Feldschwächungs-Geschwindigkeitsregelung in Kranantriebssystemen: Prinzipien und Implementierung

Die Drehzahlregelung mittels Feldschwächung im Kranantrieb wird häufig in Hebezeugen eingesetzt, um die Betriebseffizienz zu verbessern. Das Grundprinzip ist einfach: Der Motor läuft im Leerlauf mit maximaler Drehzahl, unter Volllast mit Nenndrehzahl und verwendet eine berechnete Feldschwächungskurve, um die optimale Drehzahl für Lasten zwischen Volllast und Leerlauf zu ermitteln.

Bei Hebezeugantrieben von Brücken- und Portalkranen trägt dies dazu bei, die Hubgeschwindigkeit im Leerlauf oder bei geringer Last zu erhöhen, die Hubzeit zu verkürzen, den Arbeitszyklus zu verkürzen und die Produktivität der Ausrüstung zu verbessern.

Bei einigen Sonderanwendungen müssen die eigenen Konstruktionsdaten beachtet werden. Beispielsweise kann bei einem Schiffbau-Portalkran die Betriebsdrehzahl unter Volllast niedriger als die Nenndrehzahl sein, wenn die Leerlauf-, Halblast- und Volllastdrehzahlen 3, 6 bzw. 9 m/min betragen und das Feldschwächungsverhältnis des Motors nicht das Dreifache der Nenndrehzahl erreichen kann.

Die folgende Erläuterung verwendet Containerbrückenkrane und Schiffsentlader als Beispiele, da beide hohe Effizienzanforderungen stellen. Die Last eines Hebemechanismus erreicht nicht in jedem Zyklus die Nennlast. Bei einem Containerbrückenkran liegt das Containergewicht üblicherweise zwischen 3 und 40 Tonnen, abhängig von der Ladung. Bei schwerer Last ist die Hubgeschwindigkeit geringer. Bei leichter Last kann die Hubgeschwindigkeit erhöht werden, wodurch sich die Zykluszeit der Anlage verkürzt.

Die Betriebsbedingungen eines Schiffsbeladers sind vergleichsweise einfach. Während der Volllukenphase erfolgt die Greiferentladung üblicherweise unter Volllast. Beim Öffnen des Greifers ist der Mechanismus nur geringfügig belastet, sodass das System hauptsächlich hohe und niedrige Geschwindigkeitsbereiche benötigt. In der Reinigungsphase variiert das Gewicht des jeweils aufgenommenen Materials stark. Unter diesen Bedingungen kann ein Betrieb mit geringer Last und hoher Geschwindigkeit den Arbeitszyklus deutlich verkürzen.

Prinzip der Feldschwächungs-Drehzahlregelung

Wie in Abb. 1-1 dargestellt, repräsentiert die durchgezogene Linie den Zusammenhang zwischen Drehzahl und Leistung, während die gestrichelte Linie den Zusammenhang zwischen Drehzahl und Drehmoment darstellt.

Beschleunigt der Motor von null auf die Nenndrehzahl n_N, ist die Motorleistung proportional zur Drehzahl, während das Drehmoment konstant bleibt. Dieser Bereich wird als Kennlinie mit konstantem Drehmoment bezeichnet.

Wenn der Motor von der Nenndrehzahl n_N bis zur maximalen Drehzahl n_max läuft, bleibt die Motorleistung konstant bei Nennleistung, während das Drehmoment umgekehrt proportional zur Drehzahl ist. Dieser Bereich wird als Konstantleistungsbereich bezeichnet.

Die Kurven S1, S3-60%, S3-40% und S3-25% in Abb. 1-1 beziehen sich auf die Motorleistung und werden nur beispielhaft dargestellt.

Sobald die Last die Nennlast erreicht, läuft der Motor unterhalb der Nenndrehzahl und bleibt im Konstantdrehmomentbereich. Das Ausgangsdrehmoment kann konstant bleiben, während die Ausgangsleistung von der Motordrehzahl abhängt.

Bei Lasten unterhalb der Nennlast kann der Motor in den Feldschwächungsbereich wechseln und mit über Nenndrehzahl laufen. In diesem Konstantleistungsbereich bleibt die Ausgangsleistung konstant, während das Ausgangsdrehmoment mit steigender Motordrehzahl abnimmt.

Bei der Konstruktion müssen die Spannungsgrenzkennlinie und die mechanische Drehzahlgrenze sorgfältig berücksichtigt werden. Im tatsächlichen Betrieb sollte ein angemessener Sicherheitsabstand zu diesen Grenzwerten eingehalten werden.

Feldschwächungskurve und Lastgewichtserkennung

Die Feldschwächungskurve lässt sich aus den mechanischen Kennwerten berechnen und wird üblicherweise vom Originalhersteller (OEM) bereitgestellt. Sobald die Feldschwächungskurve vorliegt, kann sie mit einer gewissen Toleranz, z. B. 5%, im Steuerungsprogramm konfiguriert werden.

Die Voraussetzung für eine lastabhängige Drehzahlregelung ist die genaue Erfassung des Lastgewichts. In der Praxis stellt die Lasterfassung oft eine der größten Herausforderungen dar.

Methode 1: Lasterkennung mittels Wägesensor

Während des Hebevorgangs berechnet das SPS-Programm das Lastgewicht anhand des analogen Ausgangssignals des Wiegesensors. Anschließend ermittelt es die Soll-Motordrehzahl aus dem Lastgewicht und der Feldschwächungskurve und sendet diese an den Frequenzumrichter, sodass der Motor mit der berechneten Drehzahl läuft.

Die Daten des Wiegesensors können jedoch abweichen, und die Messgenauigkeit ist schwer zu gewährleisten. Dies birgt ein hohes Risiko. Ist die berechnete Feldschwächungsgeschwindigkeit ungenau, kann die Geschwindigkeit zu hoch sein, während das Drehmoment des Hebezeugmotors unzureichend ist. Dies kann zu einem Kontrollverlust, beispielsweise durch Überdrehzahl, führen.

Methode 2: Lastabschätzung anhand des Motorstroms

Um das Genauigkeitsproblem von Wägesensoren zu beheben, kann ein gängiges Lastschätzungsverfahren in das SPS-Programm implementiert werden. Der Motorstrom des Hebezeugs kann zur Berechnung des Lastgewichts herangezogen werden. Im stationären Motorbetrieb ist das Motordrehmoment proportional zum Lastgewicht, und der Motorstrom ist annähernd proportional zum Drehmoment. Daher kann der Motorstrom zur Schätzung des Lastgewichts verwendet werden.

Wie in Abb. 1-2 dargestellt, setzt sich das Motordrehmoment während der Beschleunigung aus vier Teilen zusammen, wobei M_LOAD proportional zur Last ist.

Der Proportionalitätskoeffizient K zwischen Motorstrom A und Last T muss durch tatsächliche Messung während der Inbetriebnahme ermittelt werden:

T = K x A

Die Messmethode ist wie folgt:

• Heben Sie eine bekannte Last T_LOAD an, bis sie über dem Boden schwebt, und beschleunigen Sie sie dann aus dem Stillstand auf die Basisgeschwindigkeit bzw. Nenngeschwindigkeit.
• Ermitteln Sie den Motorstrom A. Die Strommessung muss während der Beschleunigungsphase erfolgen, da die Feldschwächungsgeschwindigkeit anhand des Lastgewichts während der Beschleunigung berechnet werden muss. Um die Datengenauigkeit zu verbessern, wird eine Messung in der Mitte der Beschleunigung empfohlen. Beträgt die Beschleunigungszeit von null auf die Nenndrehzahl beispielsweise 3 Sekunden, kann die Messung nach 1,5 Sekunden Betriebsdauer beginnen. Messen Sie alle 100 ms, erfassen Sie insgesamt 5 Messwerte und verwenden Sie den Mittelwert dieser 5 Messwerte als Motorstrom A_M.
• K berechnen: K = T_LOAD / A_M
• Lesen Sie während des Betriebs den Stromwert A mit derselben Methode ab. Berechnen Sie anschließend die Lastgewichte mit der Formel T = K x A und kombinieren Sie das Ergebnis mit der Feldschwächungskurve, um die Feldschwächungsgeschwindigkeit des Motors zu ermitteln.

Wichtige Punkte:

• Aus Sicherheitsgründen sollte der Motor, falls die Strommessung fehlschlägt oder das Messergebnis unsicher ist, nur mit Nenndrehzahl betrieben werden.
• Die während des Aufziehens berechnete Feldschwächungsgeschwindigkeit kann auch als Referenz für das Absenken verwendet werden.
• Nach jedem Arbeitszyklus muss die Feldschwächungsgeschwindigkeit auf die Nenngeschwindigkeit zurückgesetzt werden. Die Sollgeschwindigkeit darf erst aktualisiert werden, nachdem eine gültige Feldschwächungsgeschwindigkeit neu berechnet wurde.

Siemens Implementierungs- und Nachrüstungshinweise

Frühe Siemens-Systeme nutzten Technologiekarten wie die T300, die die Feldschwächungs-Drehzahlregelung integrierten. Anwender benötigten lediglich eine einfache Anwendungsentwicklung und eine sorgfältige Inbetriebnahme vor Ort. Die T300 wurde neben der CUVC-Karte im Elektronikgehäuse Masterdrive 6SE70 installiert, und ein EPROM wurde in die T300 eingesetzt, sodass das Programm im EPROM gespeichert wurde.

Mit dem neueren Antriebssystem SINAMICS entwickelte Siemens das Kransteuerungs-Softwarepaket SIMOCRANE auf der SIMOTION-Plattform. Es umfasste Krantechnologieprogramme wie die feldschwächungsgesteuerte Drehzahlregelung. Mit der Abschaffung von SIMOTION wurde SIMOCRANE auf die Hardwareplattform CU320 übertragen und unterstützt weiterhin die feldschwächungsgesteuerte Drehzahlregelung.

Nachrüstungsprojekte erfordern besondere Aufmerksamkeit. Der T300 ist nicht mit einem SINAMICS-System kompatibel, daher müssen seine Funktionen auf eine SPS, CU320 oder eine andere Plattform migriert werden. Andernfalls könnte ein Kran mit Feldschwächungsfunktion zu einem Kran mit nur zwei Geschwindigkeiten – hoher und niedriger Geschwindigkeit – umgebaut werden.

Nachdem Funktionsprinzip und Implementierungsmethode verstanden wurden, kann das Projektteam entscheiden, ob die Funktion selbst entwickelt oder ein ausgereiftes Softwarepaket erworben wird. Für technische Anwendungen ist es wichtig, nicht nur die Funktion selbst zu kennen, sondern auch zu verstehen, warum sie funktioniert.

Cindy

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Ich bin Cindy, habe 10 Jahre Berufserfahrung in der Kranbranche und eine Fülle an Fachwissen angesammelt. Ich habe für über 500 Kunden die zufriedenstellendsten Kräne ausgewählt. Wenn Sie irgendwelche Bedürfnisse oder Fragen zu Kränen haben, können Sie sich gerne an mich wenden. Ich werde mein Fachwissen und meine praktische Erfahrung nutzen, um Ihnen bei der Lösung des Problems zu helfen!