Wird das Netzteil zu klein dimensioniert, kommt es bei einer Achse beim Beschleunigen zu Fehlern aufgrund von Unterspannung im Servoantrieb. Kann die regenerative Energie nirgendwo abgeleitet werden, kommt es beim Abbremsen der Achse zu Fehlern aufgrund von Überspannung.

Zwischen diesen beiden Ausfallarten liegt ein Auslegungsverfahren, das auf vier Zahlen basiert: dem Dauerstrom, den die Anwendung tatsächlich aufnimmt, dem Spitzenstrom, den sie in kurzen Impulsen aufnimmt, der Ausgangsspannung, die der Motor bei maximaler Drehzahl benötigt, und der Energie, die durch den Umrichter zurückfließt, wenn die Last abbremst.

In diesem Leitfaden werden alle vier Themen behandelt, einschließlich eines vollständigen, anhand von echter Hardware durchgeführten Beispiels.

Ziel

Ermitteln Sie die Nennstromstärke, die Spitzenstrombelastbarkeit, die Ausgangsspannung und die Rückspeisekapazität, die ein Gleichstromnetzteil benötigt, um eine bestimmte Servoachse zuverlässig zu betreiben – ohne für Reservekapazitäten zu bezahlen, die in der Anwendung niemals genutzt werden.

Welche Informationen benötigen Sie, bevor Sie das richtige Netzteil auswählen?

Bevor Sie etwas zuschneiden, legen Sie Folgendes bereit:

• Der Nenn-Dauerstrom, der Spitzenstrom und der zulässige Gleichspannungsbereich des Servoantriebs, wie im Datenblatt angegeben.
• Die Drehmomentkonstante (Kt) und die Gegen-EMK-Konstante (Ke) des Motors.
• Das Bewegungsprofil der Anwendung: das Drehmoment und die Dauer jeder Phase – Beschleunigung, Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit, Verzögerung und Haltezeit.
• Die auf die Motorwelle übertragene Gesamtmasse, einschließlich der Last, korrigiert um etwaige Getriebe- oder Riemenübersetzungen.
• Unabhängig davon, ob die Achse eine erhebliche Trägheit oder eine hohe Last abbremst: Vertikale Achsen, schnelle Indexierung und große rotierende Massen machen die Regenerierung zu einem zentralen Konstruktionsfaktor und nicht nur zu einer Randnotiz.

Wie sich Antrieb und Versorgung die Arbeit aufteilen

Servoantriebe, die auf einem Gleichspannungs-Eingang basieren – darunter die Produktfamilien AxCent™, DigiFlex® Performance™ und FlexPro® von AMC –, wandeln den dreiphasigen Netzstrom nicht intern in Gleichstrom um. Die Stromversorgung ist eine eigenständige, separat zu spezifizierende Komponente.

Im Datenblatt des Antriebs sind ein Spannungsbereich für die Gleichstromversorgung (beispielsweise 10–80 VDC bei vielen kompakten Servoantrieben von AMC) sowie die Nennwerte für Dauer- und Spitzenstrom angegeben; die Aufgabe des Netzteils besteht darin, die Spannung innerhalb dieses Bereichs zu halten und gleichzeitig den für die Anwendung erforderlichen Strom bereitzustellen, einschließlich des Stroms, der während der Verzögerung zurückfließt.

Zwei Bereitstellungsarchitekturen decken den größten Teil dieses Bereichs ab, und die Wahl zwischen ihnen ist ein echter Kompromiss.

Anhand der folgenden Schritte lässt sich feststellen, welche Variante passt.

Schritt 1 – Ermittlung des Dauerstrombedarfs

Die Nenn-Dauerstromstärke des Netzteils muss den Effektivstrom abdecken, den die Anwendung über einen vollständigen Bewegungszyklus hinweg aufnimmt – nicht den Nenn-Dauerstrom des Antriebs, der diesem Wert nur dann entspricht, wenn die Anwendung den Antrieb mit seiner vollen Nennleistung betreibt. 

Die AMC-eigene Richtlinie zur Auslegung von Servomotoren verwendet eine RMS-Methode zur Bestimmung des Motordrehmoments; dieselbe Methode lässt sich direkt auf den Strom anwenden.

ichRMS = √[ (I12t1 + I22t2 + … + In2tn) / (t1 + t2 + … + tn) ]

In = Strom während des Bewegungssegments n (A); tn = Dauer des Segments n (s)

Betrachten wir ein einachsiges Drehgelenk, das von einem bürstenlosen Servomotor mit Kt = Ke = 0,09 N·m/A (etwa 9,4 V pro kRPM) angetrieben wird, einem gesamten reflektierten Trägheitsmoment von 2,0×10⁻⁴ kg·m² und einer maximalen Drehzahl von 5.000 U/min (523,6 rad/s). Das Bewegungsprofil: Beschleunigung mit 1,4 N·m, Betrieb mit 0,35 N·m, Verzögerung mit 1,4 N·m, anschließend Verweilzeit.

Bei 1,4 N·m und 2,0×10⁻⁴ kg·m² beträgt die Winkelbeschleunigung 7.000 rad/s², sodass es 75 ms dauert, bis aus dem Stillstand 523,6 rad/s erreicht werden – dasselbe gilt für die Verzögerung. Rechnet man ein Laufsegment von 150 ms und eine Haltezeit von 400 ms hinzu, ergibt sich ein Zyklus von 700 ms bzw. etwa 1,4 Hz.

Umrechnung des Drehmoments in Strom mit I = T/Kt: 15,6 A während der Beschleunigung und Verzögerung, 3,9 A während der Laufphase, 0 A im Stillstand.

IRMS = √[(15,6² × 0,075 + 3,9² × 0,15 + 15,6² × 0,075) / 0,7] ≈ 7,4 A

Diese 7,4 A – und nicht die Dauerbelastbarkeit des Laufwerks von 10 A – ist der Wert, den die Dauerbelastbarkeit des Netzteils abdecken muss.

Schritt 2 – Ermittlung des Spitzenstrombedarfs

Der Spitzenstrom ist der höchste Momentanstrom im Profil – in diesem Fall die 15,6 A während der Beschleunigung und Verzögerung. Im Gegensatz zum Dauerstrom muss die Stromversorgung diesen Spitzenstrom nicht unbegrenzt liefern: Die DigiFlex® Performance™-Antriebe von AMC begrenzen den Spitzenstrom auf Basis der Last und lassen ihn für einen begrenzten Zeitraum zu, bevor er wieder auf den Nenn-Dauerstrom zurückfällt (siehe AMC-Anwendungshinweis 003, „Peak Current Recovery“). Was das Netzteil jedoch benötigt, ist genügend Spielraum, damit die Busspannung während dieses Zeitraums nicht zusammenbricht – eine zu geringe Netzimpedanz oder zu lange Kabelwege führen unter Spitzenlast zu einem Absacken des Busses, selbst wenn der Nennstrom technisch verfügbar ist, und der Antrieb interpretiert einen absackenden Bus als Unterspannung.

Die AMC-eigenen Richtlinien zur Auswahl von Antrieben sehen vor, dass die Stromkapazität sowohl des Antriebs als auch der Stromversorgung mindestens 25% über dem erwarteten Stromaufnahmewert der Anwendung liegen muss. Bei einem Dauerstrom von 7,4 A und einem Spitzenstrom von 15,6 A erfüllt ein Antrieb mit einer Nennleistung von 10 A / 20 A – der DigiFlex® Performance™ DPRALTE-020B080 von AMC – übertrifft diese Anforderungen mit einer Sicherheitsmarge von 35% bzw. 28%.

Schritt 3 – Wählen Sie die Ausgangsspannung aus

Die Ausgangsspannung wird durch die Gegen-EMK des Motors bei maximaler Drehzahl bestimmt, nicht durch den Nennmaximalwert des Antriebs. Je schneller sich der Motor dreht, desto linearer steigt die von ihm erzeugte Spannung mit der Drehzahl an; die Versorgungsspannung muss mit ausreichender Reserve über dieser Spannung liegen, damit die Stromregelungsschleife des Antriebs den Strom weiterhin regeln kann – andernfalls verliert die Achse genau dort an Drehmoment und Drehzahlkontrolle, wo die Anwendung diese in der Regel am dringendsten benötigt.

vbemf,max = Ke × ωmax

Ke = Gegen-EMK-Konstante, V/(rad/s); ωmax = maximale Motordrehzahl, rad/s

Für den Beispielmotor gilt: Vbemf,max = 0,09 × 523,6 = 47,1 V.

Die Richtlinien von AMC zur Antriebsauswahl sehen außerdem einen Sicherheitsabstand von 25% zwischen der vorgesehenen Betriebsspannung und sowohl der Unter- als auch der Überspannungsgrenze vor. Angewandt auf den Mindestwert der Gegen-EMK ergibt sich: Vbus,min = 1,25 × 47,1 V ≈ 58,9 V. Ein 72-VDC-Netzteil – das PS16H72 von AMC, ein ungeregeltes, transformatorisoliertes Modell mit einer Nennstromstärke von 11 A im Dauerbetrieb – übertrifft diesen Mindestwert mit einer Sicherheitsmarge von 53% über der rohen Gegen-EMK und liegt damit komfortabel innerhalb des Nennbereichs von 20–80 VDC des DPRALTE-020B080.

Damit verbleibt jedoch nur noch eine Marge von etwa 10% unterhalb der 80-V-Obergrenze des Antriebs, und die Gegen-EMK ist nicht der einzige Faktor, der die Busspannung in die Höhe treibt. Auch die Verzögerung trägt dazu bei – und das ist das nächste Problem, das bei der Dimensionierung berücksichtigt werden muss.

Schritt 4 – Dimensionierung für regenerative Energie

Bei jedem Bremsvorgang wird die kinetische Energie der Last über den Antrieb zurück in den Gleichstrombus geleitet. Eine ungeregelte Stromversorgung verfügt über keinen Pfad, um diese Energie aufzunehmen – sie ist nicht dafür ausgelegt, Rückstrom abzuleiten –, sodass die Sammelschienenspannung ansteigt, bis der Antrieb wegen Überspannung ausfällt oder im schlimmsten Fall die Sammelschienenkondensatoren überlastet werden.

Eregen = 0,5 × Jinsgesamt × (ωich2 − ωf2)

Jtotal = auf die Motorwelle übertragene Trägheit, kg·m²; ωi, ωf = Winkelgeschwindigkeit vor und nach der Verzögerung, rad/s

Für die Beispielachse, die von 523,6 rad/s bis zum Stillstand abbremst: Eregen = 0,5 × 2,0 × 10⁻⁴ × 523,6² ≈ 27,4 J pro Ereignis.

Bei einer Zyklusfrequenz des Profils von 1,4 Hz ergibt sich daraus eine durchschnittliche Rückspeiseleistung von etwa 39 W (27,4 J × 1,4 Ereignisse/s). Ein Shunt-Regler, der auf diesen Durchschnittswert – und nicht nur auf den momentanen Spitzenwert – ausgelegt ist, ist das, was eine widerstandsbasierte Lösung tatsächlich benötigt, um dauerhaft zu funktionieren.

Der Shunt-Regler SRST80 von AMC begrenzt die Spannung auf 80 VDC – abgestimmt auf den Nenn-Maximalwert des DPRALTE-020B080 – und ist für eine Dauerverlustleistung von 95 W ausgelegt. Die durchschnittliche Last von 39 W in diesem Beispiel nutzt deutlich weniger als die Hälfte dieser Kapazität aus, wodurch Spielraum für schnellere Schaltzyklen oder eine höhere Trägheit als im nominalen Auslegungsfall verbleibt.

Dies ist auch die eigentliche Abhilfe gegen den Mangel an Spannungsreserve in Schritt 3: Der Shunt-Regler begrenzt die Spannung am Sammelschienensystem auf einen bekannten Wert, bevor diese die Überspannungsgrenze des Antriebs erreicht, anstatt sich allein auf die Spannungsreserve zu verlassen.

Schritt 5 – Anpassung der Versorgungsregelung an die Anwendung

Eine ungeregelte Stromversorgung in Verbindung mit einem externen Shunt-Regler – wie bei der oben genannten Kombination aus PS16H72 und SRST80 – ist eine gängige, kostengünstige Lösung für ein- oder wenigexig betriebene Maschinen mit einem begrenzten, vorhersehbaren Regenerationsprofil. Allerdings schwankt ihre Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Last und der Eingangsnetzspannung: Eine hohe Netzspannung von 10% treibt die Busspannung 10% weiter in die Höhe, noch bevor eine Rückspeisung überhaupt in Betracht gezogen wird, und dies muss bei der Überprüfung des Spannungsspielraums in Schritt 3 berücksichtigt werden, statt als separate Sicherheitsmarge behandelt zu werden.

Ein geregeltes Netzteil wie das PFC2400W375 von AMC hält die Ausgangsspannung unabhängig von Last- und Netzschwankungen nahezu konstant, und sein integrierter Shunt-Regler sowie die Leistungsfaktorkorrektur absorbieren die Rückspeisung und reduzieren Oberschwingungen im Eingangsstrom, ohne dass eine separate Komponente erforderlich ist. Diese Fähigkeit ist kostspieliger und bringt eine Komplexität mit sich, die die meisten einachsigen Anwendungen nicht benötigen. Sie macht sich jedoch bezahlt, wenn die Netzschwankungen groß sind, wenn sich mehrere Achsen einen Bus teilen und sich deren Rückspeisevorgänge überschneiden können oder wenn der Oberwellenanteil für die Stromqualität der Anlage von Bedeutung ist.

Kabelverbindungen zwischen Stromversorgung und Antrieb verursachen bei Spitzenstrom einen zusätzlichen Spannungsabfall; lange oder unterdimensionierte Anschlussleitungen schmälern die oben berechneten Sicherheitsmargen ebenso direkt wie eine unterdimensionierte Stromversorgung.

Schritt 6 – Überprüfung des Einschaltstroms und der Belastung des gemeinsamen Busses

Die Kapazität des Gleichstrombusses stellt beim Einschalten eine niederohmige Last dar; überprüfen Sie die Einschaltstrombelastbarkeit des Netzteils – oder fügen Sie eine Vorladeschaltung hinzu –, und zwar vor dem ersten Einschalten und nicht erst, nachdem im Werk ein Schutzschalter ausgelöst hat.

Wenn sich mehrere Antriebe eine Stromversorgung teilen, ist der Dauerstrom als Summe der Effektivwerte des Strombedarfs jeder Achse zu bemessen – für diesen Teil gibt es keine Abkürzung. Der Spitzenstrom ist eher anwendungsspezifisch: Die Bemessung erfolgt anhand der Summe der Spitzenwerte, es sei denn, die Bewegungsabläufe schließen eine gleichzeitige Beschleunigung aus; in diesem Fall wird in manchen Konstruktionen ein Diversitätsfaktor angewendet – dies ist eine Ermessensentscheidung und keine Standardannahme.

Überprüfung

Sicherheit: Beim Messen einer unter Spannung stehenden Gleichstromschiene gelten die üblichen Vorsichtsmaßnahmen zur Entladung der Schiene sowie zur Absperrung und Kennzeichnung. Vergewissern Sie sich vor dem Kontakt gemäß dem Hardware-Handbuch des Umrichters, dass die Spannung der Schiene innerhalb der sicheren Grenzwerte liegt.

Überprüfen Sie die Dimensionierung auf dem Prüfstand, bevor das Gerät in die Produktion geht. Messen Sie die Gleichstrom-Sammelschienenspannung an den Klemmen des Umrichters während des ungünstigsten Spitzenstromereignisses – sie sollte mit ausreichender Reserve über der Mindestnennspannung des Umrichters liegen. Messen Sie den Wert erneut bei maximaler Soll-Drehzahl unter Last, um sicherzustellen, dass der Spielraum für die Gegen-EMK nicht nur auf dem Papier, sondern auch in der Praxis gegeben ist. Falls ein Shunt-Regler in der Konstruktion vorgesehen ist, überwachen Sie dessen Einschaltdauer oder Gehäusetemperatur während eines repräsentativen Dauerbetriebs; ein Regler, der heiß läuft oder nahezu im Dauerbetrieb arbeitet, deutet darauf hin, dass die Berechnung der Energierückgewinnung überprüft werden muss.

Fehlerbehebung bei zu kleinen oder nicht passenden Verbrauchsmaterialien

Die Fehlersignaturen lassen auf einen bestimmten Schritt bei der Dimensionierung schließen:

Anpassung der AMC-Hardware an die Zahlen

Das obige Anwendungsbeispiel verwendet drei echte, miteinander kompatible AMC-Komponenten: einen DigiFlex® Performance™ DPRALTE-020B080-Servoantrieb (10 A Dauerleistung / 20 A Spitzenleistung, 20–80 VDC), ein ungeregeltes PS16H72-Netzteil (72 VDC, 11 A Dauer, transformatorisoliert) und einen SRST80-Shunt-Regler (80 VDC Klemmspannung, 95 W Dauerverlustleistung). Jede Zahl in der Berechnung entspricht einer Angabe in einem echten Datenblatt – die Zuverlässigkeit des Auslegungsverfahrens hängt vollständig von der Richtigkeit dieser Angaben ab.

Für Systeme mit höherer Leistung oder mehrachsige Systeme, bei denen Netzschwankungen oder sich überschneidende Rückspeisevorgänge ein echtes Problem darstellen, deckt der PFC2400W375 von AMC – ein geregeltes, leistungsfaktorkorrigiertes Netzteil mit integriertem Shunt-Regler, ausgelegt für 375 VDC bei 2,4 kW Dauerleistung – den Fall ab, in dem die Kompromisse eines ungeregelten Netzteils nicht mehr akzeptabel sind. Die Wahl zwischen den beiden hängt davon ab, welche Kompromisse aus Schritt 5 am besten zur jeweiligen Anwendung passen.

Fazit

Bei der Dimensionierung des Netzteils für einen Servoantrieb sind vier Punkte zu prüfen – Dauerstrom, Spitzenstrom, Spannungsreserve gegenüber der Gegen-EMK und die Ableitung der Rückspeiseenergie –, wobei die tatsächlichen Werte aus dem Datenblatt und nicht die Nenn-Maximalwerte des Antriebs zugrunde gelegt werden sollten. Wird auch nur einer dieser vier Punkte außer Acht gelassen, ist das Netzteil das erste Bauteil, das ausfällt.