Antriebstechnik Warum sich für die mobile Automation ein Umstieg auf elektrische Antriebe lohnt

Autor / Redakteur: Andreas Leu* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Energie sparen ist das Gebot der Zukunft – was in vielen Bereichen neue – energieeffiziente – Technologien erfordert. Ein gutes Beispiel dafür liefert Jetter mit einem Doppelumrichter, der speziell für mobile Arbeitsmaschinen im Außenbereich konzipiert ist. Diese Branche ist derzeit noch auf Verbrennungsmotoren mit Hydraulikantrieben eingestellt.

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Kartoffelernter beim erfolgreichen Feldversuch mit elektrischem Radantrieb.
Kartoffelernter beim erfolgreichen Feldversuch mit elektrischem Radantrieb.
(Bild: eberl-foto.de)

Mobile Automation ist momentan in, und das nicht von ungefähr, denn es geht um einen sehr schnell wachsenden Markt. Bisher handelte es sich bei der Elektrifizierung mobiler Maschinen entweder um den Einsatz von Steuerungen mit digitalen oder analogen Ein- oder Ausgangssignalen oder um Bediengeräte. Der Antrieb selbst wurde in der Regel entweder über eine Über- oder Untersetzung vom Hauptantrieb oder über ein hydraulisches System realisiert.

Die Tatsache dass die Energieeffizienz gesteigert und der CO2-Ausstoß gesenkt werden muss, macht einen Wandel hin zu elektrischen Antrieben unumgänglich. Mit dem Doppel-Frequenzumrichter JetMove-5000 führt der Automatisierungsspezialist Jetter aus Ludwigsburg bereits erfolgreich Feldversuche durch und bietet nun Institutionen und interessierten Unternehmen ein komplettes Starter-Kit für eigene Laborversuche an.

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Die heutige Realität: geringer Wirkungsgrad

Gerade bei Landwirtschaftsmaschinen sind viele starre Antriebe anzutreffen, zum Beispiel bei einem Mähdrescher. Dort sind Antriebe für Mechanismen wie Förderwalze, Häcksler, Überkehr- und Kornschnecke vorhanden. Diese Aggregate werden vom Hauptantrieb, typischerweise ein Dieselmotor, über Riemen angetrieben. Weil diese Verbindung starr ist, lässt sich eine Drehzahländerung nur durch Anpassung mechanischer Komponenten realisieren und ist deshalb nicht geeignet für eine dynamische Optimierung.

Hinsichtlich des Wirkungsgrades ist auch der Hydraulikantrieb einem Elektroantrieb unterlegen. Er wandelt zweimal die Energie, nämlich vom Dieselmotor in die Pumpe, dann in den Hydraulikantrieb. Die besten Hydrauliksysteme erreichen einen Wirkungsgrad von 60 Prozent, bezogen auf die vom Dieselmotor abgegebene mechanische Leistung.

Elektrifizierte Antriebe sorgen für mehr Effizienz

Mit der Elektrifizierung der Antriebe lassen sich die Drehzahlen, die Einsatz- und Umgebungsbedingungen anpassen und entsprechend optimieren. In der Landwirtschaft wird vehement eine Effizienzsteigerung in den nächsten Jahren angestrebt mit dem Ergebnis eines höheren Ertrages bei gleichzeig weniger Verbrauch.

Am Ende geht es darum, dass in naher Zukunft rund neun Milliarden Menschen auf der Erde ernährt werden müssen und gleichzeitig die Umwelt noch weniger belastet wird. Zur Erreichung dieses Ziels spielen, zusammengefasst, folgende Faktoren eine entscheidende Rolle:

  • Geeignete Regelungen, zum Beispiel bei der Düngerausbringung, steigern die Produktivität.
  • Geschlossene Kreisläufe (Rekuperation) steigern die Qualität.
  • Verluste werden vermieden und somit die Biodiversität gesteigert.

Letztendlich zeigt sich, dass die ökologische Landwirtschaft mehr Kenntnisse erfordert als die industrielle Landwirtschaft.

Durch den Einsatz elektrischer Antriebe lässt sich nachweislich die Effizienz durch Optimierung der Prozesse und der Wirkungsgrad des Antriebsstrangs erheblich steigern. Dies zeigen sowohl Tests und Messungen der Technischen Universität Berlin als auch Feldversuche, die Jetter zusammen mit Kunden durchgeführt hat. Diese Technologie wird wesentlich dazu beitragen, dass die Produktivitäts- und Umweltziele erreicht werden.

Vielseitiger Wechselrichter verträgt widrige Umstände

Der neue Frequenzumrichter wurde speziell für die Anwendungen im Außenbereich entwickelt. Dabei handelt es sich häufig um rein gesteuerte Antriebe wie Pumpen oder Lüfter. Damit können aber auch geregelte Antriebe, wie sie für Positionierungen notwendig sind, realisiert werden. Im Klartext heißt dies, dass sich sowohl Synchron- als auch Asynchronmotoren mit oder ohne Rückführung ansteuern lassen, und zwar pro Umrichter zwei Antriebe.

Damit bei widrigen Außenbedingungen ein störungsfreier Betrieb möglich ist, sind einige, gegenüber industriellen Frequenzumrichtern wesentlich härtere Anforderungen an den Umrichter gestellt. So muss das Gerät große Temperaturschwankungen verkraften, über eine hohe Dichtigkeit gegen Staub und Wasser verfügen sowie robust sein gegenüber Stößen und Vibrationen.

Der JetMove 5000 kann bei einer Temperatur von -40 bis 85 °C betrieben werden. Damit der mobile Umrichter diesen großen Temperaturbereich und die hohe Schutzart IP 69K erreicht, wird er mit einem Wasser-/Glycol-Gemisch gekühlt.

Die eingespeiste Zwischenkreisspannung kann zwischen 200 und 800 V Gleichspannung oder bis zu 560 V Wechselspannung betragen. Sie wird entweder direkt vom Netz oder von einem Generator eigespeist. Dieser wird im Außenbetrieb von der Zapfwelle am Traktor betrieben. Als Rückführung der Rotorlage und zur Erfassung der Ist-Drehzahl des Motors lässt sich ein Resolver an den Doppelumrichter anschließen.

Offenheit durch Standardprotokoll

Systemanbieter Jetter offeriert dem Anwender ein komplettes, aufeinander abgestimmtes System – bestehend aus Controller, Bediengerät und Antriebsstrang. Der Doppelumrichter lässt sich jedoch über den in der mobilen Automation etablierten CAN-Bus an Fremdsysteme anbinden. Zur Kommunikation steht das Protokoll CANopen zur Verfügung.

Die Kombination von JetMove 5000 und einem Controller von Jetter bietet dem Anwender den Vorteil, dass er für die Erstellung des Anwenderprogramms die Hochsprache JetSym STX verwenden kann. Diese Programmiersprache für Automationsanwendungen erleichtert die Anbindung des Doppelumrichters und unterstützt den Programmierer mit einem antriebsspezifischen Befehlsumfang.

Vom Labor an die Maschine

Die Lastverhältnisse eines Antriebs für industrielle Anwendungen lassen sich in den meisten Fällen relativ exakt berechnen. In der mobilen Automation und hautsächlich bei landwirtschaftlichen Anwendungen gestaltet sich die Auslegung eines Antriebsstrangs meist schwieriger, da sich die Parameter, etwa die Bodenbeschaffenheit, auch während des Betriebes dynamisch ändern.

Unternehmen, welche auf elektrische Antriebstechnik umsteigen und darin Erfahrungen sammeln möchten, unterstützt Jetter mit einem neu entwickelten und komplett ausgerüsteten Starter-Kit. Weitere mögliche Nutzer sind Institute, Hochschulen und Universitäten oder Unternehmen mit Engineering-Dienstleistungen.

Das gesamte Starter-Kit ist direkt auf einer mit Rollen ausgerüsteten Werkbank installiert und für den Anwender sofort betriebsbereit. Folgende Komponenten sind im Lieferumfang enthalten:

  • Netzgleichrichter 40 kW oder 80 kW (durch „Umklemmen“ auch Gleichstromversorgung möglich);
  • Steuerung JCM-350-03 und Bedieneinheit BTM012
  • bis zu drei Doppelumrichter JetMove 5000;
  • Kühlung für Umrichter und Motoren;
  • Schütz, Not-Aus, Stromversorgung etc.;
  • zwei bis sechs Motoren.

Mit dem Starter-Kit können Anwender schrittweise das Entwicklungsprojekt vom Labor bis zur Maschine abarbeiten.

  • Schritt 1: Schreiben, Testen und Simulieren der Programme im Labor. Dazu kann der Steuerteil abgenommen und auf den Labortisch gestellt werden.
  • Schritt 2: Für den „Trockenlauf“ werden die Motoren von der Werkbank abgenommen und an die Maschine montiert. Der Steuerteil des Starter-Kits kann dafür neben das Implement gestellt werden. Die Stromversorgung erfolgt aus dem Netz. Für den „Trockenlauf“ ist kein Traktor oder PTO (Power take-off, englisch für "Nebenabtrieb") notwendig.
  • Schritt 3: Für den Feldtest lässt sich das Steuerteil auf die Maschine montieren. Die Stromversorgung erfolgt über einen AEF-Stecker vom Traktor oder PTO aus.

Für Unternehmen, die auf elektrische Antriebstechnik umsteigen möchten, lohnt sich die Investition in ein Starter-Kit, da sie einen wesentlichen Teil der Entwicklung und der Tests bereits auf der Werkbank erledigen können.

* Andreas Leu, Technisches Marketing und Seminare, Jetter

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