Neue Antriebsplattform vereinfacht Systemdesign

Vor dem Entwicklungsstart wurden in Kundengesprächen die wesentlichen Anforderungen und gewünschten Produkteigenschaften definiert, um daraus konkrete Vorgaben abzuleiten. Ziel der neuen Gerätegeneration war die Umsetzung der wesentlichen Servo-Kerneigenschaften ohne weitere Ergänzungen oder Funktionen für Nischenanwendungen. Durch diesen Ansatz entstanden kompakt aufgebaute Geräte mit reduziertem Baugruppenaufwand und entsprechend kürzeren Montagezeiten. Für den Anwender ergeben sich eine gute Servicezugänglichkeit sowie eine vereinfachte Inbetriebnahme.

Im Servobereich wurden einphasige und dreiphasige Varianten der AX1000-Reihe parallel entwickelt. Auf dieser Basis entstand anschließend die Frequenzumrichter-Serie AF1000. Die AX1000-Plattform bietet eine geeignete Grundlage für die Entwicklung einer Serie an Frequenzumrichtern, eine für Beckhoff bisher neue Produktreihe für einen preislich noch deutlich stärker unter Druck stehenden Markt.

Die Servoverstärker AX1000 werden, wie bei den bisherigen Baureihen üblich, in Einachs- und Doppelachs-Varianten angeboten. Für Frequenzumrichter ist dies bislang unüblich. Die Doppelachs-Variante ermöglicht eine höhere Packungsdichte im Schaltschrank und senkt durch die gemeinsame Nutzung wesentlicher Baugruppen die Gerätekosten.

Effizienter Servoverstärker für den kleinen Leistungsbereich

Die neuen, in das TwinCAT-System integrierten Servoverstärker ‚AX1000‘ (links) und Frequenzumrichter ‚AF1000‘ eignen sich für kostensensitive Applikationen und können dort gemeinsam und direkt aneinander angereiht eingesetzt werden. © Beckhoff Automation

Der AX1000 ist im Nennstrombereich von 1,65 bis 6,9 A verfügbar und vollständig in TwinCAT integriert. Angeboten werden zwei Anschlussvarianten: für Leistungen bis 2,2 kW mit einphasiger Einspeisung (1 × 230 V(AC)) und für Leistungen von 1,1 bis 4,5 kW mit dreiphasiger Einspeisung (3 × 400 V(AC)). Netzteil, Zwischenkreiskondensatoren und Ballastschaltung sind im Gerät integriert.

Das Kunststoffgehäuse des AX1000 trägt zur Kostenoptimierung bei. Durch das geschickte Design der Leiterplatten ist ein Edelstahlgehäuse, etwa zur Reduzierung der Störausstrahlung, nicht erforderlich. Die Geräte können im Schaltschrank ohne Abstand direkt nebeneinander montiert werden. Alle Anschlüsse sind, mit Ausnahme optionaler Safety-Eingänge, von vorne zugänglich, was die Verdrahtung vereinfacht und den Aufbau übersichtlich gestaltet.

Ein externes 24-V(DC)-Netzteil ist nicht erforderlich, da der Antrieb die Steuerspannung für I/Os und Haltebremsversorgung direkt aus dem Zwischenkreis erzeugt. Dies spart Platz und sorgt für eine gleichmäßigere Spannungsverteilung im Zwischenkreis. Die hohe Zwischenkreiskapazität ermöglicht die Zwischenspeicherung von Bremsenergie, wodurch Wärmeentwicklung im Schaltschrank reduziert wird. Für Anwendungen mit hoher kinetischer Energie kann an jedem Gerät zusätzlich ein externer Ballastwiderstand angeschlossen werden.

Zur Einhaltung der EMV-Richtlinien ist ein externer Netzfilter

erforderlich, der zusammen mit der im Gerät integrierten Grundentstörung die EMV-Grenzwerte einhält. Mehrere Geräte können über einen gemeinsamen Filter entstört werden. Der geringe Ableitstrom ermöglicht den Betrieb an Fehlerstrom-Schutzschaltern. Die Servoverstärker unterstützen auch die ‚One Cable Technology‘ (OCT) von Beckhoff. Die entsprechenden Motorleitungen sind teilgeschirmt ausgeführt. So reduziert sich der Manteldurchmesser sowie die Biegeradien, was den mechanischen Installationsaufwand verringert.

Der AX1000 unterstützt verschiedene Motortypen, etwa Synchron-Servomotoren der ‚AM8000‘-Reihe mit OCT, Asynchronmotoren und Reluktanzmotoren – jeweils mit oder ohne Feedback. Gerade in Anwendungen mit geringeren Dynamikanforderungen sind Reluktanzmotoren eine wirtschaftliche Alternative. Der Aufwand für die entsprechende Einstellung des AX1000 ist minimal. Bei den Doppelachs-Geräten können achsweise auch zwei unterschiedliche Motortypen ausgewählt werden.

Serienmäßig ist der AX1000 mit der TwinSAFE-Funktion ‚STO/SS1‘ ausgestattet. Die Parametrierung erfolgt über FSoE; die Aktivierung kann wahlweise über FSoE oder die optionalen Safety-I/Os erfolgen. Die getaktete Ausführung der Safety-I/Os ermöglicht den direkten Anschluss eines Not-Halt-Schalters ohne zusätzlichen Leitungsausschluss. Mit der Option ‚TwinSAFE Safe Motion‘ stehen weitere Sicherheitsfunktionen zur Verfügung.

Der Autor: Dirk Hansen ist Senior Produktmanager Antriebstechnik bei Beckhoff Automation. © Beckhoff Automation

Der AX1000 ist über EtherCAT in das TwinCAT-System eingebunden und bietet damit die bekannten Möglichkeiten für Inbetriebnahme, Betrieb und Diagnose. Werkzeuge wie ‚TwinCAT 3 Drive Manager 2‘, ‚TwinCAT 3 Autotuning‘, ‚TwinCAT 3 Bode Plot‘ und ‚TwinCAT 3 Cogging Compensation‘ stehen ebenso zur Verfügung. Die Integration in den Motion Designer unterstützt die individuelle Auslegung der Antriebsachsen.

Frequenzumrichter für den kleinen Leistungsbereich

Der Frequenzumrichter AF1000 ist wie der Servoverstärker AX1000 vollständig in TwinCAT integriert und wird in zwei Anschlussvarianten angeboten: bis 2,2 kW mit einphasiger Einspeisung (1 × 230 V(AC)) sowie von 1,1 bis 4,5 kW mit dreiphasiger Einspeisung (3 × 400 V(AC)). Die Leistungsabstufung orientiert sich an der allgemeinen Normreihe der Asynchronmotoren. Die Doppelachs-Ausführung des AF1000 nutzt gemeinsame Baugruppen wie EtherCAT-Interface, Microcontroller, Netzteil und Gehäuse, wodurch der Platzbedarf sinkt.

Der Autor: Andreas Golf ist Senior Produktmanager Antriebstechnik bei Beckhoff Automation. © Beckhoff Automation

Der AF1000 teilt viele Merkmale mit dem AX1000, darunter das Kunststoffgehäuse, die hohe Zwischenkreiskapazität, die interne 24-V-Steuerspannungsversorgung und den Anschluss über externe Entstörfilter. Durch gleiche Abmessungen kann der AF1000 direkt in AX1000-Systeme integriert werden, wenn bestimmte Achsen in der jeweiligen Applikation nicht unbedingt servogeregelt ausgeführt sein müssen. Die Motorleitung ist ungeschirmt. Der AF1000 ermöglicht den Anschluss von Motor-Thermofühlern (‚PT1000‘, ‚KTY‘, LPTC600‘), deren Auswertung im Gerät erfolgt.

Da Haltebremsen bei Asynchronmotoren selten eingesetzt werden und teils höhere Spannungen erfordern, wurde auf einen direkten Anschluss für eine Haltebremse verzichtet. Bei Bedarf steht dafür ein digitaler Ausgang zur Ansteuerung eines externen Relais zur Verfügung.

Der Frequenzumrichter unterstützt Asynchron-, Reluktanz- und Servomotoren, die sensorlos – also ohne Lagegeber – mit U/f-Kennlinie oder vektorgeregelt betrieben werden können. Damit lassen sich wirtschaftliche Antriebssysteme für Anwendungen wie Bandantriebe, Pumpen und Lüfter realisieren. Bei den Doppelachs-Geräten können achsweise auch zwei unterschiedliche Motormodelle verwendet werden. Optional kann der AF1000 mit der TwinSAFE-Funktion STO/SS1 ausgestattet werden, wahlweise mit oder ohne I/Os. Parametrierung und Aktivierung erfolgen analog zu den Servoverstärkern über FSoE oder über optionale Safety-I/Os mit Taktung.

Der AF1000 ist über EtherCAT nahtlos in das TwinCAT-System integriert und bietet somit denselben Umfang bei Auslegung, Inbetriebnahme, Betrieb und Diagnose. Wie bei den Servoverstärkern erfolgt die Inbetriebnahme des Frequenzumrichters ebenfalls mit TwinCAT 3 Drive Manager 2. Damit entfällt die Notwendigkeit einer separaten Software.