Es gibt vier Arten von Motorlasten für die industrielle Automatisierung:
1. Einstellbare Leistung und konstantes Drehmoment: Zu den Anwendungen mit variabler Leistung und konstantem Drehmoment gehören Förderbänder, Kräne und Zahnradpumpen. In diesen Anwendungen ist das Drehmoment konstant, da die Last konstant ist. Die erforderliche Leistung kann je nach Anwendung variieren, weshalb AC- und DC-Motoren mit konstanter Drehzahl eine gute Wahl sind.
2. Variables Drehmoment und konstante Leistung: Ein Beispiel für Anwendungen mit variablem Drehmoment und konstanter Leistung ist das maschinelle Aufwickeln von Papier. Die Geschwindigkeit des Materials bleibt gleich, d. h. die Leistung ändert sich nicht. Mit zunehmendem Rollendurchmesser ändert sich jedoch die Belastung. In kleinen Systemen ist dies eine gute Anwendung für Gleichstrom- oder Servomotoren. Auch die regenerative Energie spielt eine Rolle und sollte bei der Dimensionierung eines Industriemotors oder der Wahl einer Energieregelungsmethode berücksichtigt werden. Wechselstrommotoren mit Encoder, Regelung und Vollquadrantenantrieb können in größeren Systemen von Vorteil sein.
3. Einstellbare Leistung und Drehmoment: Lüfter, Kreiselpumpen und Rührwerke benötigen variable Leistung und Drehmoment. Mit zunehmender Drehzahl eines Industriemotors steigt auch die Lastleistung mit der benötigten Leistung und dem Drehmoment. Bei diesen Lastarten beginnt die Diskussion über die Motoreffizienz, da Wechselrichter Wechselstrommotoren mit Frequenzumrichtern (VSDs) versorgen.
4. Positions- oder Drehmomentregelung: Anwendungen wie Linearantriebe, die eine präzise Bewegung in mehrere Positionen erfordern, erfordern eine präzise Positions- oder Drehmomentregelung und oft eine Rückmeldung zur Überprüfung der korrekten Motorposition. Servo- oder Schrittmotoren sind für diese Anwendungen die beste Wahl. In Stahl- oder Papierproduktionslinien und ähnlichen Anwendungen werden jedoch häufig Gleichstrommotoren mit Rückmeldung oder Wechselrichter-Wechselstrommotoren mit Encodern eingesetzt.
Verschiedene Industriemotortypen
Obwohl es in industriellen Anwendungen mehr als 36 Arten von AC/DC-Motoren gibt, gibt es bei industriellen Anwendungen viele Überschneidungen. Der Markt hat sich daher bemüht, die Auswahl an Motoren zu vereinfachen. Dies schränkt die praktische Auswahl an Motoren in den meisten Anwendungen ein. Die sechs gängigsten Motortypen, die für die überwiegende Mehrheit der Anwendungen geeignet sind, sind bürstenlose und bürstenbehaftete Gleichstrommotoren, AC-Käfigläufermotoren sowie Servo- und Schrittmotoren. Diese Motortypen eignen sich für die überwiegende Mehrheit der Anwendungen, während andere Typen nur für spezielle Anwendungen verwendet werden.
Drei Haupttypen industrieller Motoranwendungen
Die drei Hauptanwendungen von Industriemotoren sind konstante Drehzahl, variable Drehzahl und Positions- bzw. Drehmomentregelung. Unterschiedliche industrielle Automatisierungssituationen erfordern unterschiedliche Anwendungen und Probleme sowie jeweils eigene Problemstellungen. Liegt beispielsweise die Maximaldrehzahl unter der Referenzdrehzahl des Motors, ist ein Getriebe erforderlich. Dadurch kann auch ein kleinerer Motor mit einer effizienteren Drehzahl laufen. Zwar gibt es online zahlreiche Informationen zur Bestimmung der Motorgröße, doch müssen Anwender aufgrund der vielen Details viele Faktoren berücksichtigen. Die Berechnung von Lastträgheit, Drehmoment und Drehzahl erfordert Kenntnisse über Parameter wie Gesamtmasse und -größe (Radius) der Last sowie Reibung, Getriebeverluste und Maschinenzyklus. Laständerungen, Beschleunigungs- und Verzögerungsgeschwindigkeit sowie der Arbeitszyklus der Anwendung müssen ebenfalls berücksichtigt werden, da Industriemotoren sonst überhitzen können. Wechselstrom-Induktionsmotoren sind eine beliebte Wahl für industrielle Drehbewegungsanwendungen. Neben der Auswahl von Motortyp und -größe müssen Anwender auch Umgebungsbedingungen und Motorgehäusetypen, wie z. B. offene Rahmen oder Edelstahlgehäuse, berücksichtigen.
So wählen Sie einen Industriemotor aus
Drei Hauptprobleme bei der Auswahl von Industriemotoren
1. Apps mit konstanter Geschwindigkeit?
Bei Anwendungen mit konstanter Drehzahl läuft der Motor typischerweise mit einer ähnlichen Geschwindigkeit, wobei Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen kaum oder gar nicht berücksichtigt werden. Diese Art von Anwendung läuft typischerweise mit Vollleitungs-Ein/Aus-Steuerungen. Der Steuerkreis besteht üblicherweise aus einer Abzweigsicherung mit Schütz, einem industriellen Motorschutzschalter und einer manuellen Motorsteuerung oder einem Sanftanlaufgerät. Sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstrommotoren eignen sich für Anwendungen mit konstanter Drehzahl. Gleichstrommotoren bieten volles Drehmoment bei Nulldrehzahl und verfügen über eine große Montagefläche. Wechselstrommotoren sind zudem eine gute Wahl, da sie einen hohen Leistungsfaktor haben und wenig Wartung erfordern. Im Gegensatz dazu wären die hohen Leistungsmerkmale eines Servo- oder Schrittmotors für eine einfache Anwendung als übertrieben anzusehen.
2. App mit variabler Geschwindigkeit?
Anwendungen mit variabler Drehzahl erfordern typischerweise kompakte Drehzahlen und Drehzahlvariationen sowie definierte Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen. In der Praxis wird die Drehzahl von Industriemotoren wie Lüftern und Kreiselpumpen üblicherweise reduziert, um die Effizienz zu verbessern, indem die Leistungsaufnahme an die Last angepasst wird, anstatt sie mit voller Drehzahl laufen zu lassen und die Leistung zu drosseln oder zu unterdrücken. Dies ist 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 Wechselstrom- als auch Gleichstrommotoren mit entsprechenden Antrieben eignen sich gut für Anwendungen mit variabler Drehzahl. Gleichstrommotoren und Antriebskonfigurationen waren lange Zeit die einzige Wahl für Motoren mit variabler Drehzahl, und ihre Komponenten wurden entwickelt und bewährt. Gleichstrommotoren sind auch heute noch in Anwendungen mit variabler Drehzahl und Teilleistung beliebt und eignen sich für Anwendungen mit niedriger Drehzahl, da sie bei niedrigen Drehzahlen das volle Drehmoment und bei verschiedenen Drehzahlen ein konstantes Drehmoment liefern. Die Wartung von Gleichstrommotoren ist jedoch ein wichtiges Thema, da viele von ihnen eine Kommutierung mit Bürsten erfordern und durch den Kontakt mit beweglichen Teilen verschleißen. Bürstenlose Gleichstrommotoren beseitigen dieses Problem, sind aber in der Anschaffung teurer und die Auswahl an Industriemotoren ist kleiner. Bei Wechselstrom-Induktionsmotoren tritt kein Bürstenverschleiß auf, während Frequenzumrichter (VFDS) eine nützliche Option für Anwendungen mit mehr als 1 PS, wie Lüfter und Pumpen, darstellen und die Effizienz steigern können. Die Wahl des Antriebstyps für den Betrieb eines Industriemotors kann die Positionserkennung verbessern. Bei Bedarf kann dem Motor ein Encoder hinzugefügt und ein Antrieb für die Verwendung von Encoder-Feedback spezifiziert werden. Dadurch können mit diesem Aufbau servoähnliche Geschwindigkeiten erreicht werden.
3. Benötigen Sie eine Positionskontrolle?
Eine präzise Positionsregelung wird durch die ständige Überprüfung der Motorposition während der Bewegung erreicht. Anwendungen wie die Positionierung von Linearantrieben können Schrittmotoren mit oder ohne Feedback oder Servomotoren mit integriertem Feedback verwenden. Der Schrittmotor fährt präzise mit moderater Geschwindigkeit eine Position an und hält diese anschließend. Ein offenes Schrittmotorsystem bietet bei richtiger Dimensionierung eine leistungsstarke Positionsregelung. Ohne Feedback führt der Schrittmotor die exakte Schrittzahl aus, sofern er nicht auf eine Lastunterbrechung stößt, die seine Kapazität übersteigt. Mit zunehmender Geschwindigkeit und Dynamik der Anwendung erfüllt die offene Schrittmotorsteuerung möglicherweise nicht mehr die Anforderungen des Systems. In diesem Fall ist ein Upgrade auf ein Schrittmotor- oder Servomotorsystem mit Feedback erforderlich. Ein geschlossenes System bietet präzise, schnelle Bewegungsprofile und eine präzise Positionsregelung. Servosysteme liefern bei hohen Geschwindigkeiten höhere Drehmomente als Schrittmotoren und arbeiten auch bei hochdynamischen Lasten oder komplexen Bewegungsanwendungen besser. Für Hochleistungsbewegungen mit geringem Positionsüberschwingen sollte die reflektierte Lastträgheit möglichst der Trägheit des Servomotors entsprechen. In manchen Anwendungen ist eine Abweichung von bis zu 10:1 ausreichend, optimal ist jedoch eine 1:1-Übereinstimmung. Eine gute Möglichkeit, das Problem der Trägheitsfehlanpassung zu lösen, ist die Untersetzung, da die Trägheit der reflektierten Last um das Quadrat des Übersetzungsverhältnisses sinkt. Allerdings muss die Trägheit des Getriebes bei der Berechnung berücksichtigt werden.
Veröffentlichungszeit: 16. Juni 2023