Wellenlose Antriebstechnik in Druckmaschinen: Motoren, Synchronisation und Drehzahlregelung

Jede mechanische Bewegung braucht eine Energiequelle, und der Antrieb einer Druckmaschine muss mehr leisten als eine Welle zu drehen. Er muss eine konstante Drehzahl halten, auf die Bedienung reagieren und eine stufenlose Drehzahlanpassung bei wechselnden Aufträgen ermöglichen. Bevor wellenlose Antriebe aufkamen, durchliefen Zeitungsdruckmaschinen zwei Generationen der elektrischen Drehzahlregelung. Schleifring-Asynchronmotoren dominierten bis in die 1970er Jahre und können als erste Generation bezeichnet werden. Ab den 1970er Jahren brachte der Fortschritt in der Gleichstrom-Drehzahlregelung Gleichstromantriebe und Schleifringläufermotoren in breite Anwendung, die zweite Generation. Das Bild änderte sich 1992, als Rexroth SYNAX baute, das erste wellenlose Antriebssystem, das für eine Druckmaschine entwickelt wurde. Innerhalb eines Jahrzehnts hatte die wellenlose Drehzahlregelung die älteren Methoden bei Zeitungsdruckmaschinen abgelöst.

Wellenlose Antriebe als neues Maschinenkonzept

Die wellenlose Kraftübertragung hat sich zu einem neuen Konzept in der Druckmaschinenentwicklung entwickelt. Sie durchbricht die Grenzen, die eine gemeinsame mechanische Welle für den Maschinenaufbau setzt, und eröffnet Raum für neue Konstruktionen sowohl in der Entwicklung als auch in der Fertigung von Druckmaschinen. Die Technologie stammt von jenem SYNAX-System aus dem Jahr 1992 und hat sich seitdem bei einer Reihe von Antriebsspezialisten weltweit verbreitet.

Kommunikationsstandards innerhalb eines wellenlosen Antriebs

Das System basiert auf verteilter Intelligenz und folgt SERCOS, dem Serial Real time Communication System, einem internationalen Antriebskommunikationsstandard. Steuerinformationen werden digital in Echtzeit über Glasfaser übertragen. Jede Motorengruppe verwendet eine verteilte intelligente Karte, die 40 Motorpositionen verwalten kann, und die Karten können per Glasfaser verbunden werden, um eine Steuergruppe zu bilden, die bis zu 1000 Positionen aus 32 angeschlossenen Karten abdeckt.

Wie die Einheiten synchron bleiben

Die Synchronisation stützt sich auf drei Teile: einen intelligenten digitalen Frequenzumrichter, Asynchronmotoren und einen 32-Bit-Digitalencoder mit geschlossener Rückführung. Das Encodersystem korrigiert die Motorposition 4000 Mal pro Sekunde, während der Frequenzumrichter den Asynchronmotor in Einheiten von zwei Millionen schrittweise verstellt. Die digitale Glasfaserübertragung über eine Ethernet-Schnittstelle überträgt diese Daten mit der Auflösung und Registergenauigkeit, die die Druckqualität erfordert.

Was der wellenlose Antrieb zur Maschinensteuerung beiträgt

Verteilter und modularer Antriebsaufbau. Mehrbahn-Konfigurationen können kleinere Antriebseinheiten verwenden. Bei einer Roland-Achtfarben-Turmdruckmaschine mit einfach umlaufendem, doppelt großem Zylinder beispielsweise wechselten die Antriebsmotoren von einem einzelnen Motor mit 90 kW oder mehr zu einzelnen Motoren mit 27 kW oder weniger, und die Belastung des Stromnetzes beim Anlauf sank um mehr als das Dreifache.

Registerfehler durch mechanische Übertragung verschwinden. Veröffentlichte Zahlen für eine Druckmaschine mit acht Druckwerken zeigen, dass die Abweichung zwischen Werk 1 und Werk 8 siebenmal größer sein kann als die Abweichung zwischen Werk 1 und Werk 2, weil jedes mechanisch synchronisierte Teil seine eigene Toleranz mitbringt. Dieser Fehler verschwindet erst, wenn Zahnräder und Wellen eine kontinuierliche Drehung erreichen.

Die Rüstzeit sinkt. Jedes Farbwerk kann einzeln angetrieben werden, sodass mehrere Personen die Maschine gleichzeitig vorbereiten können. Eine Roland-Achtfarben-Turmdruckmaschine verwendet vier Antriebsmotoren, eine KBA-Achtfarben-Turmdruckmaschine verwendet acht.

Die Steuerung wird austauschbar. Da das System einen internationalen Antriebskommunikationsstandard verwendet, trägt keine wellenlose Druckmaschine eine Patentbeschränkung auf die Informationsübertragung.

Die Fehlerdiagnose ist zuverlässig. Mit SERCOS kann der Hersteller die Standardbetriebsparameter im System speichern, Live-Parameter von der Druckmaschine sammeln und beide vergleichen, um einen Fehler zu lokalisieren.

Die Drehzahlregelung an den Antriebswalzen erreicht eine Genauigkeit von 0,01 Prozent, was eine präzise Steuerung der Zugwalzengeschwindigkeit, einen stabilen Bahnlauf, gleichmäßige Spannung und einen konsistenten Schnitt über mehrere Bahnen ermöglicht.

Die Positioniergenauigkeit erhöht die Zuverlässigkeit des automatischen Plattenwechsels und verkürzt die Reaktionszeit des Druck- und Schnittregisters, was den Makulaturanfall senkt.

Frequenzumrichter-Drehzahlregelung und der Drehstrommotor

Der wellenlose Antrieb einer Druckmaschine hängt eng mit der Frequenzumrichter-Drehzahlregelung zusammen. Diese Technik nutzt die Hauptkenngrößen eines Drehstrom-Asynchronmotors, dessen Drehzahl der Beziehung n = 60f/p folgt. Die Drehzahl n wird durch die aktuelle Frequenz f und die Anzahl der Magnetpolpaare p bestimmt, und die Polpaare lassen sich nach dem Bau des Motors nicht mehr ändern. Die Motordrehzahl ist daher proportional zur Frequenz, und ein Frequenzumrichter nutzt genau diesen Zusammenhang, um die Ausgangsdrehzahl festzulegen.

Der AC-Frequenzumrichter an einer Druckmaschine

In den späten 1980er Jahren verbesserte ein neuer Feldeffekttransistor, der IGBT, das Verhalten von Frequenzumrichtermotoren, und Druckmaschinen begannen, die Frequenzumrichter-Regelung einzusetzen. Die Anordnung kombiniert einen Wechselrichter mit einem Drehstrom-Asynchronmotor und verwendet meist den AC-DC-AC-Spannungstyp. Dieser Typ eignet sich für die Konstantstromregelung, die dem konstanten Drehmomentbedarf einer Druckmaschine entspricht, und er arbeitet mit geringer Leistung, weshalb die industrielle Steuerungstechnik ihn auch AC-Servoregelung nennt. Der Zyklus hat zwei Stufen. Zuerst wird die dreiphasige Versorgung mit fester Frequenz in Gleichstrom gleichgerichtet. Zweitens wird der Gleichstrom wieder in Wechselstrom umgerichtet, und die Steuerung der Frequenz dieses umgerichteten Ausgangs steuert die Motordrehzahl. Die Wechselrichterbrücke eines wellenlosen Antriebs verwendet IGBT-Schaltungen, die spannungsgesteuerte Bauelemente mit geringer Steuerleistung und Schaltfrequenzen bis 20 kHz sind. Das Ergebnis ist eine Stromwellenform, die näher an der Netzversorgung liegt, ein Motor, der mehr von seinem Drehstromverhalten behält, weniger elektromagnetisches Rauschen, eine einfachere Schaltung, eine bessere Selbstbehandlung häufiger Fehler, eine geringere Ausfallrate und geringere Verluste im Wechselrichter selbst.

Drei Möglichkeiten zur Regelung eines AC-Frequenzumrichters

Der Aufbau einer Druckmaschine macht die Last ungleichmäßig, doch die Druckbarkeit erfordert einen ruhigen Lauf für gleichbleibende Qualität. Daraus folgen zwei praktische Fragen: Ändert der Wechsel von DC- auf AC-Antrieb das Druckergebnis, und wie werden Motoren synchronisiert, wenn einige Encoder tragen und andere nicht?

Vektorregelung. Ein Gleichstrommotor dreht sich in zwei senkrechten Magnetfeldern, und die Steuerung eines Feldes steuert sowohl die Drehzahl als auch das mechanische Verhalten. Ein Drehstrom-Asynchronmotor hält ein senkrechtes Feld nur für einen Augenblick. Die Vektorregelung spricht die Wechselrichterbrücke so an, dass das momentane senkrechte Feld gesteuert wird. Der erste Schritt teilt das Sollwertsignal in zwei rotierende Gleichstromkomponenten auf, die Magnetfeldkomponente iM und die Drehmomentkomponente iT. Der zweite Schritt wandelt diese Komponenten unter Verwendung der Motorparameter in die Steuersignale iA, iB und iC für die Drehstrom-Wechselrichterbrücke um.

Vektorregelung ohne Rückführung. Ein häufiger Motortyp an wellenlosen Druckmaschinen trägt keinen Encoder, läuft aber nicht als offene Steuerung ohne Drehzahlregelung. Die Synchronisation erfolgt durch Messung von Klemmenspannung und Strom, Berechnung des Rotorflusses und der Rotorwinkelgeschwindigkeit und Verwendung dieser Werte mit den Motorparametern in derselben Transformation. Das dynamische Verhalten ist etwas schwächer, und eine Druckmaschine, die diese Regelung an ihren Farbregistermotoren verwendet, kann bei Drehzahländerungen kleine Registerabweichungen zeigen.

Vektorregelung mit Rückführung. Wo die Druckbarkeit eine exakte Drehzahlregelung verlangt, etwa beim Einstellen der Produktionsgeschwindigkeit oder beim Halten der Farbregisterdrehzahl, wird ein Encoder direkt am Motor angebracht. Er meldet die Rotordrehzahl für die Transformation und hält die Motordrehzahl eng am Sollwert. Das dynamische Verhalten ist stark, und das Register verschiebt sich bei Drehzahländerungen nicht.