Bei der elektrischen Antriebstechnik von Industriekränen hat die Wahl des Drehzahlregelungskonzepts direkten Einfluss auf Energieeffizienz, Laufruhe und Lebenszykluskosten. Aktuell dominieren zwei Verfahren: die Vektorregelung mit komplettem Frequenzumrichterantrieb (VVVF) auf IGBT-Basis und die klassische Drehzahlregelung über Läufervorwiderstände bei Schleifringläufermotoren. Beide unterscheiden sich grundlegend in Funktionsprinzip, Wirkungsgrad, Oberschwingungsverhalten und Kostenstruktur – eine falsche Auswahl führt langfristig zu unnötigem Energieverbrauch und steigenden Wartungskosten.

Dieser Beitrag basiert auf einem realen Umbauprojekt der Kelude Schwerindustrie an einem Zweiträger-Brückenkran mit 20 t Tragfähigkeit und 22,5 m Spannweite (Typ QD20/5-22.5 A5). Gemessen wurden beide Antriebskonzepte unter realen Betriebsbedingungen – 6 Betriebsstunden täglich, 300 Tage pro Jahr – hinsichtlich Energieverbrauch, Stromstoßbelastung, Drehzahlregelverhalten und Wartungsaufwand. Die Ergebnisse liefern Herstellern und Betreibern eine quantitative Entscheidungsgrundlage.

Funktionsprinzip im Vergleich: Vektorregelung vs. Vorwiderstände

Die Vektorregelung mit komplettem Frequenzumrichterantrieb basiert auf IGBT-Leistungsmodulen: Die netzfrequente Wechselspannung wird über einen Gleichspannungszwischenkreis gleichgerichtet und anschließend in eine dreiphasige Ausgangsspannung mit unabhängig einstellbarer Frequenz und Amplitude umgeformt. Kernstück ist der Vektorregelungsalgorithmus – der Statorstrom wird in eine Erreger- und eine Drehmomentkomponente zerlegt und jeweils über einen geschlossenen Regelkreis geführt. Dadurch erhält der Asynchronmotor ein Regelverhalten, das dem eines Gleichstrommotors entspricht. Gemäß den Anforderungen der Norm DIN 15018 an Antriebssysteme kann das Frequenzumrichterkonzept über den gesamten Drehzahlbereich ein konstantes Nenndrehmoment bereitstellen.

Die Drehzahlregelung über Läufervorwiderstände nutzt das Schlupfprinzip des Asynchronmotors: Durch das Zuschalten unterschiedlicher Widerstandswerte im Läuferkreis wird der Rotorstrom und damit die Steigung der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie verändert – es ergibt sich eine Stufenregelung. Ein Teil der Schlupfleistung wird dabei als Joule'sche Wärme in den Widerstandskästen dissipiert – die Gehäusetemperatur erreicht 120–200 °C. Die Anzahl der Drehzahlstufen ist durch die Schützumschaltung begrenzt, üblicherweise 4–6 Stufen; eine stufenlose Übergänge sind nicht möglich.

Effizienz, Oberschwingungen und Gesamtkosten im Vergleich

Beim Wirkungsgrad zeigt das Frequenzumrichterkonzept im Nennbetrieb einen Systemwirkungsgrad von etwa 92 %–95 %, während das Vorwiderstandskonzept im Teillastbereich (z. B. 10 % Nenndrehzahl) auf 30 %–40 % abfällt – der Großteil der Schlupfleistung geht als Verlustwärme über die Widerstände verloren. Für den 20-t-Zweiträgerkran mit 6 Betriebsstunden täglich, einer Hubwerksleistung von 45 kW, Katzfahrwerk 11 kW und Kranfahrwerk 2×7,5 kW ergibt sich folgende Rechnung: Der Tagesenergieverbrauch liegt beim Frequenzumrichterantrieb bei ca. 152 kWh, beim Vorwiderstandskonzept bei ca. 217 kWh – eine Differenz von 65 kWh pro Tag. Bei einem Industriestrompreis von 0,75 EUR/kWh entspricht das einer jährlichen Ersparnis von rund 14.600 EUR.

Bei den Oberschwingungen ist am Frequenzumrichtereingang eine Gleichstromdrossel (DCR) sowie eine Netzdrossel (ACR) erforderlich, um die gesamte Oberschwingungsverzerrung (THDi) unter 35 % zu halten und die Grenzwerte der Norm IEEE 519 einzuhalten. Moderne Active-Front-End- (AFE) Gleichrichter reduzieren den THDi auf unter 5 % bei einem Leistungsfaktor nahe 1,0. Das Vorwiderstandskonzept erzeugt zwar keine hochfrequenten Oberschwingungen, doch der niedrige Leistungsfaktor (0,65–0,78) führt ebenfalls zu höheren Leitungsverlusten und einer unnötigen Belegung der Transformatorleistung.

Bei den Kosten sind Investitionsausgaben und Lebenszykluskosten getrennt zu betrachten. Für den 20-t-Zweiträgerkran liegen die Anschaffungskosten für das Frequenzumrichterkonzept (4 Frequenzumrichter, Bremsmodul, Rückspeiseeinheit, Filter, SPS) bei ca. 80.000–150.000 EUR, für das Vorwiderstandskonzept (Widerstandskästen, Schützschrank, Schleifringmotoren) bei ca. 30.000–60.000 EUR. Das Frequenzumrichterkonzept punktet jedoch deutlich bei den Stromkosten (jährliche Ersparnis 12.000–20.000 EUR), den geringeren Wartungskosten (weniger Kohlebürsten- und Schleifringwechsel, weniger Schützkontaktverschleiß) und der verlängerten Motorlebensdauer (langsamere Isolationsalterung). Die Amortisationszeit liegt typischerweise bei 2–4 Jahren.

Energieverbrauch im Praxistest: 20-t-Zweiträgerkran, 6 Stunden täglich

Die Messungen wurden am Versuchskran KL-QD20-2025-003 (20 t × 22,5 m Zweiträger-Brückenkran) im Prüfzentrum des Herstellers durchgeführt. Das Lastprofil simulierte typische Materialtransportaufgaben in einer Bearbeitungswerkstatt: 6 Stunden pro Schicht, Hubwerk in Arbeitsweise S4-40 % (Einschaltdauer 40 %, 30 Hubspiele pro Stunde), Katz- und Kranfahrwerk in S3-25 %. Die Erfassung erfolgte über einen Dreiphasen-Vierleiter-Energiezähler der Klasse 0,5 S, der den Gesamtverbrauch am Einspeisepunkt sowie die Einzelverbräuche der Antriebsaggregate getrennt aufzeichnete.

Ergebnisse: Das Frequenzumrichterkonzept verbrauchte durchschnittlich 148,3 kWh pro Tag (Hubwerk 102,6 kWh, Katzfahrwerk 18,4 kWh, Kranfahrwerk 27,3 kWh), das Vorwiderstandskonzept 215,8 kWh (Hubwerk 156,2 kWh, Katzfahrwerk 22,7 kWh, Kranfahrwerk 36,9 kWh). Der größte Unterschied zeigt sich am Hubwerk: Beim Senken speist das Frequenzumrichterkonzept über Energierückspeisung ca. 18,5 kWh pro Tag ins Netz zurück, während das Vorwiderstandskonzept diese Energie vollständig als Wärme über die Bremswiderstände verliert. Bei 300 Betriebstagen pro Jahr und einem Industriestrompreis von 0,75 EUR/kWh ergibt sich eine jährliche Einsparung von ca. 15.188 EUR.

Anlaufverhalten und Drehzahlstellbereich: vom 3- bis 5-fachen Anlaufstoß zum sanften Start

Der Anlaufstromstoß ist der sichtbarste Leistungsunterschied zwischen beiden Konzepten. Bei der Drehzahlregelung über Vorwiderstände entsteht beim Abschalten der Widerstandsstufen (schrittweises Überbrücken über Schütze) ein Stromimpuls vom 3- bis 5-fachen Nennstrom – gemessen wurden am Hubwerk des 20-t-Krans während des 4-stufigen Umschaltvorgangs Spitzenwerte von 276 A (das 4,06-fache des Nennstroms von 68 A). Diese periodischen Stromstöße beschleunigen nicht nur die Alterung der Wicklungsisolation, sondern verursachen auch Spannungseinbrüche im Werksnetz (gemessene Abweichung 8 %–12 %), die bei anderen Präzisionsgeräten an derselben Sammelschiene den Unterspannungsschutz auslösen können.

Das Frequenzumrichterkonzept steuert die Ausgangsfrequenz über einen Rampenfunktionsgenerator von 0 Hz linear auf den Sollwert – die Beschleunigungszeit ist einstellbar (0,5–30 s). Der Anlaufstrom bleibt während des gesamten Startvorgangs auf das 1,1- bis 1,5-fache des Nennstroms begrenzt, ein Stromstoß findet praktisch nicht statt. Beim Drehzahlstellbereich erreicht die Vektorregelung mit geschlossenem Regelkreis und Encoder-Rückführung einen konstanten Drehmomentbereich von 1:100 (0,5 Hz–50 Hz) – deutlich überlegen gegenüber der Stufenregelung von 1:10 beim Vorwiderstandskonzept. Damit sind Pendeldämpfung, Feinpositionierung und Mikrobewegungen für präzise Arbeitsabläufe möglich.

Energierückspeisung beim Bremsen und Motorlebensdauer

Beim Senken einer Last arbeitet der Motor im generatorischen Betrieb – die potenzielle Energie der Last wird in elektrische Energie umgewandelt. Das Frequenzumrichterkonzept erfasst über das Bremsmodul die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis. Überschreitet diese den Schwellwert (typischerweise 700–750 V DC), wird die Zwischenkreisspannung über den Wechselrichter in eine netzsynchrone Wechselspannung zurückgespeist – der Rückspeisewirkungsgrad liegt bei 85 %–92 %. Am 20-t-Kran wurde beim Senken der vollen Last (6 m/min) eine Rückspeiseleistung von bis zu 18,3 kW gemessen, die täglich zurückgespeiste Energiemenge beträgt ca. 18,5 kWh. Zusätzlich reduziert der Sanftanlauf des Frequenzumrichters die mechanischen Stoßbelastungen: Die Wartungsintervalle für Getriebegehäuse und Bremse verlängern sich von 6–8 Monaten (Vorwiderstandskonzept) auf 18–24 Monate.

Beim Vorwiderstandskonzept wird die regenerative Energie vollständig über die Bremswiderstände in Wärme umgewandelt – ein doppelter Nachteil: Die Energie geht verloren, und die Widerstandskästen benötigen eine zusätzliche Zwangsbelüftung. Bei der Motorlebensdauer wirkt sich die periodische Stromstoßbelastung der Vorwiderstandsregelung beschleunigend auf die thermische Alterung der Rotorwicklungsisolation aus – nach der 10-°C-Regel der Norm IEEE Std 117 halbiert sich die Isolationslebensdauer bei jeder Temperaturerhöhung um 10 °C. Messungen zeigen, dass die mittlere Wicklungstemperatur beim Vorwiderstandskonzept um 18–25 °C höher liegt als beim Frequenzumrichterkonzept – die erwartete Motorlebensdauer sinkt dadurch von 15–20 Jahren auf 6–10 Jahre. Hinzu kommt der mechanische Verschleiß von Schleifring und Kohlebürsten, der regelmäßige Wartungsarbeiten erfordert.

Pendeldämpfung, SPS-Kopplung und CMS-Integration für intelligente Überwachung

Die digitale Steuerungsplattform des Frequenzumrichterkonzepts bildet die Grundlage für die Integration erweiterter Funktionen. Über den integrierten Pendeldämpfungsalgorithmus (Eingabe von Pendellänge und Seilabstand) wird während der Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen der Laufkatze automatisch eine gegenläufige Beschleunigungskurve überlagert – der Pendelwinkel der Last bleibt innerhalb von ±1°, die Positioniergenauigkeit erreicht ±3 mm. Die SPS steuert über PROFINET oder EtherCAT-Feldbus mehrere Frequenzumrichter gleichzeitig und realisiert damit komplexe Abläufe wie die Synchronisation der Kranfahrwerke (Master-Slave-Abweichung <0,5 %) oder die gekoppelte Bewegung von Hubwerk und Katzfahrwerk (automatische Bahnplanung für Rechteck- und Diagonalverfahrwege).

Bei der Zustandsüberwachung überträgt der Frequenzumrichter über den Bus zyklisch Parameter wie Strom, Spannung, Frequenz, Temperatur und Betriebsstunden an das Sicherheitsüberwachungs- und Managementsystem (CMS) des Krans – die Grundlage für Frühwarnung und vorbeugende Wartung. Gemäß den Anforderungen der Norm GB/T 28264 – Sicherheitsüberwachungs- und Managementsystem für Hebezeuge – unterstützt das Frequenzumrichterkonzept die digitale Erfassung aller neun vorgeschriebenen Überwachungsgrößen (Tragfähigkeit, Drehmoment, Weg, Geschwindigkeit usw.) ohne Zusatzaufwand. Beim Vorwiderstandskonzept müssen dagegen separate Sensoren und Erfassungsmodule nachgerüstet werden – die Umbaukosten steigen um ca. 8.000–15.000 EUR.

Im Bereich der Sicherheitsfunktionen erfüllt der integrierte Safe Torque Off (STO) des Frequenzumrichters die Anforderungen der SIL3-Klasse nach IEC 61800-5-2. Nach Auslösung des Not-Aus-Signals wird das Motordrehmoment innerhalb von 2 ms abgeschaltet – deutlich schneller als das Öffnen eines Schützes (ca. 30–50 ms). Die Reaktionszeit der Sicherheitskette des Krans verbessert sich damit erheblich.

Kelude Portalkran: Effiziente Materialumschlaglösungen für die Industrie

Kelude ist ein Hersteller von Industriekränen mit langjähriger Erfahrung im Bereich Materialfluss und Logistik. Unsere Portalkrane werden speziell für anspruchsvolle industrielle Anwendungen entwickelt und bieten eine zuverlässige, wirtschaftliche Lösung für den täglichen Umschlagbetrieb.

Robuste Portalkran-Technik für den Dauerbetrieb

Die Portalkrane von Kelude überzeugen durch ihre massive Bauweise und hohe Betriebsfestigkeit. Sie sind für den kontinuierlichen Einsatz in Werkstätten, Lagerhallen und Produktionsstätten konzipiert. Die Konstruktion folgt anerkannten Normen wie DIN 15018 und FEM 1.001, was eine sichere und langlebige Nutzung gewährleistet.

Das modulare System ermöglicht eine flexible Anpassung an verschiedene Hallengeometrien und Fördergüter. Ob als Einzel- oder Doppelträgerausführung – die Krane lassen sich präzise auf die jeweiligen betrieblichen Anforderungen abstimmen. Eine optional erhältliche Frequenzumrichtersteuerung sorgt für sanfte Fahr- und Hubvorgänge und schont dabei sowohl das Fördergut als auch die Kranstruktur.

Wartungsarme Komponenten und hohe Verfügbarkeit

Bei der Entwicklung der Kelude-Portalkrane wurde besonderer Wert auf geringe Wartungsanforderungen und eine hohe Anlagenverfügbarkeit gelegt. Der Einsatz von wartungsfreien oder -armen Komponenten, wie beispielsweise geschmierten Getrieben und robusten Laufrädern, reduziert Stillstandszeiten erheblich. Die zentrale Schmierung ist optional erhältlich und erleichtert die regelmäßige Instandhaltung zusätzlich.

Die Elektroausrüstung entspricht den Anforderungen der EN 60204-32. Alle relevanten Schalt- und Schutzeinrichtungen sind übersichtlich im Steuerschrank angeordnet, was die Fehlerdiagnose und Wartung vereinfacht. Ein optionales Diagnosesystem ermöglicht die Fernüberwachung des Kranzustands und trägt so zu einer vorausschauenden Instandhaltung bei.

Individuelle Traglasten und Spannweiten

Das Programm umfasst eine breite Palette an Tragfähigkeiten und Spannweiten, um unterschiedlichste Lasten handhaben zu können. Die Krane sind für Lasten von einigen hundert Kilogramm bis zu mehreren hundert Tonnen ausgelegt. Die Spannweite kann je nach Kundenwunsch und Einsatzort variieren und wird statisch exakt berechnet.

Die folgende Tabelle zeigt beispielhafte Konfigurationen für verschiedene Anforderungen. Alle Daten beziehen sich auf Standardausführungen und können projektspezifisch angepasst werden.

Die Auswahl der geeigneten Kranklasse richtet sich nach dem Lastkollektiv und der erwarteten Nutzungsdauer. Unsere Ingenieure beraten Sie gerne bei der Auslegung und Dimensionierung, um eine optimale und wirtschaftliche Lösung für Ihren spezifischen Einsatzfall zu finden.

Einfache Integration in bestehende Abläufe

Die Portalkrane von Kelude sind so konstruiert, dass sie sich nahtlos in vorhandene Logistik- und Produktionsprozesse integrieren lassen. Verschiedene Steuerungsoptionen, von der klassischen Pendelsteuerung bis hin zur Funkfernsteuerung, ermöglichen eine flexible Bedienung. Die optionale Integration in übergeordnete Leitsysteme ist ebenfalls möglich.

Durch die Verwendung standardisierter Schnittstellen und Komponenten ist eine schnelle Inbetriebnahme und ein unkomplizierter Service gewährleistet. Auch nachträgliche Erweiterungen oder Anpassungen der Krananlage sind dank des modularen Aufbaus in der Regel ohne großen Aufwand realisierbar.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Welche Normen liegen den Kelude-Portalkranen zugrunde?
A: Die Krane werden gemäß den relevanten DIN- und EN-Normen konstruiert und gefertigt, darunter DIN 15018 für die Tragwerksberechnung und FEM 1.001 für die Sicherheit von Fahrzeugkranen. Die elektrische Ausrüstung entspricht EN 60204-32.

F: Kann ein Portalkran an die Gegebenheiten in meiner Halle angepasst werden?
A: Ja, Spannweite, Hubhöhe und Tragfähigkeit werden individuell auf Ihre Anforderungen und die baulichen Gegebenheiten abgestimmt. Auch Sonderlösungen wie niedrige Bauhöhen oder spezielle Endwagen sind möglich.

F: Wie gestaltet sich die Wartung der Krane?
A: Die Krane sind auf geringen Wartungsaufwand ausgelegt. Regelmäßige Sicht- und Funktionsprüfungen sowie die Kontrolle der Verschleißteile sind ausreichend. Optional bieten wir Wartungsverträge und Fernwartungsmodule an.

F: Welche Steuerungsarten sind verfügbar?
A: Es stehen verschiedene Steuerungsvarianten zur Auswahl, darunter die Bedienung über ein hängendes Bedienpult, eine Funkfernsteuerung oder die Anbindung an eine zentrale Steuerung. Die Auswahl hängt vom Einsatzort und den Sicherheitsanforderungen ab.

F: Wie lange ist die Lieferzeit für einen Portalkran?
A: Die Lieferzeit richtet sich nach der Konfiguration und der Auslastung unserer Produktion. Standardmodelle können oft kurzfristig geliefert werden, für Sonderanfertigungen planen Sie bitte einen entsprechenden Vorlauf ein. Gerne erstellen wir Ihnen ein konkretes Angebot mit Liefertermin.

A: Für weitere technische Beratung oder ein individuelles Angebot steht Ihnen unser Vertriebsteam gerne zur Verfügung. Kontaktieren Sie uns noch heute, um Ihre Anforderungen zu besprechen.

Häufige Fragen

Normative Grundlagen: DIN 15018 – Krane; Grundsätze für Stahltragwerke | GB/T 28264 – Sicherheitsüberwachungs- und Managementsystem für Hebezeuge | Technische Abteilung Kelude Schwerindustrie