November 2014
| von Rolf Schneider, Geschäftsführer, Aris Stellantriebe
  • Industrie 4.0 lässt grüßen: Auch bei Stellantrieben ersetzen Hersteller die klassische Mechanik mehr und mehr durch elektronische Lösungen.
  • Programmierung und Überwachung erleichtern nicht nur den Alltag. Auch die Effizienz und Funktionssicherheit verbessern sich bei den neuen Antriebsgenerationen.
  • Die Substitution mechanischer Funktionen gegen elektronische Lösungen steigert die Leistung der Antriebe.

4.096 Schritte zur Genauigkeit
Die Baureihe Flexor basiert auf einem herkömmlichen Stirnradgetriebe in Kombination mit einem klassischen Synchronmotor. Der Motor punktet bauartbedingt mit hohem Selbsthaltemoment und lastunabhängiger, konstanter Drehzahl, die mit der Frequenz des Stromnetzes synchron läuft. Bei der Baureihe ersetzte der Hersteller das komplette mechanische Abschaltsystem durch eine verschleißfreie und berührungslose Positionserfassung, die auf dem Halleffekt basiert. Diese Sensortechnik wurde bereits vor Jahren für den Einsatz in der Automobiltechnik entwickelt und hat sich durch Robustheit, einen weiten Temperaturbereich und hohe Zuverlässigkeit bewährt. Im Stellantrieb wird auf der Abtriebswelle ein Magnet montiert, der sich unter einer Elektronikplatine dreht. Sie ist das Herzstück des Antriebes und besitzt exakt über dem Magneten eine Sensoreinheit als integrierte Schaltung mit mehreren Hallsensoren und einer Auswerteelektronik. Damit erfasst das System die Position des Magneten präzise und ohne mechanische Verbindung. Sie steht anschließend als absolutes Positionssignal mit 12 Bit Auflösung zur Verfügung. 12 Bit sind 4.096 Schritte und bedeuten bei 360° eine Systemauflösung von 0,1°. Dies liegt weit über der möglichen Auflösung mechanischer Sensorik. Die Auswertung der Winkelstellung des Magneten ermöglicht es, dass auch nach einem Spannungsausfall, einem Verstellen des Antriebs im spannungslosen Zustand oder einer Handbetätigung trotzdem die richtige Position eindeutig zu erkennen ist. Auch Multiturn-Anwendungen sind mit diesem System zu realisieren. Gerade hier profitiert der Anwender von der hohen Auflösung, die unabhängig vom Stellbereich konstant hoch bleibt. Bisher musste er beim klassischen Stellantrieb für unterschiedliche Stellwege entsprechend viele Antriebe mit unterschiedlich untersetztem Abschaltsystem vorhalten; jetzt deckt das elektronische System alle Regelmöglichkeiten mit einer Variante ab. Mit der berührungslosen Positionserfassung ist das System praktisch verschleißfrei und ermöglicht konstante Präzision über die gesamte Lebensdauer. Probleme und Langzeitdrifteffekte, die von Umschalthysteresen bei Potenziometern und Schaltpunkthysteresen bei Mikroschaltern herrühren, gehören damit ebenso der Vergangenheit an. In der Summe ergibt sich für den Betreiber eine spürbar höhere Regelgenauigkeit des Gesamtantriebes, die außerdem über die Lebensdauer des Antriebs praktisch konstant bleibt.

Programmierbar bis manuell
Der klassische Stellantrieb, basierend auf Nockenschaltwerken und Mikroschaltern, stößt hier ganz deutlich an seine Grenzen. Neben der exakten Regelung ermöglicht das elektronische Positioniersystem auch eine deutlich einfachere und schnellere Inbetriebnahme. Musste der Anwender beim klassischen Stellantrieb die Endlagen per Schaltnocken einstellen und justieren, erfolgt dies bei der neuen Generation von Stellantrieben des Herstellers schnell und einfach per Programmierung über Taster. Ebenfalls verschleißfrei und langzeitkonstant. Die Programmierung der optionalen Zwischenschalter verdeutlicht noch einmal die Vorteile der elektronischen Positionserfassung: beim klassischen Stellantrieb erfordern unterschiedliche Schaltwinkel auch unterschiedliche Schaltnockenformen. Die elektronische Variante ermöglicht das separate Festlegen von Einschalt- und Ausschaltpunkt per Tastendruck. Damit bestimmt der Anwender vor Ort bei der Inbetriebnahme den optimalen Schaltwinkel und ist nicht mehr gezwungen, im Vorfeld zwischen unterschiedlichen Nockenformen zu unterscheiden. Damit das Personal auch im spannungslosen Zustand des Stellantriebes die Zwischenschalterstellungen unverändert erhält, sind alle optionalen Schaltausgänge mit bistabilen Relais ausgestattet. Darüber kann der Antrieb selbstverständlich auch manuell verfahren werden. Optional ist ein elektronisches Potenziometer erhältlich, das das Istwert-Potenziometer klassischer Stellantriebe nachbildet. Dieses elektronische Potenziometer gibt eine vom Anwender angelegte Spannung bis maximal 10 V DC im Verhältnis der aktuellen Position wieder aus. Sind die Endlagen des Stellantriebes einmal programmiert, ist auch das Potenziometer automatisch auf diesen Bereich justiert. Damit bildet dieses Signal immer exakt den eingestellten Stellbereich ab. Damit ist der Anwender völlig unabhängig von unterschiedlichen Auflösungen mechanischer Potenziometer, die den benötigten Stellbereich nie exakt abbilden konnten. Auch das elektronische Potenziometer des Herstellers arbeitet berührungslos und verschleißfrei.

Erhöhte Anlagensicherheit
Ein weiterer Aspekt der Baureihen ist die Systemschnittstelle, die in Kombination mit der optional angebotenen Software eine Diagnose, Parametrierung und Inbetriebnahme via PC, Tablet oder Smartphone ermöglicht. Antriebe lassen sich so einfach prüfen oder vorkonfigurieren. Sind in einer Anlage mehrere Antreiber mit gleicher Einstellung verbaut, kann der Anwender diese bequem und schnell auf alle Antriebe übertragen. Auch in der Baureihe Tensor sind alle diese Weiterentwicklungen enthalten und konsequent fortgeschrieben. So wurde das klassische Stirnradgetriebe durch ein spielarmes Präzisionsgetriebe mit einer Positioniergenauigkeit von 0,1 ° ersetzt. Der klassische Synchronmotor hat einem elektronisch kommutierten und bürstenlosen Gleichstrommotor, kurz BLDC-Motor, Platz gemacht. Er ist dem Synchronmotor ähnlich, weil sich beide vom Funktionsprinzip her nicht großartig unterscheiden. Während beim Synchronmotor die Netzspannung und Frequenz für Drehzahl und Leistung bestimmend sind, nimmt beim BLDC-Motor eine Elektronik diese Funktion wahr. Daraus ergeben sich Vorteile für den Betreiber, weil jetzt mit der Änderung der Frequenz die Drehzahl des Motors in weiten Bereichen zu stellen ist. Über die Variation der Spannung kann der Anwender jetzt den Drehmoment verändern und steuern. Eine permanente Drehmomentüberwachung schützt Stellantrieb und Armatur dabei zuverlässig vor Überlastung. Über einen Störmeldeausgang ist es möglich, einfach und kostengünstig eine elektronische Drehmomentabschaltung zu realisieren. Betreiber sicherheitsrelevanter Anlagen fordern häufig, dass Armaturen beim Abschalten der Anlage oder im Störfall sehr schnell öffnen oder schließen. Ein klassischer Antrieb ermöglicht nur das Fahren in einer Geschwindigkeit; die „Störfallgeschwindigkeit“ wäre aber viel zu hoch für den Normalbetrieb oder eine vernünftige Regelung und das Drehmoment zu gering. Somit waren bisher oft zwei Armaturen für Schnellschließ- und Regelfunktion erforderlich. Die neue Generation der BLDC-Motoren lässt sich nun optional mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten betreiben. Somit kann die gleiche Armatur schnell öffnen oder schließen, während sie im Regelbetrieb mit geringer Geschwindigkeit und präzise fährt. Über einen optionalen analogen oder digitalen Geschwindigkeitseingang kann der Anwender den Antrieb in seiner Stellzeit stufenlos regeln, womit der Antrieb reine Stellungsregelung oder auch eine PID-Charakteristik optimal abdeckt.

Wenn weniger mehr ist
Während Anwender klassische Stellantriebe, aber auch das aktuelle Stirnradgetriebe des Herstellers, in der richtigen Netzspannung bestellen müssen – weil der Synchronmotor nur dann korrekt arbeitet – stellt sich dieses Problem bei den BLDC-Motoren nicht mehr: Die bisherige Typenvielzahl reduziert sich hier auf zwei Varianten, da ein Schaltnetzteil neben besserem Wirkungsgrad auch einen Weitspannungseingang ermöglicht. Mit 90 bis 254 V AC und 50 bis 60 Hz ist der Anwender weltweit gut aufgestellt. Die zweite Variante deckt mit 24V AC/DC den Niederspannungsbereich ab. Zusätzlich sind optionale Sonderspannungen möglich. BLDC-Motoren besitzen entsprechend ihrer Polzahl Hallsensoren, mit denen die Elektronik die Strangströme des Motors steuert und die elektronische Kommutierung realisiert. Zusätzlich überwacht die Motorsteuerung den Strangstrom selbst. Durch das permanente Überwachen dieser Sensoren, des Hallsensors aus der Positionserfassung und der Motorströme, erhöht sich die Funktionssicherheit. Fehlfunktionen wie eine Bewegung in die falsche Richtung, eine falsche Geschwindigkeit oder eine Überlastung erkennt das System sofort, was zum Abschalten des Antriebs führt. Da der Motor über eine definierte Signalfolge angesteuert wird, ist auch hier eine ungewollte oder gar unkontrollierte Bewegung ausgeschlossen. Damit gehören die bisher typischen Fehler eines klassischen Stellantriebes wie das Überfahren der Endlagenschalter, falsche Drehrichtung aufgrund von defekten Motorkondensatoren oder defekten Schaltern der Vergangenheit an.

Wettbewerbsvorteil für Betreiber
Da beide Antriebe bereits eine Elektronik mit Mikrocontroller enthalten, lassen sich Optionen wie Diagnose-, Programmier- und Feldbus-Schnittstellen oder Regelfunktionen wesentlich einfacher und preisgünstiger realisieren. Mit der elektronischen Abbildung vieler bisher mechanischer Funktionen ergeben sich Steigerungen der Leistung bei gleichzeitiger Kostenersparnis und Reduzierung der Typenvielfalt. So war es dem Hersteller möglich, mit den Baureihen trotz aufwendiger Elektronik in der bekannten Preisstruktur über eine deutlich gesteigerte Sicherheit, höhere Genauigkeit und einfachere Bedienung einen spürbaren Mehrwert und Wettbewerbsvorteil zu realisieren. Das sind starke Argumente für den Einsatz elektronisch geregelter Stellantriebe, die den Stellenwert dieser neuen Antriebsgeneration bereits kurzfristig steigern. Ein starker Fokus der Branche auf eine bessere Energieeffizienz, der wachsende Automatisierungsgrad innerhalb der Industrie sowie Kommunikationsfähigkeit zur Vernetzung sind weitere kommende Wachstumsfaktoren. Top31214

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