Anforderungen an die Antriebstechnik

Bei der Konzeption und Auslegung der Elektroantriebe ging A. Ben Salems Team neue Wege, einfach deshalb, weil die bekannte und vorhan dene Technik aus der Schubert-Schublade den Anforderungen des kompakten und schnellen Cobots nicht gewachsen war. Die beiden Hauptachsen sind mit 400-V-, die drei Nebenachsen mit 48-V-Antrieben bestückt. Vor allem die beiden großen Antriebe sind durch die schnellen Start-Stopp-Zyklen hoch belastet, weshalb auch die Motoren spezielle Sonderausführungen sind. Bei der Suche nach einem passenden Servo-Umrichter musste das Team auf den recht knapp bemessenen Bauraum in der Säule des Cobots Rücksicht nehmen. Zum Einsatz kommt ein kompakter Servo-Umrichter mit einem hocheffizienten Entwärmungskonzept. In der Prototypenphase wurde der Cobot mit Bremswiderständen betrieben, was bei den kurzen Zyklen und hohen Bremsleistungen allerdings zu hohen Verlustleistungen geführt hat. Es musste eine andere Lösung her, denn bei Schubert fühlt man sich unter dem Stichwort „Mission Blue“ der Nachhaltigkeit besonders verpflichtet. Auf der Suche nach Alternativen für die Bremswiderständeschieden die Kondensator-Module des Servo-Umrichters aus Platzmangel aus. Eine Netzrückspeisung verwarfen die Entwickler aus mehreren Gründen. Die Entscheidung fiel auf das aktive Energiemanagementgerät PxtFX (Bild 2) von Koch [2].

In seiner kleinsten Ausbaustufe passt das Gerät perfekt zur Anwendung und zur gesamten mechanischen Konfiguration. Direkt an den Gleichstrom-Zwischenkreis des ServoUmrichters angeschlossen, übernimmt der PxtFX die Bremsenergie aktiv und schnell in seinen Elektrolytkondensator, bei Beschleunigung schießt er die zwischengespeicherte Energie so schnell wieder zu, dass die Zwischenkreisspannung erst dann abfällt, wenn der Speicherleer ist und Energie aus dem Netz gebraucht wird. Pro Pick-and-place-Zyklus, also je zwei Beschleunigungen und Bremsvorgängen, werden weit über 1 kJ kinetische Energie frei, die der PxtFX sammelt und dem System zurückgibt. Bei 90 Zyklen pro Minute wird die Energieeinsparung signifikant, die dann bei der CO2-Bilanzierung und auch bei der Stromrechnung deutlich zu spüren ist.

Außerdem arbeitet das Gerät bei diesem elektronisch geregelten Rein-Raus der elektrischen Energierecht verlustarm, sodass in Kombination mit dem ermöglichten Verzicht auf die Bremswiderstände das Umfeld von der üblichen Wärmeentwicklung weitgehend verschont wird. Dies ist ein großer Trumpf des Cobot unter anderem in der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie. Der PxtFX ist im Cobot verbaut. Über die geringe Wärmeentwicklung hinaus gibt es keine heißen Luftströme oder Oberflächen, also auch keine Verbrennungsgefahr.

Das Geheimnis der Geschwindigkeit

Die hohen Geschwindigkeiten und die vielen Zyklen sind letztlich nur wegen des PxtFX dauerhaft erreichbar. Würde die Energie bei jedem Zyklus aus dem Netz kommen und die Bremsenergie per Bremswiderstand abgeführt, dann wären die Spannungshübe im Zwischenkreis des ServoUmrichters derart heftig, dass die Lebensdauer der Zwischenkreiskapazität schon nach kurzer Zeit gefährdet wäre. Wahrscheinlich wäre zudem insgesamt die thermische Belastung des Umrichters zu hoch, sodass als Konsequenz die Geschwindigkeit und damit die Zyklenanzahl von vornherein deutlich niedriger anzusetzen wäre. Das aktive Energiemanagement beruhigt den Spannungsverlauf im ServoUmrichter stark, und diese Reserven sorgen dafür, dass nicht die Antriebselektronik, sondern die Motoren oder sogar die Mechanik des Roboters die begrenzenden Faktoren im System Cobot werden.

Der PxtFX baut in diesem Einsatzfall auch deshalb sehr kompakt, weil er als Speicher nur einen einzigen großen Elektrolytkondensator benötigt. Im Gegensatz zu Kondensatoren, die einen Ripple ausgleichen müssen, lässt sich die Speicherfähigkeit des Kondensators im Gerät fast komplett nutzen. Möglich ist ein Bereich von 30 V bis 450 V. Rund 100 Mio. Zyklen werden als Zielgröße genannt, was ein guter Wert für Maschinenbauanwendungen ist. Dafür wurde der Kondensator in enger Zusammenarbeit zwischen Koch und dem Herstellerspeziell auf diese Anforderung hin entwickelt. Das „Aktive“ beim PxtFX bedeutet eine elektronische Trennung zwischen der Zwischenkreis- und der Kondensatorspannung. Die Elektronik des Geräts sorgt für den reibungslosen Übergang zwischen den beiden Spannungsleveln in Antrieb und Speicher, die auf die Anforderungen der Cobot-Anwendung jeweils konfigurierbar sind. Für die hohen Leistungsanforderungen des Cobots reichten 30 V nicht aus, denn schließlich gilt die Formel Spannung mal Strom für die Leistung auf beiden Seiten der PxtFX-Elektronik.