Es gibt vier Arten von Motorlasten in der industriellen Automatisierung:
1. Variable Leistung und konstantes Drehmoment: Anwendungen mit variabler Leistung und konstantem Drehmoment umfassen Förderbänder, Kräne und Zahnradpumpen. In diesen Anwendungen ist das Drehmoment konstant, da die Last konstant ist. Die benötigte Leistung kann je nach Anwendung variieren, weshalb drehzahlkonstante Wechsel- und Gleichstrommotoren eine gute Wahl darstellen.
2. Variables Drehmoment und konstante Leistung: Ein Beispiel für Anwendungen mit variablem Drehmoment und konstanter Leistung ist das maschinelle Aufwickeln von Papier. Die Materialgeschwindigkeit bleibt konstant, wodurch sich die Leistung nicht ändert. Mit zunehmendem Rollendurchmesser ändert sich jedoch die Last. In kleinen Systemen eignen sich Gleichstrommotoren oder Servomotoren hierfür gut. Auch die Rückspeisung von Energie ist ein wichtiger Aspekt und sollte bei der Dimensionierung eines Industriemotors oder der Auswahl eines Energieregelungsverfahrens berücksichtigt werden. Wechselstrommotoren mit Encodern, Regelung und Vollquadrantenantrieben können in größeren Systemen Vorteile bieten.
3. Variable Leistung und Drehmoment: Ventilatoren, Kreiselpumpen und Rührwerke benötigen variable Leistung und Drehmoment. Mit steigender Drehzahl eines Industriemotors erhöht sich auch die Lastleistung und damit der Bedarf an Leistung und Drehmoment. Bei solchen Lasten beginnt die Diskussion um den Wirkungsgrad von Motoren, wobei Frequenzumrichter Wechselstrommotoren mit drehzahlvariablen Antrieben (FU) belasten.
4. Positions- oder Drehmomentregelung: Anwendungen wie Linearantriebe, die präzise Bewegungen zu mehreren Positionen erfordern, benötigen eine genaue Positions- oder Drehmomentregelung und oft eine Rückmeldung zur Überprüfung der korrekten Motorposition. Servo- oder Schrittmotoren sind für diese Anwendungen die beste Wahl, aber Gleichstrommotoren mit Rückmeldung oder frequenzumrichtergesteuerte Wechselstrommotoren mit Encodern werden häufig in Stahl- oder Papierproduktionslinien und ähnlichen Anwendungen eingesetzt.
Verschiedene Industriemotortypen
Obwohl in industriellen Anwendungen über 36 verschiedene AC/DC-Motorentypen zum Einsatz kommen, gibt es aufgrund der Vielzahl an Typen und der großen Überschneidungen in den Anwendungsbereichen erhebliche Unterschiede. Der Markt hat daher die Auswahl der Motoren vereinfacht, was die praktische Auswahl in den meisten Anwendungen einschränkt. Die sechs gängigsten Motortypen, die für die überwiegende Mehrheit der Anwendungen geeignet sind, sind bürstenlose und bürstenbehaftete Gleichstrommotoren, Wechselstrom-Käfigläufermotoren und -Rotormotoren sowie Servo- und Schrittmotoren. Diese Motortypen decken den Großteil der Anwendungen ab, während andere Typen nur für spezielle Anwendungen verwendet werden.
Drei Hauptarten von Industriemotoranwendungen
Die drei Hauptanwendungen von Industriemotoren sind Drehzahlregelung, Drehzahlregelung und Positions- (oder Drehmoment-)regelung. Unterschiedliche Automatisierungssituationen erfordern unterschiedliche Anwendungen und Problemstellungen. Ist die maximale Drehzahl beispielsweise geringer als die Referenzdrehzahl des Motors, ist ein Getriebe erforderlich. Dadurch kann auch ein kleinerer Motor effizienter betrieben werden. Obwohl online zahlreiche Informationen zur Bestimmung der Motorgröße verfügbar sind, müssen Anwender viele Faktoren berücksichtigen, da zahlreiche Details zu beachten sind. Die Berechnung von Lastträgheitsmoment, Drehmoment und Drehzahl erfordert Kenntnisse über Parameter wie die Gesamtmasse und den Radius der Last sowie Reibung, Getriebeverluste und den Maschinenzyklus. Laständerungen, Beschleunigungs- oder Verzögerungsgeschwindigkeiten und der Betriebszyklus müssen ebenfalls berücksichtigt werden, da Industriemotoren sonst überhitzen können. Drehstrom-Induktionsmotoren sind eine beliebte Wahl für industrielle Drehbewegungsanwendungen. Nach der Auswahl des Motortyps und der Größe müssen Anwender auch Umgebungsfaktoren und Gehäusetypen, wie z. B. offene Rahmen und Edelstahlgehäuse für Anwendungen mit Reinigungsbedarf, berücksichtigen.
Wie man einen Industriemotor auswählt
Drei Hauptprobleme bei der Auswahl von Industriemotoren
1. Apps mit konstanter Geschwindigkeit?
Bei Anwendungen mit konstanter Drehzahl läuft der Motor typischerweise mit einer ähnlichen Drehzahl, wobei Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen kaum oder gar nicht berücksichtigt werden. Solche Anwendungen werden üblicherweise mit einer Ein/Aus-Steuerung realisiert. Der Steuerkreis besteht in der Regel aus einer Sicherung mit Schütz, einem Überlastschutzschalter und einem manuellen Motorregler oder Sanftanlaufgerät. Sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstrommotoren eignen sich für Anwendungen mit konstanter Drehzahl. Gleichstrommotoren bieten volles Drehmoment bei Stillstand und verfügen über eine große Montagefläche. Wechselstrommotoren sind ebenfalls eine gute Wahl, da sie einen hohen Leistungsfaktor aufweisen und wartungsarm sind. Die hohen Leistungsmerkmale eines Servo- oder Schrittmotors wären hingegen für eine einfache Anwendung übertrieben.
2. App mit variabler Geschwindigkeit?
Anwendungen mit variabler Drehzahl erfordern typischerweise kompakte Drehzahl- und Drehzahlvariationen sowie definierte Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen. In der Praxis wird die Drehzahl von Industriemotoren, wie z. B. Ventilatoren und Kreiselpumpen, reduziert, um die Effizienz zu steigern. Dies geschieht durch Anpassung des Stromverbrauchs an die Last, anstatt mit voller Drehzahl zu laufen und die Leistung zu drosseln oder zu reduzieren. Diese Aspekte sind besonders wichtig für Förderanwendungen wie Abfüllanlagen. Die Kombination von Wechselstrommotoren und Frequenzumrichtern (VFDS) wird häufig zur Effizienzsteigerung eingesetzt und bewährt sich in einer Vielzahl von Anwendungen mit variabler Drehzahl. Sowohl Wechsel- als auch Gleichstrommotoren eignen sich mit geeigneten Antrieben für Anwendungen mit variabler Drehzahl. Gleichstrommotoren und Antriebskonfigurationen waren lange Zeit die einzige Wahl für Motoren mit variabler Drehzahl, und ihre Komponenten sind ausgereift und bewährt. Auch heute noch sind Gleichstrommotoren beliebt für Anwendungen mit variabler Drehzahl und geringer Leistung. Sie eignen sich besonders für Anwendungen mit niedriger Drehzahl, da sie bei niedrigen Drehzahlen volles Drehmoment und bei verschiedenen industriellen Motordrehzahlen ein konstantes Drehmoment liefern können. Die Wartung von Gleichstrommotoren ist jedoch ein wichtiger Aspekt, da viele eine Kommutierung mit Bürsten benötigen und durch den Kontakt mit beweglichen Teilen verschleißen. Bürstenlose Gleichstrommotoren lösen dieses Problem, sind aber in der Anschaffung teurer und die Auswahl an Industriemotoren ist geringer. Bei Wechselstrom-Induktionsmotoren tritt kein Bürstenverschleiß auf, während Frequenzumrichter (FU) eine sinnvolle Option für Anwendungen über 1 PS, wie z. B. Lüfter und Pumpen, darstellen und die Effizienz steigern können. Die Wahl des Antriebstyps für einen Industriemotor kann die Positionserkennung verbessern. Bei Bedarf kann ein Encoder am Motor angebracht und ein Umrichter für die Nutzung der Encoder-Rückmeldung spezifiziert werden. Dadurch lassen sich servoähnliche Drehzahlen realisieren.
3. Benötigen Sie eine Positionssteuerung?
Eine präzise Positionsregelung wird durch die kontinuierliche Überprüfung der Motorposition während der Bewegung erreicht. Anwendungen wie Positionier-Linearantriebe können Schrittmotoren mit oder ohne Rückkopplung oder Servomotoren mit integrierter Rückkopplung nutzen. Der Schrittmotor fährt mit moderater Geschwindigkeit präzise eine Position an und hält diese. Ein offenes Schrittmotorsystem bietet bei korrekter Dimensionierung eine leistungsstarke Positionsregelung. Ohne Rückkopplung führt der Schrittmotor die exakte Anzahl an Schritten aus, sofern keine Lastunterbrechung auftritt, die seine Kapazität übersteigt. Steigen Geschwindigkeit und Dynamik der Anwendung, genügt die offene Schrittmotorregelung möglicherweise nicht mehr den Systemanforderungen. In diesem Fall ist ein Upgrade auf ein Schrittmotor- oder Servomotorsystem mit Rückkopplung erforderlich. Ein geschlossenes System ermöglicht präzise Bewegungsprofile bei hohen Geschwindigkeiten und eine genaue Positionsregelung. Servosysteme bieten bei hohen Geschwindigkeiten höhere Drehmomente als Schrittmotoren und eignen sich besser für hohe dynamische Lasten oder komplexe Bewegungsanwendungen. Für eine leistungsstarke Bewegung mit geringem Positionsüberschwingen sollte die reflektierte Lastträgheit möglichst genau der Servomotorträgheit entsprechen. In manchen Anwendungen ist eine Abweichung von bis zu 10:1 ausreichend, optimal ist jedoch eine Übereinstimmung von 1:1. Eine Getriebeuntersetzung ist eine gute Möglichkeit, das Problem der Trägheitsdifferenz zu lösen, da die Trägheit der reflektierten Last um das Quadrat des Übersetzungsverhältnisses reduziert wird. Allerdings muss bei der Berechnung die Trägheit des Getriebes berücksichtigt werden.
Veröffentlichungsdatum: 16. Juni 2023