl des Elektromotors ermöglicht.
Da Antriebe die Leistung einer Anwendung wie einer Pumpe oder eines Lüfters reduzieren, indem sie die Drehzahl des Motors steuern, kann dies den Energieverbrauch oft um 50 % und in Extremfällen sogar um 90 % reduzieren.
Neben der Energieeinsparung kann die Steuerbarkeit von FU auch andere Vorteile mit sich bringen. Beispielsweise spart ein FU auf einem Extruder möglicherweise nicht viel Energie, aber die Steuerung und Geschwindigkeitsregelung, die er bietet, würde zu einer höheren Qualität der Leistung führen.
FU werden seit vielen Jahren verwendet, um Motordrehzahlen und Drehmomente zu steuern und Liniengeschwindigkeiten zu verwalten sowie Produktionsparameter wie Dicke, Kornbildung und Wickelfestigkeit zu ändern. Sie finden auch Anwendung in Pumpen, wo sie Probleme wie Wasserschlag, Hohlraumbildung und Wellenscherung beim Anlassen lösen. Alle diese Probleme können durch den Betrieb des Motors mit einem FU minimiert werden.
Die Anzahl der Motoren, die für den Einsatz mit FU entwickelt wurden, ist in den letzten Jahren wesentlich gestiegen. Auch das Angebot von Antrieben ist sprunghaft gestiegen und viele Sonderausführungen wurden speziell für den Einsatz mit Pumpen oder Lüftern entwickelt. Dadurch ist es schwierig, die richtige Antriebs- und Motorkombination zu finden. Die Anpassung des empfohlenen Antriebs an den Motor führt zur Lösung mit der richtigen Größe und vermeidet Überdimensionierungen, die zu höheren Kosten, mehr Platzbedarf und einem größeren ökologischen Fußabdruck führen können.
DC-Motorsteuerungen
DC-Motorsteuerungen unterscheiden sich je nach den Eigenschaften des Motors und der Art der Steuerung, die sie bereitstellen, wie zum Beispiel dem Motortyp und der Betriebsspannung, die Art der Leistungsregelung, die Art des Steuersignals, die Motorleistung und die Art der Steuerung.
Beispielsweise weist ein bürstenloser DC-Motor (BLDC) einen elektronischen Kommutator ohne Bürsten auf. Eine BLDC-Motorsteuerung für diesen Motor verwendet Sensoren, um die Position des Motors zu erfassen und schaltet den Strom in der Wicklung mit Transistoren.
Ein DC-Bürstenmotorsteuerung (BDC-Motorsteuerung) regelt die Drehzahl und das Drehmoment, indem er die Leistung des Motors mithilfe eines Linearreglers oder Spannungsschaltreglers ändert. Ein Linearregler liefert unabhängig von der Eingangsspannung, mit der er über eine Stromquelle versorgt wird, eine stabile Ausgangsspannung. Ein Schaltregler verwendet eine Pulsweitenmodulation (PWM) und liefert die Spannung in Impulsen. Dies bedeutet, dass wir die Drehzahl des Motors durch Einstellen der Puls-Tastverhältnisse regulieren können. Mit höherem Wirkungsgrad und geringer Verlustleistung ist die PWM weit verbreitet in der Drehzahlregelung von DC-Motoren.
Industrielle Servomotorsteuerung
Bei einem Servomotor erfolgt die Steuerung über eine Rückkopplungsschleife zwischen dem Motor und dem Regler. Die Position und Geschwindigkeit des Motors wird mit im Motor integrierten Encodern erfasst.
Servomotoren werden durch ein Pulsweitenmodulationssignal (PWM-Signal) angetrieben, das über die Steuerleitung gesendet wird, während der Motor mit Strom versorgt wird. Der Rotor im Servomotor dreht sich je nach Pulsweite um einen bestimmten Winkel. Dies bedeutet, dass das Tastverhältnis die Endposition der Welle bestimmt.
Einer der großen Vorteile eines Servomotors ist seine Möglichkeit, seine Position zwischen den Betätigungsschritten zu halten. Wenn eine äußere Kraft den Rotor von seiner befohlenen stationären Position abbringt, erfasst der Encoder diese Abweichung und veranlasst die Steuerung, gegen die äußere Kraft zu fahren, wodurch die Position des Rotors konstant gehalten wird.
Industrielle Schrittmotorsteuerung
Ein Schrittmotortreiber steuert einen Schrittmotor, indem er seine genaue Position ohne Verwendung eines Rückkopplungssystems steuert. Diese Treiber verwenden in der Regel eine variable Stromregelung sowie mehrere Schrittauflösungen.
Sie enthalten feste Translatoren, mit denen der Motor sowohl mit Richtungs- als auch mit Schritteingängen gesteuert werden kann. Dies sind die Hauptsignale und sie können ohne Weiteres von einem kostengünstigen Mikrocontroller wie einem Arduino oder Raspberry Pi bereitgestellt werden.
Das Richtungssignal, wenn es auf logisch high (+5 V) eingestellt ist, teilt dem Motor mit, in welche Richtung er sich bewegen soll. Je nach voreilender Phase dreht sich der Motor im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn. Wenn das Signal auf low (GND) eingestellt ist, bewegt sich der Motor in die entgegengesetzte Richtung.
Das Schrittsignal bestimmt die Schrittauflösung. Wenn dies auf den vollen Schritt eingestellt ist, bewegt sich der Motor von einer Schrittposition zur nächsten. Wenn der Motor jedoch im Halbschrittmodus eingestellt ist, macht er einen Halbschritt.
Zusammenfassung
Als Arbeitstier der Industrie spielen Elektromotoren eine entscheidende Rolle bei der Herstellung, der Verarbeitung und dem Transport von Gütern und Materialien. Vom Mahlen und Mischen bis hin zu Förderern, Kühlern, Verdichtern und vielen weiteren Anwendungen sind Motoren die tragende Säule der modernen Produktion.
Neben der Bereitstellung der rohen Gewalt für einfache Bewegungen müssen Motoren auch gesteuert werden, um den effektivsten und effizientesten Beitrag zu einem Fertigungsprozess zu leisten. Die Steuerung eines Motors mit dem richtigen Antrieb hilft dabei, eine maximale Energieeffizienz zu erreichen, sorgt für eine verlängerte Lebensdauer und trägt zur präzisen Steuerung von Prozessen bei, was eine qualitativ hochwertige Produktion ermöglicht.
