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antriebstechnik 10/2020

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antriebstechnik 10/2020

UMRICHTERTECHNIK DER

UMRICHTERTECHNIK DER EINSTEIN-ELEVATOR FALLTURM MIT FREQUENZUMRICHTER Komplexe physikalische und produktionstechnische Experimente für Anwendungen im Weltraum führt die Leibniz Universität Hannover in einem Fallturm durch, dem Einstein- Elevator. Darin erzeugen die Wissenschaftler variable Gravitationsbedingungen bis hin zu vier Sekunden Schwerelosigkeit. Der Antrieb, sowie die Mess-, Regel- und Führungstechnik der Anlage sind extrem anspruchsvoll. Giuseppe Savoca ist Vertriebsleiter Antriebstechnik Deutschland bei Gefran in Seligenstadt Viele Unternehmen und Wissenschaftler träumen von einer Basis auf dem Mond. Eine ressourcensparende Methode für Fabrikation auf dem Erdtrabanten wäre es, den Mondstaub per 3D-Druck in Geräte und Baumaterial zu verwandeln. Im Projekt Moonrise entwickeln das Laser Zentrum Hannover e. V. und das Institut für Raumfahrtsysteme (IRAS) der Technischen Universität Braunschweig zu diesem Zweck einen Laser, der Mondstaub aufschmelzen und in feste Kugeln verwandeln soll. „Das ist ein erster Schritt, um später den 3D-Druck auf den Mond zu bringen“, berichtet Prof. Dr.-Ing. Ludger Overmeyer, Leiter des Instituts für Transport- und Automatisierungstechnik (ITA) der Leibniz Universität Hannover sowie Vorsitzender des wissenschaftlichen Direktoriums am Laser Zentrum Hannover e. V. und Projektleiter des Moonrise-Projektes. „Produktions- oder Bearbeitungsprozesse müssen dabei unter ganz anderen Gravitationsbedingungen als auf der Erde stattfinden.“ Um außerirdische Umgebungsbedingungen zu simulieren, hat das ITA gemeinsam mit dem Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität Hannover ein Großprojekt auf die Beine gestellt: Den Einstein- Elevator, einen außergewöhnlich variablen Fallturm. Während die Wiederholrate bei anderen Falltürmen bei nur etwa zwei bis drei Versuchen am Tag liegt, kann im Einstein-Elevator maximal alle vier Minuten ein neuer Durchlauf stattfinden. Anstelle von großen Vakuumkammern und freiem Fall, wie sonst üblich, saust hier eine Versuchskammer in Form einer Gondel an Schienen geführt in enormer Geschwindigkeit auf und ab. Der Einstein-Elevator ist die erste Anlage weltweit, die neben Schwerelosigkeit auch unterschiedliche Gravitationsbedingungen simulieren kann. In der Gondel haben experimentelle Aufbauten mit einem Durchmesser von 1,7 Metern und einer Höhe von 2 Metern bei einem maximalen Gewicht von 1 000 Kilogramm Platz. MEISTERWERK INTERDISZIPLINÄRER INGENIEURSKUNST „Der Einstein-Elevator vereint die Antriebstechnik aus dem Achterbahnbau mit der Positioniergenauigkeit einer Werkzeugmaschine“, so Overmeyer. Die Herausforderung besteht darin, große Lasten mit sehr hoher Geschwindigkeit zu bewegen und punktgenau wieder abzubremsen. Dies bedarf hoher Motorleistung, präziser Mess-, Regelund Führungstechnik und einen hohen Automatisierungsgrad. Für den Gleichlauf sind darüber hinaus die Umrichter von großer Bedeutung. In der Anlage sind drei unabhängige Antriebsstränge verbaut. Zwei davon dienen zum Beschleunigen der Gondel. „Pro Strang werden fünf Frequenzumrichter der ADV200 Baureihe von Gefran mit einer Leistung von jeweils 400 kW zzgl. Überlast von bis zu 180 Prozent parallelgeschaltet. So ist es möglich, die Anlage sehr symmetrisch nach oben zu bewegen“, erklärt Christoph Lotz, Projektmanager für den Einstein-Elevator am ITA. Der dritte Antriebsstrang dient der Regelung der Schwebehöhe (Schwerelosigkeit) und der Erzeugung variabler Beschleunigungen. 16 antriebstechnik 2020/10 www.antriebstechnik.de

Das ausgeklügelte Antriebs-, Brems- und Steuerungssystem für den Fahrtablauf des Einstein-Elevators inklusive Schweberegelung hat die Intrasys GmbH gemeinsam mit der Leibniz Universität Hannover entwickelt. Damit kann die tonnenschwere Gondel mit 5 g vertikal in 0,5 Sekunden auf 72 km/h beschleunigt und sicher wieder abgebremst werden. Die Linearantriebe des Unternehmens benötigen dafür für wenige Sekunden sehr hohe Ströme. „Bei einem Abschuss der Gondel wird eine große Menge an Energie durch die Gefran-Umrichter aus dem Supercap-Energiespeicher der Stercom GmbH entnommen und an die Statoren weitergegeben“, erläutert Dr. Tobias Hollmer, Geschäftsführer Forschung und Entwicklung bei Intrasys, das Funktionsprinzip des Antriebs. Dort erzeugt der Strom ein magnetisches Feld, welches dann mit einem Magnetfeld wechselwirkt und das Fahrzeug antreibt. Im Einstein-Elevator kommen nicht nur Standard-, sondern auch Sonderkomponenten des Antriebsherstellers zum Einsatz, die individuell für den Fallturm entwickelt wurden. „Im Gegensatz zu unseren bewährten Achterbahnantrieben mussten wir hier zum Beispiel eine wesentlich präzisere Positionserfassung realisieren“, erklärt Hollmer weiter. „So konnten wir die hohen Anforderungen an die Regelgenauigkeit der Anlage einhalten.“ Um der Dynamik der Anwendung gerecht zu werden, setzt das Unternehmen darüber hinaus eine eigens entwickelte Methode zur optischen Datenübertragung ein. MESSEN UND REGELN IM EINSTEIN-ELEVATOR Von entscheidender Bedeutung ist auch das nahtlose Zusammenspiel der Steuerung mit der Messtechnik. „Unsere Sensoren befinden sich direkt an der Gondel und senden Daten in Echtzeit an den Antrieb, der unten im Turm verbaut ist“, erläutert Christoph Lotz vom ITA. „Die Herausforderung bestand dabei nicht nur aus den hohen Geschwindigkeiten, sondern auch aus der weiten Übertragungsstrecke im 40 Meter hohen Fallturm.“ Um die genaue Schweberegelung realisieren zu können hat Intrasys zudem eine neue Anlagensteuerung entwickelt und ein speziell konstruiertes Magnetjoch eingesetzt, welches eine deutliche Gewichtsreduktion erzielt. „Mit dieser Anlage haben wir definitiv technisches Neuland betreten“, so Hollmer. „Aus meiner Sicht ist die Kombination aus einer so hohen Antriebsleistung mit bis zu fünf Megawatt und einer exakten Regelgenauigkeit – die es ermöglicht, die Schwebehöhe des Experiments in der Gondel bis auf wenige Millimeter genau konstant zu halten – besonders beeindruckend.“ Als während der Planung des Fallturms klar wurde, dass eine so hohe Leistung für den Antrieb nicht einfach aus dem Netz gezogen werden kann, kam die Firma Stercom ins Spiel, die sich auf den Aufbau von Hochleistungsspeichern spezialisiert hat. „Wenn man die Gefran-Umrichter einfach an das Stromnetz angeschlossen hätte, damit sie aus der Wechselspannung eine DC-Spannung er- | AT12-17G | Multiachs-Servosystem AX8000: Minimale Zykluszeit, maximale Leistung Schneller Strom- und Lageregler: ■ Stromregler-Reaktionszeit 1 µs ■ Stromregler-Zykluszeit 62,5 µs (bis zu 16 µs) ■ Drehzahlregel-Zykluszeit 62,5 µs (bis zu 32 µs) ■ Lageregler-Zykluszeiten 62,5 µs ■ EtherCAT-Zykluszeit 62,5 µs connect The digital automation hub 24. – 26.11.2020 Virtuell www.beckhoff.de/AX8000 Das AX8000-System komplettiert die hochskalierbare Beckhoff Antriebstechnik. Das modular kombinierbare Multiachs-Servosystem AX8000 bringt Hochleistungs-Antriebstechnik mit optimierter Raumausnutzung in den Schaltschrank. Der AX8000 ermöglicht gleichmäßigere Bewegungsabläufe durch erhöhte Abtastraten und somit eine optimierte Produktqualität. Die Strommessung erfolgt innerhalb 1 µs in einem FPGA. 01 Schnitt durch die Konstruktion des Einstein-Elevators

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