Prüfstandsantrieb: Highspeed durch Frequenzumrichter

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Die Aufgabe von Frequenzumrichtern in Hochgeschwindigkeitsanwendungen besteht darin, die erforderliche Drehfeldfrequenz bereitzustellen. Jedoch können längst nicht alle Frequenzumrichter die nötige Leistung erbringen. Bei einem Kunden des Spindelherstellers GMN kam es zu genau diesem Szenario.

Als bei GMN in einem Prüfstandsantrieb in Kombination mit einem Standard-Frequenzumrichter Performance-Probleme auftraten, wandte man sich an den Hochgeschwindigkeitsexperten Sieb & Meyer. Dank des Frequenzumrichters SD2M mit Drei-Level-Technologie können nun die vollen Leistungsdaten der Spindel erreicht werden.

Der Prüfstandsantrieb als Testobjekt

Aufgrund der notwendigen hohen Drehfeldfrequenz und des geringen Rotorvolumens benötigen Hochgeschwindigkeitsmotoren den zum Betrieb geeigneten Frequenzumrichter. Wenn das nicht gewährleistet ist, treten unweigerlich Probleme auf. „Bei einem unserer asiatischen Kunden war das leider der Fall“, so Dr. Bernd Möller, Leiter Engineering Spindeltechnik bei GMN. „Wir hatten seit 2011 bereits drei Prototypen von Hochgeschwindigkeitsmotoren geliefert, bei denen die volle Performance der Spindel aber nicht erreicht werden konnte.“ Der Kunde hatte sich zwischenzeitlich mit der verminderten Leistung begnügt, trat im Jahr 2019 aber doch an GMN und Sieb & Meyer heran – mit der Bitte, einen besser geeigneten Frequenzumrichter zu finden, mit dem sich die Anforderungen auf ganzer Linie erfüllen lassen.

Zwei Unternehmen – ein gemeinsamer Nenner

Zwischen den beiden Unternehmen besteht schon lange eine gute und erfolgreiche Partnerschaft. Beide haben sich auf Hochgeschwindigkeitsanwendungen spezialisiert. GMN produziert neben Maschinenspindeln auch Hochpräzisionskugellager, Freiläufe und berührungslose Dichtungen. Sieb & Meyer entwickelt und fertigt unter anderem Frequenzumrichter, die für die Hochgeschwindigkeitsspindeln von GMN eine ideale Ergänzung darstellen. „Unsere Geräte werden schon seit vielen Jahren in Kombination mit GMN-Spindeln eingesetzt“, erläutert Rolf Gerhardt, Leiter Vertrieb Antriebselektronik bei Sieb & Meyer. „Besonders sinnvoll ist das bei Spindeln für das Innenschleifen, denn hier müssen hohe Drehzahlen erreicht werden.“

Neben vielen Standardanwendungen haben die Unternehmen bereits eine Reihe von Sonderprojekten zusammen umgesetzt: darunter Frässpindeln für die Hochleistungs-Aluminiumbearbeitung mit einer Dauerleistung von 120 Kilowatt bei 30.000 Umdrehungen pro Minute, die im Bereich Aerospace zum Einsatz kommen. Aber auch ein Wasserstoffpumpen-Antrieb mit 120 Kilowatt bei 21.000 Umdrehungen pro Minute und ein Prüfstandsmotor mit maximal 40.000 Umdrehungen pro Minute und einer Leistung von 63 Kilowatt im Dauerbetrieb stehen auf der Liste der gemeinsam realisierten Lösungen.

Im vorliegenden Fall liefert GMN seinem Kunden einen individuell konzipierten Prüfstandsantrieb. Der Hochgeschwindigkeitsmotor basiert zwar auf einer Katalog-Innenschleifspindel, wurde jedoch speziell an die Anforderungen angepasst. Bei der Spindel handelt es sich um den Typ HV-P 120 – ein Allroundprodukt für Schleif-, Fräs- und Bohranwendungen mit hohen Steifigkeits- und Leistungsanforderungen. In dieser Sonderausführung ermöglicht ein integrierter Synchronmotor die erforderliche hohe Drehzahl und Leistung von 35 Kilowatt im Dauerbetrieb bei 60.000 Umdrehungen pro Minute; aufgrund des vierpoligen Motors ergibt sich eine maximale Drehfeldfrequenz von zwei Kilohertz. Jedoch gibt es auf dem Markt keinen Standard-Frequenzumrichter, der diese Kennzahlen unterstützen kann. Der Kunde versuchte es dennoch – mit dem Resultat, dass die angegebenen Leistungsdaten der Schleifspindel nicht ausgeschöpft werden konnten.

Prüfstandsantrieb: Zu viele Verluste, zu wenig Leistung

„Der verwendete Frequenzumrichter konnte die hohen Frequenzen nicht erzielen und erzeugte zu viele Verluste“, so Möller. „Das ist so, als würde man einen Dieselmotor in ein Formel-1-Auto einbauen – es kann einfach nicht gutgehen.“ Sieb & Meyer prüfte im ersten Schritt, welcher Frequenzumrichter aus dem breit aufgestellten SD2x-Sortiment am besten für diese spezielle Anwendung geeignet ist. Die Wahl fiel schließlich auf den SD2M. Dieses Gerät basiert auf der Multi-Level-Technologie und ist gerade im Bereich von Hochgeschwindigkeitsapplikationen mit hohen Leistungen ein wahrer Alleskönner. Besonders in Anwendungen wie Werkzeugmaschinen oder Prüfständen kann die Lösung ihre Vorteile ausspielen: „Unserer Auffassung nach ist der SD2M das einzige Gerät auf dem Markt, das für solche Motoren die erforderliche Leistungsfähigkeit bietet“, betont Möller. „Abgesehen vielleicht von komplizierten Lösungen mit zusätzlichen LC-Filtern, die in diesem Leistungsbereich aber doppelt so teuer und sehr viel unhandlicher sind.“

Gemeinsame Tests bewiesen: Der SD2M ist tatsächlich der richtige Frequenzumrichter für diese Prüfstandsanwendung. „Wir haben die Performance des Motors in Kombination mit unserem Frequenzumrichter eingehend geprüft“, so Gerhardt. „Es konnten die vollen Leistungsdaten erreicht werden.“ Die Drei-Level-Technologie des Frequenzumrichters SD2M sowie Schaltfrequenzen bis 16 Kilohertz gewährleisten eine sehr gute Stromqualität, sodass im Motor möglichst geringe Verluste entstehen und der Gesamtwirkungsgrad steigt. So lässt sich eine übermäßige ­Rotor-Erwärmung verhindern und die Lagerbelastung sowie die Isolationsbeanspruchung reduzieren. Teure LC-Filter können dank des Frequenzumrichters entfallen. Nicht zuletzt verfügt das Gerät über eine sehr kompakte Baugröße, benötigt somit wenig Platz und senkt insgesamt die Systemkosten. „Unser Kunde ist sehr zufrieden mit der Lösung“, so Möller.

Frequenzumrichter für Werkzeugmaschinen sind eine Spezialität von Sieb & Meyer. „Wir haben es hier mit ganz besonderen Anforderungen zu tun“, so Gerhardt. „So muss beim Innenrundschleifen zum Beispiel ein sensorloser Betrieb von Asynchron- und Synchronspindeln bis 250.000 Umdrehungen pro Minute ermöglicht werden. Dabei darf sich der Motor jedoch nur geringfügig erwärmen, um die sensiblen Materialien nicht zu gefährden und eine hohe Qualität der Bearbeitung zu gewährleisten.“ Eine weitere wichtige Rolle spielt die Flexibilität der Maschine: Ein einfacher und schneller Wechsel zwischen unterschiedlichen Schleifspindeln muss möglich sein – entsprechend sollten sich verschiedene Motorparametersätze speichern lassen. Oftmals werden zudem Funktionen wie eine hochdynamische Wirklasterkennung gefordert.

Das System speichert bis zu 64 Motorparametersätze

Kundenspezifische Frequenzumrichter wie für den Prüfstandsantrieb entstehen auch auf Basis des Frequenzumrichters SD2S, mit dem sich der Betrieb von Schleifmaschinen besonders komfortabel gestaltet: Das System kann bis zu 64 Motorparametersätze speichern. Die Anwahl der Parametersätze kann über die digitalen Eingänge codiert werden oder alternativ über verschiedene Feldbussysteme wie etwa Profinet oder Ethercat erfolgen. Darüber hinaus erlauben die integrierten Technologiefunktionen für die Anfunkerkennung (Werkzeug berührt Werkstück) einen effizienten Maschinenbetrieb. Möglich sind auch Lösungen auf Basis des Mehrachs-Systems SD2 für Multiachsanwendungen.

Hier können die Anwender zudem auf die sensorlosen Sicherheitsfunktionen SFM (Safe Frequency Monitor – sicherer Stillstandsmonitor) und SLOF (Safe Limited Output Frequency – sicher begrenztes Drehfeld) zurückgreifen. Universelle Motorgeber-Auswertungen und vielfältige Anbindungsmöglichkeiten zur übergeordneten Steuerung erlauben die einfache Adaptierung an wechselnde Systemanforderungen. So bleiben Anwender ganz flexibel – und die nötige Leistung ist immer garantiert.

Der Autor Markus Finselberger arbeitet als Key Account Manager Antriebselektronik bei Sieb & Meyer.

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