antriebstechnik 9/2017

Verschleiß vermeiden

Verschleiß vermeiden Frequenzumrichter sorgen bei Motoren eines Becherwerks für gleiche Lastverteilung Die Wilhelm Weuthen GmbH & Co. KG nutzt für ihre neue Getreideförderung in Jülich ein Becherwerk, das über zwei, an einer starren Achse miteinander verbundene Motoren mit jeweils 45 kW Leistung, angetrieben wird. Um zu garantieren, dass beide Motoren jederzeit gleich belastet werden, rüstete die Gormanns Schaltanlagenbau GmbH beide Motoren mit einem Frequenzumrichter vom Typ Power XL DA1 mit Droop-Funktion von Eaton aus. Philipp Hergarten ist Head of Product Support Drives & Softstarter bei der Eaton Industries GmbH in Bonn Die Wilhelm Weuthen GmbH & Co. KG ist ein Dienstleister für die europäische Kartoffelwirtschaft und handelt zudem mit Getreide, Futtermitteln sowie anderen landwirtschaftlichen Erzeugnissen. Im Rahmen des Neubaus einer vollautomatisierten Getreideförderanlage in ihrer Niederlassung Merzenhausen in Jülich beauftragte Weuthen die Schaltanlagen - bau Gormanns GmbH mit der Realisierung der kompletten elektrischen Versorgung inklusive Schaltanlagenbau sowie der Erstellung und Umsetzung des Antriebsund Automatisierungskonzepts. Gormanns entwickelt Komplettlösungen im Bereich des Schaltanlagenbaus und der Automatisierung. Ursprünglich in der Frisch- und Abwassertechnik zu Hause ist das Unternehmen aus Mönchengladbach inzwischen ein Spezialist für den Neuoder auch Umbau von Schaltanlagen für landwirtschaftliche Betriebe. Die Leistungen reichen dabei von der Planung und Projektierung über die Schaltplanerstellung, den Schaltschrankbau in der eigenen Werkstatt und die Montage beim Anwender vor Ort bis hin zur Erstellung komplexer Automatisierungsprogramme bzw. Prozessleit- und Visualisierungssysteme. Bei der Umsetzung des Projekts ließ Weuthen Gormanns freie Hand. „Weuthen hatte uns den Hersteller der CPU vorgegeben. Ansonsten waren wir völlig frei in der Ausgestaltung. Wichtig waren die termingerechte Fertigstellung und eine einwandfreie Funktion der Anlage“, sagt Sebastian Gormanns, Gründer und Geschäftsführer des Unternehmens. Zwei Antriebe mit starrer Verbindung Im Jülicher Werk von Weuthen wird das per Schlepper angelieferte Getreide in drei Silos mit je knapp 16 m Durchmesser und einer Höhe von 42 m zwischengelagert. Dazu fördert ein Becherwerk bzw. Elevator pro Stunde 100 t loses Getreide auf eine Höhe von 45 m. Von dort gelangt es per Schwerkraft über Rinnen in die Silos. Der Elevator besteht aus 120 Bechern mit einem Fassungsvermögen von jeweils max. 30 kg Getreide an einer zentralen Stahlkette. Diese läuft über eine obere Antriebsstation mit Welle und Motor sowie eine untere Umkehrstation mit Welle. Bei Weuthen besteht der Antrieb aus zwei 45-kW-Standardasynchronmotoren, die über die Antriebswelle starr miteinander verbunden sind. Da die Becher – i. d. R. V-förmige Behälter aus Stahl oder Kunststoff – nicht immer optimal be-

UMRICHTERTECHNIK füllt sind, kann es aufgrund der Verbindung der beiden Motoren durch eine starre Achse zu einer unterschiedlichen mechanischen und elektrischen Belastung der Antriebe kommen. Hierdurch wird ein Motor generatorisch und der zweite noch stärker belastet. Diese ungleiche Lastenverteilung führt auf Dauer zu erhöhtem Verschleiß bis hin zum Motorausfall durch Überlast. Droop-Funktion sorgt für Lastenausgleich Um für einen Lastenausgleich zu sorgen, rüstete Gormanns beide Motoren mit einem Frequenzumrichter mit Droop- Funktion aus. Die Wahl fiel dabei auf Geräte vom Typ Power XL DA1 von Eaton. Der kurzschlusssichere DA1 wurde speziell für Anwendungen in der Fördertechnik entwickelt und besitzt ein hohes Startmoment im leistungsstarken Vektormodus (150 % bei Überlast, 200 % beim Start und Drehzahl 0). Der Frequenzumrichter zeichnet sich zudem durch sichere Betriebszustände mit STO-Funktion (Safe Torque Off) aus und lässt sich flexibel an die Anforderungen der zukünftigen Betreiber anpassen. Die Droop-Funktion wurde entwickelt, um die Last auf die Antriebe ohne eine zusätzliche elektrische Verbindung in jedem Betriebspunkt gleichmäßig aufteilen zu können. In Fällen, in denen wie bei Gormanns drehzahlgeregelte Antriebe durch Formschluss miteinander verbunden sind, übernimmt der jeweils schnellste Antrieb die Last und zieht die anderen Antriebe mit, die dann weniger, im Extremfall gar nicht, belastet werden. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wird der Drehzahlsollwert belastungsabhängig korrigiert. Dazu reduziert die Droop-Funktion bei einer Lasterhöhung den resultierenden Drehzahlsollwert (= vorgegebener Sollwert - Drehzahlreduzierung). Dadurch fällt der schnellste Antrieb in der Drehzahl zurück und die anderen am System beteiligten Antriebe übernehmen automatisch mehr Last. „Die beiden Frequenzumrichter regeln sich dabei allein über die Stromaufnahme ein. Eine anderweitige Kommunikation ist untereinander nicht erforderlich“, erklärt Gormanns. Die Parameter der Droop-Funktion der Frequenzumrichter sind werkseitig bereits eingestellt. Basis dafür sind Erfahrungswerte, mit denen sich in den meisten Fällen gute Ergebnisse erzielen lassen. Dies galt auch für diese Anlage. „Wir kamen mit den werksseitigen Einstellungen perfekt zurecht“, bestätigt der Schaltanlagenbauer. Smartwire-DT reduziert Verkabelungsaufwand 01 Mit der Droop-Funktion des Power XL DA1 lässt sich die Last der beiden Antriebe in jedem Betriebspunkt gleichmäßig aufteilen 02 Die Motorstarterkombinationen sind über Smartwire-DT und ein Profinet-Gateway mit der Steuerung verbunden Zusätzlich zu den Elevatorantrieben kommen in der Getreideförderanlage 52 weitere Antriebe zum Einsatz. Vier Motoren mit Leistungen von 15 und 30 kW dienen zur Auslagerung der eingelagerten Waren. Sie werden ebenfalls über DA1-Frequenzumrichter geregelt. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit des Motors bestimmt werden und damit letztendlich die auszutragende Menge. Das Schalten und Schützen der anderen 48 Antriebe übernehmen Motorstarterkombinationen, die sich aus Motorschutzschaltern, Schützen und elektrischen Verbindern aus Eatons Standardsortiment zusammensetzen. Gormanns entschied sich für PKZ-Motorschutzschalter, die auf die Schützreihe DIL abgestimmt sind. Diese schalten in der Förderanlage die Antriebe mit Betriebsströmen zwischen 3 und 10 A. Die Frequenzumrichter und alle Motorstarterkombinationen sind über das intelligente Verdrahtungssystem Smartwire-DT vernetzt. Dabei versorgt das System die einzelnen Teilnehmer mit Strom und übernimmt gleichzeitig die Datenkommunikation. Auf diese Weise können alle Teilnehmer des Smartwire-DT-Stranges miteinander kommunizieren. Das System lässt sich mithilfe von Gateways an alle gängigen Feldbussysteme anbinden: CANopen, Profibus, Ethernet/IP, Modbus TCP, Profinet, Powerlink, Ethercat sowie Sercos III. Gormanns wählte im vorliegenden Fall Profinet für die Kommunikation der zentralen SPS mit dem Eaton-Gateway und zwei weiteren Feldern. „Mit Smartwire-DT können wir den Verdrahtungsaufwand reduzieren. Das spart nicht nur meterweise Kabel, sondern auch viel Zeit. Was früher Wochen dauerte, ist jetzt in ein paar Tagen erledigt“, so Gormanns. Leistung durch Lastenausgleich Der Frequenzumrichter DA1 von Eaton sorgt aufgrund der Droop-Funktion nicht nur für einen effektiven Lastausgleich der Elevatorantriebe. Er stellt auch eine verlässliche Funktion der Motoren sicher, die damit beide jederzeit ihre volle Leistung ausspielen können. Zudem schont der DA1 durch einen sanften Start/Stopp die Mechanik des Elevators und erlaubt die einfache Anpassung der Fördermenge über die Regelung der Drehzahl. Und nicht zuletzt verhindert der Frequenzumrichter Stromspitzen beim Anfahren der Förderanlage nach einem Stillstand und senkt damit die Stromkosten spürbar. Der Einsatz von Smartwire-DT reduziert den Verdrahtungsaufwand, beschleunigt die Inbetriebnahme und sorgt im laufenden Betrieb für mehr Transparenz. Fotos: Gormanns und Eaton www.eaton.de antriebstechnik 9/2017 61