Modulare Stromschienen für Mehrachs-Servoverstärker

| Autor / Redakteur: Silke Lödige * / Kristin Rinortner

Modulare Stromschienen: Die Lösung ist ausgelegt auf den Einsatz in IP20 Servo-Mehrachsverstärkern für den Zwischenkreis und die 24-V-Steuerspannungsversorgung.
Modulare Stromschienen: Die Lösung ist ausgelegt auf den Einsatz in IP20 Servo-Mehrachsverstärkern für den Zwischenkreis und die 24-V-Steuerspannungsversorgung. (Bild: Weidmüller)

Bei Mehrachsverstärkern für viele Antriebe sind Stromschienen für den DC-Zwischenkreis und die 24-V-Steuerspannung die passende Lösung. Eine modulare Stromschiene bietet hier viele Vorteile.

Industrieroboter, Werkzeugmaschinen, Druckanlagen und viele weitere Maschinen des produzierenden Gewerbes wären ohne Servo-Antriebe nicht denkbar. Sie kombinieren Lage-, Geschwindigkeits- oder Momentenregelung mit höchsten Anforderungen an Dynamik und Präzision.

Die Hauptkomponenten einer Servo-Achse sind der Servo-Motor und der Servo-Umrichter. Der Servo-Motor ist je nach Einsatz mit Getriebe und Bremse sowie Sensorik zur Winkel- und Drehzahlrückführung ausgestattet. Der Servo-Umrichter (häufig auch Servo-Verstärker, Servo-Regler oder Servo-Drive genannt) ist zwischen Steuerung und Servomotor positioniert. Er beinhaltet die Leistungs- und Steuerelektronik für die Regelung, Sollwertgenerierung und Überwachung. Der Leistungsteil ist in der Regel als Spannungs-Zwischenkreisverstärker ausgeführt. Der Zwischenkreis wird z. B. über eine Diodenbrücke meist direkt, also ohne Transformator, aus dem 3-phasigen Versorgungsnetz generiert.

Verstärker bieten hohe Leistung auf kleinem Raum

Bei den Motoren ist es offensichtlich, dass Platz Mangelware ist. Insbesondere bei Roboterarmen, in denen teilweise die Antriebe für Greifer auf der Gesamtkonstruktion „mitfahren“, spielen sowohl das Volumen als auch das Gewicht eine entscheidende Rolle. Aber auch bei den Umrichtern wird der Platzbedarf immer wichtiger, während die Geräte zugleich immer mehr Funktionen übernehmen müssen. Waren die ersten Servo-Antriebe noch reine Hilfs- oder Stellantriebe, beherrschen die neuesten Modelle komplexe Funktionen wie Winkelsynchronlauf, elektronische Kurvenscheibe, Touch-Probe-Verarbeitung oder Momentenregelung.

Eine besonders große Rolle spielt der Platzbedarf bei Mehrachsverstärkern, die bei komplexen Maschinen und Anlagen mit einer Vielzahl an Antrieben zum Einsatz kommen. Ein Achsverbund besteht dabei immer aus einem Versorgungsmodul und mehreren Achsmodulen. Das Versorgungsmodul dient zur Energieversorgung des Gleichspannungszwischenkreises und oftmals auch der 24-V-Versorgung der zumeist galvanisch getrennten Steuerung.

Wie Sie den DC-Zwischenkreis richtig auslegen

Neben der Platzersparnis ist der Vorteil eines Mehrachsverstärkers, dass ein Energieaustausch zwischen den Achsen durch einen gemeinsamen Zwischenkreis, einen gemeinsamen DC-Bus, möglich wird. Damit lässt sich die Bremsenergie einzelner Achsen zwischenspeichern und wiederum zum Beschleunigen anderer Achsen nutzen. Dies minimiert die Energieabfuhr in Bremswiderstände und die damit verbundene unnötige Umwandlung in Abwärme; zusätzliche Kühlmaßnahmen entfallen.

Servo-Mehrachsverstärker bieten somit viele Vorteile. Allerdings stellen die komplexen Energieflüsse für die Geräteentwickler eine besondere Herausforderung dar. Die Auslegung der Installation und Verbindungstechnik der 24-V-Versorgung kann nicht einfach „top down“ erfolgen. Sie muss auch bei extremen Betriebssituationen allen relevanten Normen genügen.

Die Einspeisung in den DC-Zwischenkreis ist so auszuwählen, dass in allen Betriebsfällen ausreichend Energie aus dem Netz in den Zwischenkreis eingespeist werden kann. Auch die Verbindungstechnik muss für entsprechend große Summenströme im Zwischenkreis ausgelegt sein, da in einem Achsverbund sehr schnell hohe Ströme von mehr als 100 A erreicht werden.

Eine Daisy-Chain-Verkabelung, also die Verbindung von Gerät zu Gerät in einem solchen Achsverbund, wird mit entsprechend großen Anschlussquerschnitten von Kabeln oder Leitungen zunehmend schwerer zu realisieren. Die Kabel sind steif, d.h., sie erzeugen wie eine gespannte Feder seitlich einwirkende Kräfte auf die Steckverbinder. Außerdem benötigen große Leiterquerschnitte entsprechende Biegeradien. Diese sind bei eng benachbarten Steckstellen dann nur noch durch unnötig lange Kabelwege zu realisieren, die eine Art Looping formen. Das kostet Platz und Material.

Für das Einrast-Bussystem sind keine Werkzeuge erforderlich. Dadurch werden Montage und Installation vereinfacht.
Für das Einrast-Bussystem sind keine Werkzeuge erforderlich. Dadurch werden Montage und Installation vereinfacht. (Bild: Weidmüller)

Der Einsatz von Steckverbindern empfiehlt sich deshalb eher für eigenständige Geräte, die nur in geringem Umfang zu einem Verbund kombiniert werden. So können bei Anwendungen mit nur wenigen Achsen die Vorteile eines gemeinsamen DC-Zwischenkreises genutzt werden, aber auch der Servo-Verstärker als Einzelgerät eingesetzt werden. Als Richtgröße für eine Verdrahtung mit Steckverbindern oder Anschlussklemmen hat sich in der Praxis eine Kombination von zwei bis vier Servo-Verstärkern herausgestellt. Aufgrund der limitierten Anzahl an Leitungen und der ebenfalls limitierten Stromtragfähigkeit bleibt der Verdrahtungsaufwand für den Anwender vertretbar.

Sollen mehr als vier Servo-Verstärker zu einem Verbund integriert werden, sind Stromschienen für den DC-Zwischenkreis und die 24-V-Steuerspannungsversorgung zweckmäßiger als eine klassische Verkabelung. Generell können Stromschienensysteme vergleichsweise hohe Summenströme übertragen und benötigen kaum Platz. Allerdings sind auch bei dieser Variante viele Vorgaben bezüglich Auslegung und Zulassung zu beachten.

Die modulare Stromschienenlösung ermöglicht eine einfache Geräteintegration und die ideale Auslegung von Baugröße und technischen Daten für typische Mehrachsservoverstärker.
Die modulare Stromschienenlösung ermöglicht eine einfache Geräteintegration und die ideale Auslegung von Baugröße und technischen Daten für typische Mehrachsservoverstärker. (Bild: Weidmüller)

Stromschienen für den DC-Zwischenkreis

Bei Mehrachsverstärkern zur Steuerung einer größeren Zahl von Antrieben sind Stromschienen-Systeme für den DC-Zwischenkreis und die 24-V-Steuerspannung die passende Lösung. Weidmüller hat hierfür eine modulare Stromschiene entwickelt. Das System besteht aus Anschlussblöcken (BUS-connector – PB-Con) mit Federkontakten zur Aufnahme der Stromschienen und einer Schraubkontaktierung zur jeweiligen Leiterplatte eines Gerätes. Der Anschlussblock übernimmt dabei sowohl die mechanische als auch die elektrische Verbindung der Stromschiene.

Die Stromschienen gibt es in zwei Ausführungen. Bei der Stromversorgung des Achsverbundes wird der Federkontakt des Anschlussblocks über die gesamte Länge kontaktiert. Dies erlaubt eine Stromeinspeisung bis zu 160 A in das Stromschienensystem. Zum Anschluss der Antriebsmodule untereinander gibt es Stromschienenverbinder in 50 mm, 100 m oder modularer Länge, abhängig der Gerätebreite. Zum fingersicheren Abschluss dienen Isolations-Endkappen.

Herkömmliche Installationen eines DC-Zwischenkreises über Kabel und Anschlussklemmen oder Steckverbinder
Herkömmliche Installationen eines DC-Zwischenkreises über Kabel und Anschlussklemmen oder Steckverbinder (Bild: Weidmüller)

Vorteile für Anwender und Geräteentwickler

Ein weiterer Vorteil des Systems ist, dass es für die Top- oder Frontmontage an Geräten geeignet ist. Aufgrund des toleranzausgleichenden Federkontaktsystems für Modulversatz von bis zu +/-2 mm gibt dies dem Geräteentwickler den Freiheitsgrad, die Zwischenkreisanschlüsse an die Gerätefront oder von oben an das Gerät anzubinden. Somit lässt sich das System ideal an die Einbaubedingungen des jeweiligen Geräteverbunds anpassen.

Beispiel für eine herstellerspezifische Stromschienenlösung
Beispiel für eine herstellerspezifische Stromschienenlösung (Bild: Weidmüller)

Von der Lösung aus Detmold sollen alle Beteiligten profitieren. Der Anwender kann die Stromschienen schnell, einfach und ohne Werkzeuge montieren. Die Stromschienen-Verbinder verrasten, was die mechanische Stabilität erhöht. Der Toleranzausgleich erlaubt dabei eine einfache Befestigung des Achsverbundes auf der Schaltschrank-Montageplatte. Der Aufbau ist fingersicher und erlaubt einen schnellen Austausch einzelner Drive-Module aus einem Achsverbund.

Einfache Geräteintegration von DC-Zwischenkreisversorgung und 24-V-Versorgung für Mehrachs-Servomehrachsverstärker
Einfache Geräteintegration von DC-Zwischenkreisversorgung und 24-V-Versorgung für Mehrachs-Servomehrachsverstärker (Bild: Weidmüller)

Genauso vorteilhaft ist der Einsatz für Geräteentwickler: Das System ist auf die Baugrößen und technischen Daten typischer Mehrachs-Servoverstärker ausgelegt. Dabei sind unterschiedliche Modulbreiten von Stromversorgungen und Drive-Modulen möglich. Durch die Nutzung registrierter UL-Komponenten gestaltet sich die Zulassung nach UL unkompliziert. Gleichzeitig entfallen der Entwicklungsaufwand und Investitionen für eine proprietäre Lösung, was die Projektdurchlaufzeit verkürzt.

https://files.vogel.de/vogelonline/vogelonline/issues/ep/2019/022.pdf Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 22/2019 (Download PDF)

* Silke Lödige ist Referentin Fachpresse bei Weidmüller in Detmold.

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