Kran-Frequenzumrichter-Antriebssystem: Auswahl & Inbetriebnahme

Die frequenzgesteuerte Drehzahlregelung ist das Herzstück der elektrischen Kransteuerung und beeinflusst direkt Betriebsleistung, Energieverbrauch und Sicherheit der drei Mechanismen Heben, Kranbrücke und Laufkatze. Kelude Schwerindustrie hat bei der Umrüstung von Brückenkranen umfangreiche Erfahrung in der Auswahl und Inbetriebnahme der drei marktführenden Frequenzumrichter Siemens G120, ABB ACS880 und Schneider ATV930 gesammelt. Nachfolgend werden diese anhand der vier Dimensionen Regelungsart, Kommunikationsprotokoll, Sicherheitsfunktionen und Inbetriebnahmeprozess technisch verglichen.

Die korrekte Auswahl des Frequenzumrichters ist die Grundvoraussetzung für einen ruhigen Kranbetrieb und eine energiesparende Arbeitsweise. Ein detailliertes Konzept zur SPS-Steuerung des Brückenkrans finden Sie unter Drei-Ebenen-Architektur der SPS-Steuerung für Brückenkrane.

Technischer Vergleich der drei Frequenzumrichter

Regelungsart und Drehmomentverhalten im Vergleich

Die Vektorregelung des Siemens G120 arbeitet mit einer hochauflösenden Erfassung von Strom und Spannung, um das Drehmoment präzise zu steuern. Sie eignet sich besonders für Anwendungen mit konstantem Drehmoment über einen weiten Drehzahlbereich, wie sie beim Heben und Senken von Lasten typisch sind. Die direkte Drehmomentregelung des ABB ACS880 hingegen regelt das Drehmoment direkt über die Statorspannung und den -strom, ohne Umweg über eine Modellbildung. Dies ermöglicht extrem kurze Regelzeiten und eine hohe Robustheit gegenüber Lastschwankungen – ein entscheidender Vorteil bei schweren Hüben mit wechselnden Lastmomenten.

Der Schneider ATV930 setzt auf eine sensorlose Vektorregelung, die ein gutes Drehmomentverhalten bereits ohne Rückführungsgeber erreicht. Für Nachrüstungen an bestehenden Krananlagen, bei denen oft keine Encoder-Nachrüstung möglich oder wirtschaftlich sinnvoll ist, bietet dies eine pragmatische Lösung. Die Wahl der Regelungsart hängt letztlich von der geforderten Dynamik, der Lastcharakteristik und der vorhandenen Sensorik ab.

Kommunikationsprotokolle für die SPS-Anbindung

Die Anbindung der Frequenzumrichter an die übergeordnete SPS-Steuerung erfolgt über Feldbusprotokolle. Siemens setzt auf PROFINET als natives Protokoll, was eine nahtlose Integration in SIMATIC-Steuerungen ermöglicht. ABB bietet mit ACS880 eine breite Protokollvielfalt, darunter PROFINET und EtherCAT, was Flexibilität bei heterogenen Steuerungslandschaften schafft. Schneider wiederum punktet mit Modbus TCP als offenem Standard, der sich besonders in Bestandsanlagen mit älteren Steuerungen bewährt hat.

Für die Praxis bedeutet dies: Bei einer Neuinstallation mit Siemens-Steuerung ist der G120 die erste Wahl. Bei einer Modernisierung einer bestehenden Anlage mit Fremdsteuerung bietet der ATV930 mit Modbus eine einfache und kostengünstige Integration. Der ACS880 stellt die flexibelste Lösung dar, wenn zukünftige Erweiterungen oder eine Anbindung an verschiedene Leitsysteme geplant sind.

F: Welcher Frequenzumrichter eignet sich am besten für die Nachrüstung eines bestehenden Brückenkrans?
A: Für Nachrüstungen empfiehlt sich der Schneider ATV930, da er mit Modbus eine einfache Integration in bestehende Steuerungen bietet und durch seine menügeführte Inbetriebnahme den Umbau beschleunigt. Bei Anlagen mit Siemens-Steuerung ist der G120 die bessere Wahl.

F: Ist die direkte Drehmomentregelung (DTC) des ABB ACS880 für alle Krananwendungen geeignet?
A: Die DTC-Regelung ist besonders vorteilhaft bei schweren Lasten und hohen dynamischen Anforderungen. Für Standardanwendungen mit gleichmäßigen Lastprofilen bietet auch die Vektorregelung des G120 oder ATV930 eine völlig ausreichende Leistung.

F: Welche Sicherheitsfunktionen sind für Kranantriebe gemäß EN 60204-32 mindestens erforderlich?
A: Die Norm schreibt mindestens STO (Safe Torque Off) vor. Je nach Risikobewertung können weitere Funktionen wie SS1 oder SLS erforderlich sein. Alle drei vorgestellten Frequenzumrichter erfüllen diese Anforderungen.

F: Wie hoch sind die Wartungskosten im Vergleich der drei Frequenzumrichter?
A: Der ATV930 punktet mit modularem Design und leicht austauschbaren Komponenten, was die Wartungskosten senkt. Der ACS880 bietet durch seine robuste Bauweise eine hohe Verfügbarkeit. Der G120 profitiert von der weltweiten Ersatzteilverfügbarkeit von Siemens.

Frequenzumrichter-Inbetriebnahme Schritt für Schritt

Schritt 1: Hardware-Konfiguration und Grundparameter. Eingabe von Nennspannung, Nennstrom, Nennfrequenz und Nenndrehzahl gemäß dem Typenschild des Motors. Die Steuerungsquelle des Frequenzumrichters wird auf PROFINET oder Klemmensteuerung eingestellt, die Sollwertquelle auf Analogwert oder Kommunikationstelegramm.

Schritt 2: Motoridentifikation und Selbstoptimierung. Die Stillstandsidentifikation misst Statorwiderstand und Induktivität des Motors, die Rotationsidentifikation misst Trägheitsmoment und Gegen-EMK. Der DTC-Regelmodus des ACS880 erfordert eine vollständige Identifikation, während beim G120 mit SLVC eine reine Stillstandsidentifikation ausreicht.

Schritt 3: PI-Parameter des Drehzahlregelkreises einstellen. Das Hubwerk eines Brückenkrans erfordert ein hohes Drehmoment bei niedriger Frequenz. Der Proportionalbeiwert des Drehzahlregelkreises wird üblicherweise auf 10–30 eingestellt, die Integrationszeit auf 50–200 ms. Kranbrücke und Laufkatze verwenden eine kurvenförmige Beschleunigung und Verzögerung: Beschleunigungszeit 3–8 s, Verzögerungszeit 3–6 s, Glättungszeit der S-Kurve 0,5–2 s. Kelude Schwerindustrie verwendet bei der Inbetriebnahme eine schrittweise Annäherung: zuerst P, dann I, mit einer Überschwingweite der Sprungantwort von 5 %–10 %.

Schritt 4: Drehmomentbegrenzung und Sicherheitsfunktionen prüfen. Die Drehmomentbegrenzung für das Heben wird auf 150 %–180 % eingestellt, für Kranbrücke und Laufkatze auf 120 %–150 %. Die Reaktionszeit des sicheren Drehmomentabschalts (STO) muss unter 100 ms liegen. Informationen zum SIL3-Konzept des Sicherheitsüberwachungssystems des Brückenkrans finden Sie unter Sicherheitsüberwachungs- und Managementsystem des Brückenkrans – SIL3-Konzept.

Die Auslegung und Inbetriebnahme des Frequenzumrichter-Antriebssystems erfolgt nach den Normen GB/T 12668 und GB/T 30844. Kelude Schwerindustrie führt werkseitig eine vollständige Abstimmung aller Frequenzumrichter gemäß den geltenden Normen durch, um einen reibungslosen Betrieb der drei Antriebsachsen – Hubwerk, Kranbrücke und Laufkatze – jedes Brückenkrans sicherzustellen.

Häufige Fragen zur Kran-Frequenzumrichter-Auswahl