Siemens G120 Frequenzumrichter für Brückenkran
Das Frequenzumrichter-Antriebssystem ist die zentrale Steuerungseinheit für die stufenlose Drehzahlregelung von Hubwerk, Katzenmechanismus und Kranfahrwerk – die richtige Auswahl entscheidet maßgeblich über Laufruhe, Energieeffizienz und Lebensdauer der Anlage. Dieser Beitrag erläutert am Beispiel des Siemens G120 Frequenzumrichters die gesamte Dimensionierung von der Auswahl über die Hauptkreisauslegung bis zur Parametrierung.
Das Frequenzumrichter-Antriebssystem ist die zentrale elektrische Steuereinheit für die stufenlose Drehzahlregelung von Hubwerk, Katzenmechanismus und Kranfahrwerk eines Brückenkrans. Die richtige Auslegung und Parametrierung beeinflussen direkt die Laufruhe, die Energieeffizienz und die Lebensdauer der Anlage. Dieser Beitrag behandelt systematisch die Auswahlkriterien, die Hauptkreisauslegung, die Parametrierung, die Inbetriebnahme und die Wartung von Frequenzumrichter-Antriebssystemen für Krane am Beispiel des Siemens G120. Unter Berücksichtigung der Norm DIN 15018 für drehzahlverstellbare elektrische Antriebssysteme und der besonderen Anforderungen des Kranbetriebs erhalten Elektroingenieure eine praxisorientierte Referenz für die tägliche Arbeit.
Frequenzgesteuerte Drehzahlregelung: Anforderungen im Kranbetrieb
Die frequenzgesteuerte Drehzahlregelung verändert die Drehzahl des Motors durch Variation der Statorfrequenz; in Verbindung mit einer Spannungsanpassung bleibt der magnetische Fluss konstant (konstantes V/f-Verhältnis). Dadurch ist unterhalb der Nenndrehzahl eine Drehmomentregelung mit konstantem Drehmoment und oberhalb der Nenndrehzahl eine Regelung mit konstanter Leistung möglich. Das Hubwerk eines Krans erfordert einen Vierquadrantenbetrieb – beim Heben motorischer Betrieb, beim Senken generatorisches Bremsen. Dies stellt klare Anforderungen an die Fähigkeit des Frequenzumrichters zur Verarbeitung von regenerativer Energie. Katzenmechanismus und Kranfahrwerk bewegen sich überwiegend horizontal, sind durch häufige Start-Stopp-Zyklen gekennzeichnet und stellen hohe Anforderungen an die Sanftheit der Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen sowie an die Positioniergenauigkeit. Bei der Auswahl eines Frequenzumrichters für Krananwendungen sind folgende Parameter besonders zu berücksichtigen: Die Nennleistung sollte das 1,1- bis 1,3-fache der Motornennleistung abdecken; die Überlastfähigkeit muss der Norm für Krane entsprechen, die 150 % des Nennstroms für 60 Sekunden fordert; die Schutzart (IP) sollte in Innenräumen mindestens IP20 und im Außenbereich mindestens IP54 betragen. Die Baureihe Siemens G120 überzeugt durch ihr modulares Konzept mit separatem CU-Steuermodul und PM-Leistungsmodul, deckt einen Leistungsbereich von 0,37 kW bis 250 kW ab und verfügt über integrierte, kranspezifische Funktionsmodule (z. B. Hubwerksbremssteuerung, Pendeldämpfungs-Vorverarbeitung) – sie ist damit eine der ersten Wahl für die frequenzgesteuerte Drehzahlregelung von Kranen.
| Vergleichsmerkmal | Hubwerk | Kranfahrwerk | Katzenmechanismus |
|---|---|---|---|
| Frequenzumrichter Typ | PM240-2 37kW | PM240-2 7.5kW×2 | PM240-2 4kW |
| Steuerungsart | SLVCVektorregelung | SLVC+Drehmoment-Master-Slave | SLVCVektorregelung |
| Beschleunigungsrampenzeit | 3~4s | 5~8s | 2~4s |
| Verzögerung Beschleunigungsrampenzeit | 2~3s | 4~6s | 2~3s |
| Drehmoment bei Nullgeschwindigkeit | 110%/1.5s | Nicht erforderlich | Nicht erforderlich |
| Bremswiderstand | 14Ω/6kW Erforderlich | Keine | Keine |
| Überlastfähigkeit | 150%/60s | 150%/60s | 150%/60s |
Auslegung des Hauptstromkreises
Die Auslegung des Hauptstromkreises umfasst die Auswahl und Konfiguration von Netzdrossel, Bremsmodul, Bremswiderstand und Ausgangsdrossel. Die Netzdrossel dient zur Unterdrückung von Netzoberschwingungen und zur Begrenzung von Einschaltströmen; die Induktivität beträgt 2 % bis 4 % des Nennstroms des Frequenzumrichters. Es wird empfohlen, alle Kran-Frequenzumrichter mit einer Netzdrossel auszustatten. Das Hubwerk muss zwingend mit einem Bremsmodul und einem Bremswiderstand ausgestattet sein, um die beim generatorischen Bremsen des Motors zurückgespeiste Energie aufzunehmen. Die Durchlassspannung des Bremsmoduls wird in der Regel auf das 1,15- bis 1,2-Fache der Gleichspannungszwischenkreis-Spannung eingestellt (ca. 760–790 V). Widerstandswert und Leistung des Bremswiderstands werden anhand der lastabhängigen Kennlinie des Hubwerks berechnet; die Dimensionierung erfolgt für den ungünstigsten Betriebsfall (Senken mit Nennlast) über eine Dauer von mindestens 30 Minuten. Die Ausgangsdrossel dient zur Reduzierung hochfrequenter Oberschwingungen auf der Umrichterausgangsseite, die die Motorisolierung schädigen können; sie ist bei Kabellängen über 50 m zwingend erforderlich. Leistungsschalter oder Sicherungen werden mit dem 1,5- bis 2,0-Fachen des Nenneingangsstroms des Frequenzumrichters bemessen. Schütze sollten auf der Eingangsseite des Frequenzumrichters angeordnet werden, um im Fehlerfall eine schnelle Trennung von der Stromversorgung zu ermöglichen.
Auswahl der Steuerungsart
Parameterierung des Hubwerks
Das Hubwerk ist die anspruchsvollste Frequenzumrichter-Anwendung im Kranbereich. Bei der Parameterierung sind folgende Funktionen besonders zu berücksichtigen. Die Rampenzeiten werden unter Abwägung von Bedienkomfort und Effizienz festgelegt: Üblicherweise beträgt die Beschleunigungszeit beim Heben 2–4 s, die Verzögerungszeit 2–3 s; beim Senken liegen Beschleunigungs- und Verzögerungszeit bei 1–2 s. Die Nullgeschwindigkeits-Momentenfunktion (Nullgeschwindigkeits-Klemmung oder Gleichstrombremsung) verhindert ein Lastrutschen während des Lüftens und Schließens der Bremse. Die Haltezeit sollte auf 1–2 s und das Haltemoment auf 100 %–120 % des Motornennmoments eingestellt werden. Die Bremssteuerung ist der Kern der Hubwerkskonfiguration: Über ein Relais des Frequenzumrichters wird die Öffnungs- und Schließsequenz der Bremse gesteuert. Nach Erhalt des Startbefehls baut der Umrichter zunächst Erregerstrom und Drehmoment auf und gibt nach einer Verzögerung von 0,3–0,5 s den Befehl zum Lüften der Bremse. Beim Stillsetzen fährt der Umrichter auf Nullgeschwindigkeit herunter, gibt dann den Befehl zum Schließen der Bremse und sperrt nach einer Verzögerung von 0,1–0,2 s die Impulse. Eine fehlerhafte Bremssteuerungslogik führt zu Lastrutschen oder Blockieren des Antriebs. Die Rückspeisefunktion wird aktiviert, sobald die Motordrehzahl die Synchrondrehzahl überschreitet; die regenerative Energie wird über den Bremswiderstand abgeführt. Die Einschaltspannung des Bremsmoduls wird auf 115 % der Gleichspannungszwischenkreis-Spannung (ca. 775 Vdc) empfohlen.
Parameterierung von Kranfahrwerk und Katzenmechanismus
Das Betriebsverhalten von Kranfahrwerk und Katzenmechanismus unterscheidet sich vom Hubwerk: Die Last ist eine Widerstandslast und keine Last mit potenzieller Energie; Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge dienen hauptsächlich zur Überwindung der Massenträgheit. Die Antriebsleistung des Kranfahrwerks beträgt in der Regel 20 %–40 % der Hubwerksleistung, die des Katzenmechanismus 10 %–20 %. Hierfür sind die Leistungsmodule PM240 oder PM250 des G120 ausreichend dimensioniert. Die Rampenzeiten richten sich nach dem Verfahrweg und der Fahrgeschwindigkeit des Krans: Für das Kranfahrwerk werden üblicherweise Beschleunigungszeiten von 4–8 s und Verzögerungszeiten von 3–6 s gewählt, für die Laufkatze 2–4 s Beschleunigungs- und 2–3 s Verzögerungszeit. Bei mehreren Antrieben im Kranfahrwerk (bei großen Spannweiten werden zwei oder vier Brückenfahrmotoren eingesetzt) ist die Drehmoment-Master-Slave-Funktion des G120 zu verwenden: Ein Antrieb wird als Master (Drehzahlregelung) konfiguriert, die übrigen als Slave (Drehmomentregelung). Der Slave erhält das Drehmomentsollsignal vom Master, wodurch eine gleichmäßige Drehmomentverteilung auf alle Antriebsräder erreicht wird. Die Übertragung des Drehmomentsollwerts an den Slave erfolgt über den Analogausgang oder die Feldbus-Kommunikation. Die Pendeldämpfungs-Vorsteuerung (Vibration Damping) reduziert die Pendelbewegung der Last während Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen, indem dem Fahrbefehl der Laufkatze eine gegenläufige Ausgleichskomponente überlagert wird. Diese Funktion erfordert eine Encoder-Rückführung.
Kommunikation und Anbindung an die übergeordnete Steuerung
Der G120-Frequenzumrichter wird über die Kommunikationsschnittstelle der CU-Steuereinheit in das übergeordnete SPS-Steuerungssystem integriert. Gängige Kommunikationsprotokolle sind PROFINET (empfohlen, Übertragungsrate 100 Mbit/s, Zykluszeit 1–4 ms), PROFIBUS DP (12 Mbit/s, Zykluszeit 2–6 ms) und USS (seriell, nur für Inbetriebnahme und Wartung). Die Konfiguration der PROFINET-Kommunikation erfolgt in folgenden Schritten: Einspielen der GSD-Datei des G120 in TIA Portal, Vergabe von Gerätename und IP-Adresse, Konfiguration des Prozessdatenbereichs (PKW+PZD). Für das Hubwerk werden in der Regel 4 Worte im Prozessdatenbereich belegt (Steuerwort, Drehzahlsollwert, Statuswort, Ist-Drehzahl); für Kranfahrwerk und Laufkatze genügen 2 Worte (Steuerwort + Drehzahlsollwert). Die Bitbelegung des Steuerworts folgt der PROFIdrive-Profilnorm: Bit 0 des Steuerworts 0 aktiviert den Betrieb, Bit 1 deaktiviert die Rampe, Bit 3 gibt die Impulse frei und Bit 4 aktiviert die Rampe. Die Not-Halt- und Sicherheitsfunktionen werden über feste Verdrahtung direkt mit der SPS verbunden und nicht über den Feldbus geführt, um die Erfüllung der Sicherheitsanforderungen gemäß ISO 13849 und EN 62061 sicherzustellen.
Inbetriebnahme und Fehlerdiagnose
Für die Inbetriebnahme wird die Siemens-Software Starter (für Projekte außerhalb von TIA Portal) oder TIA Portal Startdrive (integriert in die TIA-Portal-Plattform) empfohlen. Der Ablauf der Inbetriebnahme umfasst folgende Schritte: Prüfung der Haupt- und Steuerstromkreis-Verdrahtung vor dem Einschalten, Überprüfung der Gleichspannungszwischenkreis-Spannung nach dem Einschalten, Einstellung der Motordaten und Durchführung der Motoridentifikation, Einstellung von Rampenzeiten und Begrenzungsparametern, Leerlauf-Testlauf (Tippbetrieb aller Antriebe zur Überprüfung der Drehrichtung), sowie Last-Testlauf (stufenweise Belastung des Hubwerks bis 110 % Nennlast zur Überprüfung von Strom und Temperaturanstieg). Häufige Störungen und deren Behebung: F30021 (Überspannung im Gleichspannungszwischenkreis) tritt häufig beim Senken mit Nennlast auf; hier sind der Widerstandswert des Bremswiderstands und die Durchlassspannung des Bremsmoduls zu prüfen. F30011 (Motorüberlast) wird meist durch zu kurze Beschleunigungs- oder Verzögerungszeiten oder eine fehlerhafte Bremssteuerungs-Sequenz verursacht. Bei F07086 (Bremse) sind die Stromversorgung und die Steuerungsverdrahtung der Bremse zu überprüfen. Mit der Oszilloskop-Funktion der Starter-Software können Strom-, Drehzahl- und Drehmomentverläufe während der Beschleunigungs- und Bremsvorgänge des Hubwerks erfasst werden, um dynamische Probleme zu diagnostizieren.
Typische Konfigurationsbeispiele
Am Beispiel eines Umbauprojekts zur Frequenzumrichter-Nachrüstung eines QD-Typ-Brückenkrans mit 20 t Tragfähigkeit: Das Hubwerk ist mit einem G120 PM240-2 37-kW-Leistungsmodul und einer CU250S-2-Steuereinheit ausgestattet, dazu eine Netzdrossel 37 A/0,2 mH und ein Bremswiderstand 14 Ω/6 kW (Dauerleistung 30 % ED). Das Kranfahrwerk verfügt über zwei G120 PM240-2 7,5-kW-Einheiten (Doppelmotor-Master-Slave-Regelung), die Laufkatze über eine G120 PM240-2 4-kW-Einheit. Die Rampenzeit für das Heben beträgt 3,5 s, für das Kranfahrwerk 6 s und für die Laufkatze 3 s. Beim Heben wird ein Nullgeschwindigkeits-Drehmoment von 110 % für 1,5 s gehalten; die Bremse öffnet mit einer Verzögerung von 0,4 s und schließt mit 0,15 s. Die nach dem Umbau durchgeführten Funktionstests zeigen, dass der Motorstrom beim Heben unter Volllast ruhig und ohne Stromstöße bleibt, die Erwärmung des Frequenzumrichters 42 K beträgt (unter dem zulässigen Grenzwert von 55 K) und die Einzelerwärmung des Bremswiderstands beim Senken unter Volllast auf 180 °C begrenzt bleibt. Die Gesamtenergieeffizienz des Systems ist gegenüber dem bisherigen Betrieb mit direkter Netzeinspeisung um ca. 22 % verbessert.
