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01  Für die Spindelantriebe der verschiedenen Maschinen müssen unterschiedliche Frequenzen ausgewertet werden, was über einen Frequenzumrichter mit einem Signalgeber in Kombination mit einem Drehzahlwächter sehr aufwendig ist

Drehzahlüberwachung einfach und effektiv

02  R. Kurz, Verantwortlicher für die elektrische Ausrüstung von Maschinen im Produktbereich Profilieren der Weinig AG:„Unsere spezifischen Vorstellungen an eine optimale Lösung und die Kompetenz der ­Sensorspezialisten von Ipf  Electronic haben sich ideal ergänzt und uns letztendlich ans Ziel geführt“

03  Lösung mit zwei separaten Bauteilen. Eine Motorleitungsader wird durch eine Ringkernspule direkt unterhalb des ­Frequenzumrichters geführt, wodurch bereits ein Großteil der EMV-Störungen gedämpft wird

04  Jeder Platz auf der Hutschiene zählt. Im Vergleich zum Vorgänger­gerät wurde eine wesentlich kompaktere mit der aktuellen DIN EN 13849-1 konforme Lösung entwickelt

05  Nach der Inbetriebnahme des digitalen Motor-Überdrehzahlschutzes wird dessen Vorderseite mit einem Siegel versehen, um nachträgliche oder versehentliche Manipulationen zu verhindern

Der Betrieb von Elektromotoren über Frequenzumrichter hat sich in der Industrie vielfach bewährt. Dennoch gibt es immer wieder Einsatzfelder, in denen sich der geforderte Überdrehzahlschutz von Elektroantrieben nur unter großem Aufwand mit einem Signalgeber in Kombination mit einem Drehzahlwächter realisieren lässt. Vor dem Problem stand auch ein führender Hersteller von Maschinen für die Massivholzbearbeitung, die Weinig AG . Es konnte durch eine gemeinsame Entwicklung mit der Ipf Electronic gelöst werden.

Die Michael Weinig AG mit Hauptsitz in Tauber­bischofsheim ist Teil der weltweit agierenden Weinig-Gruppe. „Wenn es um die Entwicklung und die Produktion von Maschinen und Anlagen zur Massivholzbearbeitung geht, sind wir sicherlich Spezialisten. Immerhin haben wir uns mit dem Zukauf von Unternehmen in Deutschland, Schweden und der Schweiz sowie der Neugründung eines Unternehmens in China seit 1992 erfolgreich mit der ­Gruppe als Komplettanbieter für die Massivholzbearbeitung positioniert“, erklärt Dipl.-Ing. (BA) Rainer Kurz, der im Produktbereich Profilieren der Weinig AG für die elektrische Ausrüstung der Maschinen zuständig ist.
Aber auch Spezialisten stehen mitunter vor Herausforderungen, die sich nicht schnell und damit einfach lösen lassen, wie R. Kurz nur zu gut weiß: „Im Zusammenhang mit unseren Kehlmaschinen für die Längsbearbeitung unter anderem von Produkten aus Massivholz ergab sich im Hinblick auf die DIN EN 12750 zur Sicherheit von Holzbearbeitungsmaschinen eine ganz konkrete Problemstellung bei der Drehzahlüberwachung der Spindelantriebe.“
Vereinfacht formuliert verpflichtet die Norm die Hersteller dafür zu sorgen, dass ein Spindelantrieb in einer Maschine, der über einen Frequenzumrichter betrieben wird, 10 % ­seiner eingestellten Maximaldrehzahl nicht überschreitet. Diese ­Sicher­heitsfunktion ist über einen Frequenzumrichter nur mit erheblichem Zusatzaufwand oder durch Einsatz von neuen, aber kostspieligen Geräten zu realisieren (Bild 1). Schließlich kann die vom Umrichter abgegebene Frequenz steigen, wenn er defekt oder gestört ist. Daher verlangt die DIN EN 12750 eine zusätzliche Absicherung, die eine reale Messung der abgegebenen Frequenz ermöglicht.

Drehzahlüberwachung von Spindelantrieben
„Unser erster Gedanke bestand darin, dass die wirtschaft­liche Einhaltung der Norm demnach nur mit einem separaten Gerät sichergestellt werden kann“, so R. Kurz (Bild 2). Damals gab es hierfür auch schon bewährte Lösungen, zum Beispiel der Anbau von induktiven Sensoren oder Drehimpulsgebern an den Antrieb und die Überwachung der Drehzahl über entsprechende Auswertegeräte.
Auch der Weinig -Experte präferierte zunächst eine derartige Lösung: „Wir stellten jedoch sehr schnell fest, dass die Sensoren durch die Magnetfelder unserer Drehstrom-Asynchronmotoren negativ beeinflusst wurden. Darüber hinaus war die gesamte Montage und Installation nicht gerade einfach, denn zusätzlich zum Anbau der Sensoren musste das Ganze ja auch noch verdrahtet werden – eine aufwendige Prozedur. Zu bedenken ist in diesem Zusammenhang außer­dem die Wirtschaftlichkeit einer solchen Lösung. Werden Standardantriebe wie Drehstrom-Asynchronmotoren in irgend­einer Form modifiziert, etwa durch induktive Sensoren, dann steigen die Kosten antriebsseitig immens.“

Information aus der modulierten Frequenz
Folgerichtig stellte man sich bei der Weinig AG die Frage, ob die Anforderungen nicht auch anders erfüllt werden konnten. Der Ansatz bestand darin, aus der modulierten Frequenz, die ein Umrichter an den Antrieb abgibt, eine Information zu erhalten, die der Spindeldrehzahl entspricht und einen Motor-Überdrehzahlschutz ermöglicht. „Es gab auch einen Lieferanten, der in der Lage war ein derartiges Gerät zu realisieren. Allerdings hatte diese Lösung den entscheidenden Nachteil, dass eine Ader der Motorzuleitung selbst durch das Gerät geführt werden musste. Hier gab es Probleme mit der EMV-Schirmung der Leitung, die wir normalerweise direkt am Frequenzumrichter aufnehmen“, berichtet R. Kurz und ergänzt: „Wir sprechen hier teilweise von 75-kW-Motoren als Spindelantriebe für unsere Hochleistungsmaschinen, die einen entsprechend dicken Kabelquerschnitt haben. Das ganze Handling erwies sich daher als äußerst schwierig.“
Ein weiteres Problem bestand darin, dass das Gerät und damit die gesamte Elektronik in einem EMV-belasteten Bereich installiert werden musste, womit im Grunde schon potenzielle Störungen vorprogrammiert waren. „Außerdem wollte der Geräteentwickler am Ende den Übergang von der alten Norm auf die neue DIN EN ISO 13849-1 nur bedingt mitgehen. Da uns der technische Ansatz für die Lösung zudem zu aufwendig erschien, mussten wir einen Partner finden, der mit uns gemeinsam eine neue Lösung entwickelte“, so der Verantwortliche für die elektrische Ausrüstung der Weinig AG .

Vereinfachte Überwachung
Einen solchen Partner fand Weinig schließlich in Ipf Elec­tronic . Gemeinsam mit dem Sensorspezialisten wurde eine Lösung entwickelt, die eine vereinfachte Überwachung von frequenzgeregelten Elektromotoren ermöglicht (Bild 3). Das Überwachungsmodul VY86 kontrolliert die Drehzahl über die Frequenz, die der Frequenzumrichter an den Motor überträgt. Hierzu wird ein 50-A- oder 100-A-Stromwandler auf eine Ader der Motorzuleitung aufgesteckt und mit dem Modul verbunden, das die aufgenommene Frequenz mit einer zuvor eingelernten Maximalfrequenz vergleicht (Bild 4). Wird dieser Wert um eine mit einem Potentiometer einstellbare Toleranz von 1 % bis 5 % überschritten, schaltet das Gerät ein Alarmrelais, welches den Antrieb abschaltet.
Der VY86 ist für die Überwachung einer Frequenz zwischen 10 Hz und 800 Hz einsetzbar, benötigt lediglich DC 24 V als Versorgungsspannung und mit einer Breite von 35,6 mm nur wenig Platz auf der Hutschiene im Schaltschrank. Das verwendete Relais ist als Wechsler für AC 250 V/1,5 A ausgelegt. Durch das neuartige Verfahren bleiben der Stromwandler und die Auswertung im Schaltschrank; die aufwendige Montage eines Signalgebers entfällt. Auch die Nachrüstung von bestehenden Anlagen mit dem VY86 ist somit kein Problem.

Erweiterte Sicherheitsfunktionen
Die Anforderungen der DIN EN ISO 13849-1 an eine stufen­lose Drehzahlüberwachung für Frequenzumrichter verlangen unter anderem von den hierfür verwendeten Geräten spezifische Sicherheitsfunktionen. So muss ein Sensor mit integriertem Mikroprozessor beispielsweise über eine Watchdog-Funktion verfügen. Daher hat Ipf Electronic den digitalen Motor-Überdrehzahlschutz mit zusätzlichen Überwachungsfunktionen ausgestattet. Überprüft wird ­unter anderem die Funktion des Hauptprozessors, der interne Speicher, das zwangsgeführte Ausgangsrelais sowie das Signal vom Stromwandler.

Implementierung mit Hindernissen
„Was sich bei der Beschreibung dieses Projekts so reibungslos anhört, stellte sich in der Praxis zunächst jedoch anders dar. Im Grund ist das auch kein Wunder, denn wer auch immer behauptet, bei der Implementierung einer Neuentwicklung sei alles ohne Probleme verlaufen, dessen Aussage darf angezweifelt oder zumindest kritisch hinterfragt werden“, meint R. Kurz.
Der Entwickler von Weinig spricht damit die Probleme an, die zunächst mit dem VY86 beim Bremsen der Spindelantriebe mittels Gleichspannung auftraten. Die dadurch ­erzeugten Induktionsspannungen lagen in ­einem Frequenzbereich die vom Überwachungsmodul als Überdrehzahl „missinterpretiert“ wurden, was zur Abschaltung des Antriebs führte. „­Dieses Problem konnte aber von Ipf Electronic durch eine entsprechende Programmierung des Controllers behoben werden, die diese ‚Fehlfunktion‘ im Bremsfall unterdrückt“, berichtet R. Kurz, der sich angesichts der erreichten Ergebnisse in der Zusammenarbeit mit dem Sensorspezialisten sehr zufrieden zeigt.

Einfache Bedienung
Der Einrichter fährt den Antrieb nun lediglich auf Maximaldrehzahl. Ist diese erreicht, wird die dazugehörige Frequenz an dem digitalen Motor-Überdrehzahlschutz geteacht und über einen Poti die maximal zulässige Frequenzabweichung eingestellt. Die Bedienung ist somit viel einfacher geworden.
Mit der Entwicklung des digitalen Motor-Überdrehzahlschutzes für Frequenzumrichter lassen sich nun Elektromotoren noch einfacher überwachen (Bild 5). Dass diese Neuentwicklung insbesondere in Open-Loop-Anwendungen und damit bei Antrieben ohne Drehzahlrückführung Potenziale birgt, zeigt die konkrete ­Anwendung bei der Weinig AG . Der Motor-Überdrehzahlschutz wird zudem mittlerweile auch in der Druckmaschinenindustrie eingesetzt. Genauer im Bereich des sogenannten sicheren Vorschubs, bei dem mehrere Druck­werke über eine Kardanwelle beim Einrichten der Maschine aufeinander synchronisiert ­werden.

Aus drei mach eins
Ein Spezialist wäre kein Spezialist, hätte er nicht das Bestreben, auch eine nun reibungslos funktionierende Lösung weiter zu optimieren. Das gilt aus Sicht von R. Kurz auch für die ­Weinig AG : „Hinsichtlich der unterschiedlichen Frequenzen, die wir für die Spindelantriebe der verschiedenen Maschinen auswerten müssen – das sind bis zu 70 Hz bei unseren Standard­maschinen, bis zu 300 Hz bei unseren High-Speed-Aggregaten und bis zu 800 Hz im Falle unserer Hochgeschwindigkeitsspindeln – hatten wir in der Vergangenheit drei Geräte. Momentan arbeiten wir in Kooperation mit Ipf Elec­tronic daran, auf Grundlage der bislang gewonnenen Erfahrungen und im Abgleich mit aktuell bestehenden Normen nur noch ein Gerät für alle frequenzgeregelten Spindelantriebe einzuführen.“ (no)

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Autor: Karsten Schaller ist Vertriebs­ingenieur bei der Ipf Electronic GmbH in Lüdenscheid.