GreenTech-Robot mit powerMELA-Antrieb von STW

Die Elektrifizierung von Fahrzeugen ist Thema Nummer 1 in den Entwicklungsabteilungen und Hauptgegenstand von vielen Konferenzen. Gerade bei Mobilen Arbeitsmaschinen versprechen elektrische Antriebe neue innovative Lösungen, wobei nicht mehr nur die Energieeinsparung eine Hauptrolle spielt. Vielmehr steht auch die Geräuschemission und Schadstoffreduzierung im Vordergrund. Ebenso die deutlich vereinfachte Energieverteilung, gute Regeleigenschaften und hohe Dynamik, ermöglichen einfachere Konstruktionen und führen zu völlig neuen Funktionen und Ansätzen zur Optimierung von Fahrantrieben und Arbeitsprozessen bei Mobilen Arbeitsmaschinen. Es entstehen zunehmend elektrische Antriebslösungen, die aufgrund der steigenden Ansprüche von Kunden gefordert werden.

Der Rangierspezialist Vollert aus dem süddeutschen Weinsberg hat sich der Herausforderung gestellt und einen Rangier-Robot DER 120 mit diesel-elektrischem Antriebsystem aufgebaut. Im Zementwerk Hatschek im österreichischen Gmunden sorgt er im täglichen Betrieb für einen sicheren und umweltfreundlichen Verladebetrieb. Die neue Antriebstechnik mit variabler Drehzahl verspricht einen deutlich reduzierten Kraftstoffverbrauch und damit eine langfristig höhere Wirtschaftlichkeit. Mit einer Zugleistung von 120 kN bietet der 180 kW-Dieselmotor ausreichend Rangierkraft. Der wassergekühlte 6-Zylinder-Reihenmotor mit Turboaufladung, Ladeluftkühlung und externer Abgasrückführung gewährleistet hierbei die Abgasemissionsnorm EU Stufe III B bzw. Tier 4 mit Partikelfilter, optional auch EU Stufe IV. Der massive Rahmen ist eine robuste Schweißkonstruktion entsprechend den gültigen DIN- und Bahn-Normen. Die Komfortkabine verfügt über ergonomisch angeordnete Bedienelemente, eine Klimaanlage sowie eine effektive Schallisolierung.

Abbildung 1: Höchstes Drehmoment und satte E-Power von Anfang an. Die neue Antriebsgeneration von Vollert bietet höhere Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit.


Die Drehzahl der Dieselmotoren passt sich kontinuierlich an die benötigte Leistung an. Möglich wird dies durch das powerMELA-Antriebssystem der Sensor-Technik Wiedemann GmbH (STW). Bei gleichen Leistungswerten wird dadurch die Verwendung kleinerer Dieselmotoren ermöglicht, was den Verbrauch nochmals reduziert. Die powerMELA-Antriebe sind im 4-Quadranten Betrieb ausgeführt und damit sowohl als Generator und auch als Motor einsetzbar. Der powerMELA-Generator ist über ein Verteilergetriebe an den Dieselmotor angebunden. Dieser wandelt die vom Diesel erzeugte mechanische Energie in elektrische um und versorgt damit die Antriebsmotoren. Diese sind mit einem Stirnradgetriebe kombiniert und treiben die Achsen an.


Kompakte E-Motoren mit integriertem Umrichter


STW entwickelt und produziert Komponenten für eine erfolgreiche Elektrifizierung, die in Forst- bzw. Agrarmaschinen, Baumaschinen und in der Bahntechnik zum Einsatz kommen. Durch den Technologie-Baukasten und den modularen Ansatz der powerMELA-Produkte konnte das Projekt sehr schnell realisiert werden. Die Systemauslegung und Applikationssoftware musste nur auf den Green Robot adaptiert werden. Der Synchronmotor mit seiner innovativen Kühlung setzt in Bezug auf Kompaktheit und Leistungsgewicht neue Maßstäbe. Durch die Integration des Umrichters in das Motorgehäuse entsteht eine geschlossene Einheit, die zudem die Einrichtung eines zentralen Schaltschranks einspart und den Installationsaufwand somit vermindert. Die Verkabelung zwischen Umrichter und Motor entfällt vollständig. Mit einer Schutzart von IP69k und schutzisoliertem Aufbau ist er bestens für mobile Anwendungen gerüstet.
Der permanenterregte Synchronmotor hat den höchsten Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Motortechnologien. Die Minimierung der Verluste wird zudem durch eine optimale Auslegung und Abstimmung von Motor, Elektronik und Regelung erreicht. Dazu gehört die Anpassung der Leistungsdaten von Elektronik und Motor und eine bestmögliche Ansteuerung. Diese erfolgt bei der powerMELA C-Serie durch eine feldorientierte Regelung mit dem MTPA-Verfahren (Maximum Torque Per Ampere). Hierbei wird zusätzlich zur Lorentzkraft der Permanentmagneten das Reluktanzmoment des Motors verwendet und so der Motorstrom minimiert. Eine adaptive Regelung, die  Änderungen von Motor-Parametern während des Betriebs berücksichtigt, trägt weiter zu einem höheren Wirkungsgrad bei.
Durch die Integration des Feldschwächebetriebs wird der Drehzahlbereich um den Faktor 2 auf 6000 Umdrehungen pro Minute erweitert. In diesem Betriebsbereich steht die volle Leistung unabhängig von der Drehzahl zur Verfügung.


Systemumgebung für die erfolgreiche Elektrifizierung von Fahrzeugen

Abbildung 2: Konfigurierbares powerMELA Elektrisches Antriebssystem mit robusten Komponenten für den mobilen Einsatz.


Um die Möglichkeiten, die Elektroantriebe bieten, voll nutzen zu können, ist  eine Systemumgebung erforderlich, die Sicherheit und Verfügbarkeit garantiert. Es ist nicht ausreichend, hydraulische Komponenten einfach gegen elektrische zu tauschen.
Um die einzelnen Komponenten nicht zu überlasten und einen stabilen Betrieb zu gewährleisten, ist ein Powermanagement sinnvoll. Insbesondere wenn in dem Gleichspannungsnetz am Fahrzeug kein Speicher vorhanden ist, müssen abgegebene und aufgenommene Leistung zu jedem Zeitpunkt im Gleichgewicht stehen.
Damit ein Generator an einem Diesel optimal betrieben werden kann, ist eine Grenzlast-Regelung nötig. Ohne diese Regelung muss eine Leistungsreserve vorgehalten werden. Dadurch minimieren sich die Vorteile der Elektrifizierung, weil höhere Drehzahlen des Diesels nötig sind und dieser nicht zu 100% ausgelastet werden kann.
Um die elektrische Sicherheit zu garantieren, ist das System vor Überspannung zu schützen und auf Isolationsschäden zu prüfen. STW hat dazu einen Brems-Chopper mit integrierter Isolationsmessung entwickelt. Der Brems-Chopper schaltet sich bei einer zu hohen Spannung automatisch zu. Kurzzeitig können damit bis zu 500 kW vernichtet werden, falls z.B. bei einer Notbremsung viel kinetische Energie über die Antriebe in das System eingespeist wird.

Abbildung 3: Der powerMELA-C 140 kW Antriebmotor im Einsatz beim Green Tech-Robot


Die Elektrifizierung im Green Tech-Robot wird nachweislich große Einsparpotentiale erschließen. Obwohl die Installationskosten zurzeit noch höher sind als mit hydraulischer Antriebstechnik, sind die Vorteile so offensichtlich, dass Amortisationen in sehr kurzer Zeit möglich sind. Mit einem Umstieg auf das elektrische Antriebsystem konnten sich der Betreiber und die Fa. Vollert einen Technologievorsprung und ein „Green Image“ für die Zukunft sichern.


Über Vollert Anlagenbau GmbH


Als Innovationsgeber entwickelt Vollert Anlagenbau wirtschaftliche Rangiersysteme für Neben- und Anschlussbahnen. Bereits seit den 50er-Jahren werden weltweit ortsfeste, seilgebundene Rangieranlagen von Vollert für das Verziehen von Eisenbahnwaggons und Zügen eingesetzt. Darüber hinaus bietet Vollert als Technologieführer autarke Rangierfahrzeuge (Rangier-Robot), Schwerlast-Transportwagen und Schiebebühnen für zuverlässige und effiziente Abläufe in Raffinerien, Minen, Häfen, Stahl- und Zementwerken, Ex-Schutz-Bereichen, Zugwaschanlagen und Wartungsbetrieben. Anlagenlösungen finden sich weltweit in über 80 Ländern, in Asien, Südamerika und Russland verstärken zudem eigene Tochtergesellschaften die Vertriebsaktivitäten. An seinem Unternehmenssitz in Weinsberg beschäftigt Vollert 250 Mitarbeiter.

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