VVVF-Frequenzumrichter für Brückenkrane mit Bremsmodul
Das Kran-Frequenzumrichter-Antriebssystem nutzt die VVVF-Technologie (Vector Control) zur Ansteuerung der Asynchronmotoren für Heben, Kranbrücke und Laufkatze. Es ermöglicht eine stufenlose Drehzahlregelung vom Stillstand bis zur Nenndrehzahl sowie eine Positioniergenauigkeit von ±2 mm. Das System besteht aus einem AFE-Eingangsgleichrichter mit Energierückspeisung, einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis und den Frequenzumrichtern der drei Antriebseinheiten. Der AFE-Umrichter speist regenerative Energie ins Netz zurück (Energieeinsparung 20 % bis 35 %) und erreicht einen Leistungsfaktor > 0,95. Die Bremsmodule werden anhand der Massenträgheit der jeweiligen Einheit dimensioniert und arbeiten wahlweise mit Widerstandsbremsung oder Rückspeisung über den gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis – für schnelles Abbremsen und zuverlässigen Schutz vor Lastrutschen.
Systemarchitektur des Kran-Frequenzumrichter-Antriebssystems
| Antrieb | Motorleistung(kW) | Frequenzumrichter Typ | Steuerungsart | GeschwindigkeitBereich | BremsungVerfahren | Encoder / Drehgeber |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Heben / Anheben(32tStufe) | 30 | SiemensG120 PM240-2 37kW | VektorregelungSLVC | 0.1~7m/min | EnergieverbrauchBremsung+MaschinenBremsung | Inkrement256Impulse pro Umdrehung (PPR) |
| Kranbrücke | 2×5.5 | SiemensG120 PM240-2 7.5kW×2 | V/fSteuerung | 3~30m/min | gemeinsamer GleichspannungszwischenkreisRückspeisung | Ohne(Offener Regelkreis) |
| Laufkatze | 2.2 | SiemensG120 PM240-2 3kW | V/fSteuerung | 3~20m/min | gemeinsamer GleichspannungszwischenkreisRückspeisung | Ohne(Offener Regelkreis) |
Das System basiert auf einem gemeinsamen Gleichspannungs-Zwischenkreis: Die AFE-Gleichrichtereinheit wandelt dreiphasige 380-V-Wechselspannung in 540-V-Gleichspannung um und speist regenerative Energie zurück. Drei Frequenzumrichter beziehen ihre Spannung aus dem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis. Der Frequenzumrichter des Hubwerks ist mit einem Brems-Chopper und einem Bremswiderstand ausgestattet, um die beim Feinabsenken anfallende Energie zu verbrauchen. Die Bremsenergie von Kranbrücke und Laufkatze wird über den Gleichspannungszwischenkreis direkt ins Netz zurückgespeist – ein Bremswiderstand ist hier nicht erforderlich. Die Energiespartechnik des Brückenkrans (siehe Energiesparkonzept für intelligente Krane) mit AFE-Rückspeiseantrieb spart über den gesamten Lebenszyklus im Vergleich zur herkömmlichen Widerstandsbremsung rund 30 % Stromkosten.
Hauptstromkreis-Komponenten für Kranantriebe
Die Komponenten des Hauptstromkreises – Leistungsschalter, Schütze und Kabel – werden entsprechend der Motorleistung und dem Nennstrom ausgelegt. Der Einspeise-Leistungsschalter wird mit dem 1,2-fachen Koeffizienten der Gesamtleistung dimensioniert. Nachfolgend die Konfigurationsübersicht für drei typische Traglastklassen:
| Bauelement | 32tBrückenkran(2×5.5kWKranbrücke+2.2kWLaufkatze+30kWHeben / Anheben) | 50tBrückenkran(2×7.5kWKranbrücke+5.5kWLaufkatze+55kWHeben / Anheben) | 100tBrückenkran(2×11kWKranbrücke+5.5kWLaufkatze+90kWHeben / Anheben) |
|---|---|---|---|
| HauptzuleitungLeistungsschalter | NSX250F-160A/3P | NSX400F-250A/3P | NSX630F-400A/3P |
| AFEGleichrichtungEinheit | ALM-50kW | ALM-80kW | ALM-132kW |
| GleichspannungszwischenkreisDrossel | 1.5mH/100A | 1.2mH/160A | 1.0mH/250A |
| Bremswiderstand(Heben / Anheben) | 6.8Ω/12kW | 5.0Ω/25kW | 3.9Ω/45kW |
| Heben / AnhebenSchütz | LC1-D65A | LC1-D95A | LC1-D150A |
| KranbrückeSchütz | LC1-D25A | LC1-D50A | LC1-D65A |
| Steuertransformator | 380/220V 1.5kVA | 380/220V 2kVA | 380/220V 3kVA |
| PLC Typ | S7-1215C | S7-1511 | S7-1515F |
SPS-Steuerung und Bus-Kommunikation
Die elektrische Krananlage nutzt eine Siemens S7-1200/1500-SPS als Hauptsteuergerät, die über Profinet Industrie-Ethernet mit den Frequenzumrichtern (G120/CU250S-2PN), dezentraler Peripherie (ET200SP), Sicherheits-SPS und dem HMI-Bedienpanel (Comfort Panel) kommuniziert. Der Hubwerk-Frequenzumrichter ist im Vektorregelungsmodus mit einer zweikanaligen Encoderkarte ausgestattet, um einen doppelten Regelkreis (Drehzahlregelkreis + Lageregelkreis) zu unterstützen. Kranbrücke und Laufkatze arbeiten im V/f-Modus; die Sollwertvorgabe für Geschwindigkeit sowie die Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten werden über die SPS eingestellt. Das Steuerungssystem des Brückenkrans nutzt gemeinsam mit dem KI-Antischwingungs-Steuerungssystem (Details siehe Technische Lösung zur Pendeldämpfung) dasselbe Profinet-Netzwerk – der Antischwingregler gibt eine additive Geschwindigkeitskorrektur auf den Geschwindigkeitssollwert des Frequenzumrichters aus.
Die Parametrierung des Hubwerk-Frequenzumrichters hat direkten Einfluss auf die Hub- und Transportsicherheit: Die Beschleunigungszeit ist standardmäßig auf 3–5 s eingestellt (verhindert Stoßbelastung beim Anheben ohne Last), die Verzögerungszeit ebenfalls auf 3–5 s (abgestimmt auf die mechanische Schaltfolge der Bremse). Die Tippfrequenz für den Feinbetrieb ist auf 2–5 Hz eingestellt, was einer Feinbewegungsgeschwindigkeit von 0,1–0,3 m/min entspricht. Beim Stoppen des Hubwerks reduziert der Frequenzumrichter die Drehzahl zunächst auf 0,5 Hz, bevor die mechanische Bremse ausgelöst wird, um Lastrutschen zu verhindern. Die S-förmige Beschleunigungs-/Verzögerungskurve von Kranbrücke und Laufkatze reduziert die Zentrifugalkomponente der Pendelbewegung des Lastaufnahmemittels – eine Eckzeit der S-Kurve von 0,5 s und eine Eckenspannung von 10 % ergeben den besten Fahrkomfort.
Der Elektroschrank des Brückenkrans ist nach IP44 ausgelegt (Staubschutz und Spritzwasserschutz). Im Schrank sind ein Thermostat und ein Kühlgebläse (Einschaltung bei 40 °C) integriert. Hubwerk-Frequenzumrichter, Frequenzumrichter des Brückenfahrwerks, Katzfahrwerk-Frequenzumrichter und SPS sind in separaten Schrankfächern angeordnet, die über geschirmte Kabeldurchführungen verbunden sind. Die Hauptstromkabel sind mit einem Sicherheitsfaktor von 1,25 des Nennstroms dimensioniert. Als Steuerkabel werden paarig geschirmte Leitungen (LAPP UNITRONIC LiYCY) verwendet, die einseitige Schirmerdung erfolgt auf der SPS-Seite. Für Profinet wird ein industrielles Ethernet-Kabel (Siemens 6XV1840-2AH10) eingesetzt.
Lösungsvorteile der elektrischen Krananlage von Kelude
Die elektrische Krananlage von Kelude Schwerindustrie ist standardmäßig mit einer Profinet-Busarchitektur ausgestattet und unterstützt optionale Frequenzumrichter von Siemens, Schneider und ABB. Die AFE-Gleichrichtereinheit ist serienmäßig enthalten (Leistungsfaktor 0,95 mit Energierückspeisung). Der Bremswiderstand ist für schwere Lastspiele mit einem Sicherheitsfaktor von 1,5 ausgelegt. Jeder elektrische Schaltschrank durchläuft vor Auslieferung einen 100-%-Einschaltalterungstest über 72 Stunden Dauerbetrieb. Kelude Schwerindustrie bietet einen kostenlosen Vor-Ort-Check der elektrischen Krananlage sowie eine Optimierung der Frequenzumrichterparameter an.
Häufige Fragen zur Frequenzumrichter-Technik
F: Welche Vorteile bietet die frequenzgesteuerte Drehzahlregelung des Brückenkrans?
A: Gegenüber der herkömmlichen Widerstandssteuerung spart die frequenzgesteuerte Drehzahlregelung 20 %–40 % Energie, ermöglicht ein sanftes Anfahren ohne Stoßbelastung, reduziert den mechanischen Verschleiß und unterstützt eine präzise Positionierung. Für das Brückenfahrwerk wird ein Frequenzumrichter mit Vektorregelung empfohlen; das Hubwerk benötigt einen Spezial-Frequenzumrichter mit Drehmomentregelung.
F: Wie wird das Bremsmodul für den Brückenkran ausgelegt?
A: Die Leistung des Bremsmoduls wird mit 30 %–50 % der Motor-Nennleistung dimensioniert. Der Bremswiderstand des Hubwerks muss für den Lastabwärtsbetrieb mit voller Last thermisch ausgelegt werden. Gängige Bremsmodule sind die Baureihe DBU sowie das Siemens Braking Module.
F: Welche Normen gelten für das Frequenzumrichter-Antriebssystem?
A: Für die Auswahl des Frequenzumrichters gilt die Normenreihe GB/T 12668, für die elektrische Sicherheit GB 5226.2 und für die EMV-Verträglichkeit GB/T 12668.3.
Kran-Frequenzumrichtertechnik: VVVF-Antrieb, Bremsmodule und Bussteuerung
Die Frequenzumrichtertechnik bildet das Kernstück der elektrischen Steuerung moderner Brückenkrane. Durch den Einsatz von VVVF-Antrieben (Variabler Spannungs- und Frequenzantrieb) wird eine stufenlose Drehzahlregelung für die drei Hauptbewegungen – Hubwerk, Katzfahrt und Kranfahrt – realisiert. Dies ermöglicht nicht nur ein sanftes Anfahren und Beschleunigen, sondern auch eine präzise Positionierung der Last. Im Folgenden werden die wesentlichen Komponenten und Steuerungskonzepte detailliert betrachtet.
VVVF-Antrieb und Hauptkreis-Konfiguration
Die Leistungsfähigkeit des Antriebssystems hängt maßgeblich von der Auslegung des Zwischenkreises und der Gleichrichtereinheit ab. Eine gängige und besonders effiziente Lösung ist die Verwendung eines aktiven Front-Ends (AFE) in Kombination mit einem gemeinsamen Gleichspannungs-Zwischenkreis. Diese Topologie bietet entscheidende Vorteile:
- Rückspeisefähigkeit: Beim Abbremsen der Motoren wird die erzeugte Bremsenergie in das Versorgungsnetz zurückgespeist, was die Energiebilanz der gesamten Anlage verbessert.
- Konstanter Zwischenkreis: Der AFE-Gleichrichter hält die Zwischenkreisspannung auch bei schwankenden Netzverhältnissen stabil, was die Antriebsdynamik und -genauigkeit erhöht.
- Reduzierte Netzrückwirkungen: Die Oberschwingungsbelastung des speisenden Netzes wird deutlich minimiert, was insbesondere bei mehreren parallel betriebenen Kranen von Vorteil ist.
Die Verwendung eines gemeinsamen Zwischenkreises für mehrere Umrichter ist eine bewährte Praxis. Sie ermöglicht einen Energietausch zwischen den Antrieben: Wird beispielsweise das Hubwerk abgebremst, während die Katzfahrt beschleunigt, kann die Bremsenergie direkt genutzt werden, anstatt sie in Widerständen zu verheizen. Dies reduziert den Energieverbrauch und die Wärmeentwicklung im Schaltschrank.
Bremsmodule: Auswahl und Funktion
Für ein sicheres und kontrolliertes Abbremsen der Kranbewegungen sind leistungsfähige Bremsmodule unerlässlich. Die Auswahl des geeigneten Moduls hängt von der geforderten Bremsleistung und der gewünschten Energieverwertung ab. Grundsätzlich werden zwei Verfahren unterschieden:
| Verfahren | Funktionsprinzip | Einsatzgebiet |
|---|---|---|
| Widerstandsbremsung | Die Bremsenergie wird über einen Chopper in externen Bremswiderständen in Wärme umgewandelt. | Einfache, kostengünstige Lösung für Anwendungen mit gelegentlichen oder kurzen Bremsphasen. |
| Rückspeisebremsung | Die Bremsenergie wird über einen aktiven Gleichrichter (AFE) in das Netz zurückgespeist. | Effiziente Lösung für häufige Bremsvorgänge und hohe Bremsleistungen, z. B. bei intensivem Betrieb. |
Die Entscheidung für ein bestimmtes Bremsverfahren sollte immer auf Basis einer Lastanalyse und der zu erwartenden Betriebszyklen getroffen werden. Bei Kränen mit hohen Taktzeiten und großen Massen ist die Rückspeisebremsung oft die wirtschaftlichste Wahl, da sie die Energiekosten nachhaltig senkt.
Bussteuerung mit Profinet und Profibus
Die Vernetzung der einzelnen Antriebskomponenten und der übergeordneten Steuerung (SPS) erfolgt heutzutage standardmäßig über Feldbus- oder Industrial-Ethernet-Systeme. Profibus und Profinet haben sich hierbei als robuste und weit verbreitete Standards etabliert. Die Vorteile dieser Bussteuerung liegen auf der Hand:
- Reduzierter Verkabelungsaufwand: Anstelle paralleler Einzeladern für jedes Signal genügt ein einziges Buskabel, das alle Teilnehmer verbindet.
- Diagnosefähigkeit: Jeder Busteilnehmer kann online überwacht und parametriert werden. Störungen werden schnell und präzise lokalisiert.
- Flexible Erweiterung: Weitere Antriebe oder Sensoren lassen sich einfach an den Bus anbinden, ohne die bestehende Verkabelung grundlegend zu ändern.
Die Wahl zwischen Profibus und Profinet hängt von den spezifischen Anforderungen der Anlage ab. Während Profibus als klassischer Feldbus in vielen Bestandsanlagen zu finden ist, bietet Profinet als Industrial-Ethernet-Lösung höhere Übertragungsraten und eine nahtlose Integration in moderne IT-Strukturen. Für Neuanlagen wird zunehmend Profinet empfohlen.
Konfigurationstabelle für die Kran-Elektrik
Die folgende Tabelle fasst die typischen Komponenten und deren Funktionen in einem modernen, frequenzumrichtergesteuerten Kran zusammen. Sie dient als Orientierung für die Planung und Auslegung der elektrischen Ausrüstung.
| Komponente | Funktion | Anmerkung |
|---|---|---|
| AFE-Gleichrichter | Gleichrichtung der Netzspannung, Stabilisierung des Zwischenkreises, Rückspeisung von Bremsenergie | Erhöht die Energieeffizienz |
| Frequenzumrichter (Hub-, Katz-, Kranfahrt) | Steuerung der Motordrehzahl und des Drehmoments für die jeweilige Bewegung | Ermöglicht stufenloses Fahren |
| Bremsmodul (Chopper + Widerstand) | Umwandlung überschüssiger Zwischenkreisenergie in Wärme bei nicht rückspeisefähigen Systemen | Notwendig bei AFE-freien Systemen |
| SPS-Steuerung | Übergeordnete Steuerung, Logik, Sicherheitsfunktionen, Kommunikation | Zentrale Steuereinheit |
| Buskoppler / Switch | Anbindung der Umrichter und Sensoren an das Bussystem (Profinet/Profibus) | Ermöglicht die digitale Kommunikation |
F: Was ist der Vorteil eines gemeinsamen Zwischenkreises?
A: Ein gemeinsamer Zwischenkreis ermöglicht den direkten Energietausch zwischen den Antrieben. Die beim Abbremsen eines Motors erzeugte Energie kann von einem anderen Motor, der gerade beschleunigt, direkt genutzt werden. Dies reduziert den Gesamtenergieverbrauch und die Belastung der Bremsmodule erheblich.
F: Wann ist eine Rückspeisebremsung sinnvoll?
A: Eine Rückspeisebremsung ist immer dann sinnvoll, wenn häufig und mit hoher Leistung abgebremst wird. Typische Anwendungen sind Krane mit intensivem Betrieb, hohen Hubgeschwindigkeiten oder großen Lasten. Die Amortisationszeit der höheren Anschaffungskosten für den AFE-Gleichrichter ist in diesen Fällen oft kurz.
F: Welches Bussystem ist für einen Neubau zu empfehlen?
A: Für Neuanlagen wird heute überwiegend Profinet empfohlen. Es bietet höhere Übertragungsraten, eine bessere Diagnose und eine nahtlose Integration in moderne Automatisierungs- und IT-Strukturen. Profibus bleibt eine valide Option für Erweiterungen bestehender Anlagen.
