Eine Servoantriebswelle kann bei der Inbetriebnahme eine ausreichende Positioniergenauigkeit, ein adäquates dynamisches Ansprechverhalten und ein ausreichendes Drehmoment aufweisen, im Feldeinsatz jedoch aufgrund einer weniger offensichtlichen Ursache an Leistung einbüßen: einer falschen Kabeldimensionierung. Die Dimensionierung des Kabels für einen Servoantrieb erfordert die Berücksichtigung von mehr als nur dem Leiterquerschnitt. PWM-Ausgangsleistung, Effektivstrom, Überlastspitzen, Leitungslänge, elektromagnetische Verträglichkeit und mechanische Bewegung des Antriebs sind allesamt Bestandteile derselben technischen Entscheidung.

In kritischen Industrieanwendungen kann ein zu kleines Kabel zu erhöhten Verlusten, übermäßiger Erwärmung, einer geringeren Spannungsreserve für den Motor und beschleunigten Isolationsausfällen führen. Andererseits löst eine Vergrößerung des Querschnitts ohne Berücksichtigung von Kapazität, Schirmung und den Vorgaben des Antriebsherstellers das Systemproblem nicht. Die Dimensionierung sollte auf dem Servoantrieb, dem Servomotor, der Installation und dem Betriebszyklus basieren.

Welche Änderungen gibt es am Kabel eines Servosystems?

Das Kabel zwischen Servoregler und Servomotor führt eine pulsweitenmodulierte Spannung. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen sinusförmigen Stromversorgung weisen hochfrequente Impulse steile Spannungsflanken auf, die als hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeit (dv/dt) bezeichnet werden. Dieses Verhalten erhöht die Anforderungen an die Isolierung, die Schirmung und die Konstruktionsgeometrie des Kabels.

Bei längeren Leitungsstrecken kann die Wechselwirkung zwischen Wechselrichter, Kabel und Motor Wellenreflexionen verursachen. In der Praxis können Spannungsspitzen an den Motorklemmen die Nennspannung des Bus deutlich überschreiten. Dieser Effekt hängt von der Antriebstechnik, der Kabellänge, der Schaltfrequenz, der Wellenimpedanz und dem Motortyp ab. Daher ist die vom Servoantriebshersteller angegebene maximal zulässige Kabellänge ein Auslegungsparameter und nicht nur eine Empfehlung.

Es ist außerdem notwendig, die Funktionen zu trennen. Im Allgemeinen gibt es ein Stromkabel für den Servomotor und ein separates Signalkabel für den Encoder, Resolver oder die Rückkopplung. Werden diese Schaltungen ohne geeignete Architektur im selben Stromkreis geführt, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit von Störungen, Rückkopplungsfehlern und Regelungsinstabilität. In manchen Systemen haben Bremsen, Temperatursensoren und Hilfssignale eigene Anforderungen, die bei der Auswahl der Baugruppe berücksichtigt werden müssen.

Wie man in der Praxis die Kabelgröße für Servoantriebe dimensioniert.

Ausgangspunkt ist die technische Dokumentation des Servoantriebs und des Motors. Der Nennstrom des Motors darf nicht isoliert betrachtet werden. Das Kabel muss dem zu erwartenden Effektivstrom im Betriebszyklus sowie den vom Antrieb zulässigen Überlastereignissen standhalten. Bei schnell beschleunigenden Wellen kann der Spitzenstrom zwar kurzzeitig hoch sein, jedoch nicht dauerhaft.

Die ingenieurtechnische Abfolge muss mindestens die folgenden Daten berücksichtigen:

• Nennstrom und Spitzenstrom des Servomotors;
• Versorgungsspannung und Servoantriebstopologie;
• Tatsächliche Länge zwischen Antrieb und Motor, einschließlich Strecken, Kurven und technischer Überhänge;
• Installationsmethode, Umgebungstemperatur und Kabelmanagement;
• Bewegungssystem, wie z. B. Festinstallation, Seilbahn oder Roboter;
• Längenbegrenzung und Filteranforderungen werden vom Antriebshersteller festgelegt.

Anhand dieser Informationen wird der Leiterquerschnitt unter Berücksichtigung der Installationsbedingungen und der Strombelastbarkeit bestimmt. Hohe Temperaturen, in Schutzrohren verlegte Kabel, mangelhafte Belüftung und andere unter Spannung stehende Stromkreise verringern die Wärmekapazität der Leitung. Ein Kabel, das die Stromanforderungen auf einer Werkbank erfüllt, erfüllt diese möglicherweise nicht in einem Schaltschrank, in einer belegten Kabelrinne oder in einer industriellen Leitungsführung mit hohen Temperaturen.

Die anwendbaren Normen variieren je nach Maschine, Zielmarkt und vertraglicher Spezifikation. In Industrieanlagen können Anforderungen gemäß NBR 5410, IEC 60204-1 und Produktnormen die Analyse leiten. Die tatsächliche Konformität hängt jedoch vom Gesamtsystem ab, einschließlich Schutz, Installation, OEM-Dokumentation und Einsatzbedingungen. Das Kabeldatenblatt sollte Nennspannung, Flexibilitätsklasse, Leiterzusammensetzung, Temperaturbereich und Schirmungseigenschaften klar angeben.

Spannungsabfall: Berechnen Sie ihn, aber hören Sie damit nicht auf.

Der Spannungsabfall bleibt ein notwendiges Kriterium, insbesondere in langen Stromkreisen und solchen mit höheren Strömen. Für einen Dreiphasenstromkreis kann eine erste Näherung wie folgt ausgedrückt werden:

ΔV = √3 × I × L × R

In dieser Gleichung steht ΔV für den Spannungsabfall, I für den Strom, L für die Länge des Stromkreises und R für den spezifischen Widerstand des Leiters. In umfassenderen Analysen werden auch die Reaktanz, der Leistungsfaktor und thermische Einflüsse, die den elektrischen Widerstand verändern, berücksichtigt.

Ziel ist es, auch unter maximaler Belastung eine ausreichende Spannung an den Motorklemmen aufrechtzuerhalten. Diese Berechnung ersetzt jedoch nicht die Überprüfung der maximalen Kabellänge für den PWM-Ausgang. Ein Kabel kann zwar einen akzeptablen Spannungsabfall aufweisen, aber aufgrund von Streukapazität und Reflexionen dennoch die vom Antriebshersteller empfohlene Grenze überschreiten.

Überschreitet die erforderliche Länge diese Grenze, kann die Lösung einen dv/dt-Filter, einen Sinusfilter, eine Ausgangsdrossel oder eine andere Anlagenarchitektur umfassen. Die Wahl sollte anhand des jeweiligen Antriebs validiert werden. Der generelle Einsatz eines Filters kann Verluste, Systemverhalten, Platzbedarf im Schaltschrank und Projektkosten beeinflussen.

Rüstung und EMC sind keine optionalen Gegenstände.

Servoantriebe arbeiten mit hochfrequenten Schaltvorgängen und können leitungsgebundene oder abgestrahlte Störungen in die industrielle Umgebung einbringen. Das Stromkabel muss mit einer für die Anwendung geeigneten Schirmung ausgewählt und gemäß der Erdungsstrategie der Maschine installiert werden. Eine Kupferschirmung mit guter Abdeckung in Kombination mit 360°-Anschlüssen an kompatiblen Steckverbindern oder Kabelverschraubungen bietet eine deutlich bessere Leistung als eine lange Anschlussleitung.

Die Schirmung muss über die gesamte Strecke hinweg durchgehend gewährleistet sein. Verbindungsstellen, ungeeignete Steckverbinder, Verlegungen in der Nähe von Instrumentenkabeln und mangelhafte Erdung beeinträchtigen die elektromagnetische Verträglichkeit. Die Auswahl eines geschirmten Kabels aus einem Katalog reicht nicht aus: Die Montage hat einen wesentlichen Einfluss auf das Ergebnis.

Das Encoderkabel erfordert besondere Aufmerksamkeit, da es Signale mit geringer Amplitude und hoher Empfindlichkeit überträgt. Die physische Trennung von Stromversorgung und Signal, die Verwendung ordnungsgemäß geschirmter Adernpaare und korrekte Schleifenverbindungen reduzieren das Risiko von intermittierenden Ausfällen, Referenzverlust und schwer reproduzierbaren Alarmen. Bei hochpräzisen Achsen wirken sich diese Vorsichtsmaßnahmen direkt auf die Stabilität der Steuerung aus.

Die mechanische Anwendung bestimmt den Kabelaufbau.

Bei festen Installationen kann der elektrischen Kapazität, der EMV, der Wärmebeständigkeit und der Beständigkeit gegenüber Öl oder Chemikalien Priorität eingeräumt werden. Bei Kabelträgersystemen hingegen gewinnen der minimale Biegeradius , die Biegefrequenz, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die Füllkapazität des Trägers und die Torsionsfestigkeit an Bedeutung. Ein für den festen Einsatz konzipiertes Kabel ist nicht automatisch für kontinuierliche Bewegung geeignet.

In der Robotik ist Torsion oft genauso kritisch wie Biegung. Die interne Konstruktion, die Leiterseilführung, die Paaranordnung, die Schirmung und das Mantelmaterial müssen wiederholter Belastung ohne elektrische Veränderungen oder vorzeitigen Ausfall standhalten. Ein korrekter Abschnitt mit unzureichender mechanischer Konstruktion stellt keine ausreichende Spezifikation dar.

Es ist außerdem notwendig, die Umgebungsbedingungen zu beurteilen. Öl, Fett, abrasive Partikel, Feuchtigkeit, UV-Strahlung, industrielle Reinigung, Hitze und korrosive Atmosphären beeinflussen die Wahl der Dämmung und der Außenverkleidung. Bei Projekten im Schiffbau, Bergbau, der Öl- und Gasindustrie oder im Außenbereich können die Anforderungen Brandverhalten, geringe Rauchentwicklung, Chemikalienbeständigkeit oder die Einhaltung spezifischer Kundennormen umfassen.

Fehler, die die Wellenleistung beeinträchtigen

Ein häufiger Fehler ist die alleinige Auswahl des Kabels anhand des Nennstroms des Motors. Ein weiterer Fehler ist die Verwendung von Standard-Steuerkabeln für die Servorückmeldung oder ungeschirmten Stromkabeln für den Antriebsausgang. Beides mag unter einfachen Bedingungen funktionieren, versagt aber, wenn die Maschine unter Last läuft, wenn sich weitere Umrichter am selben Schaltschrank befinden oder wenn die Welle in einen Dauerbetrieb gerät.

Auch die Wahl der Steckverbinder verdient Beachtung. Zulässiger Strom, Schirmung, Abdichtung, Zugentlastung und Kompatibilität mit dem Motorstandard müssen zum Kabel passen. Ein Hochleistungssystem verliert an Zuverlässigkeit, wenn der Übergang zwischen Kabel und Steckverbinder zu Überhitzung, Schirmungsunterbrechungen oder mechanischer Belastung der Anschlüsse führt.

Die Dokumentation muss Abschnitt, Anzahl der Wege, Schirmung, Spannung, Adernpaar-Kennung, Installationstyp und Anwendungsgrenze enthalten. Diese Rückverfolgbarkeit erleichtert Wartung, Austausch und Erweiterung der Maschine ohne Improvisationen, die das Verhalten des Antriebs verändern.

Für Projekte, die einen dauerhaften Betrieb erfordern, entwickelt Innovcable Spezialkabel, die die elektrischen, mechanischen und umweltbedingten Anforderungen der jeweiligen Anwendung berücksichtigen. Die kundenspezifische Fertigung ermöglicht eine exakte Anpassung der Lösung an die benötigte Trassenführung, Verlegung, Norm und Zuverlässigkeitsstufe.

Die optimale Kabeldimensionierung ist nicht unbedingt die mit dem größten Querschnitt oder den niedrigsten Anschaffungskosten. Entscheidend ist die Dimensionierung, die den Servoantrieb innerhalb seiner Grenzen hält, die Signalqualität gewährleistet und den Belastungen im realen Betrieb standhält. Vor der Kauffreigabe muss die Baugruppe anhand der Antriebs-, Motor- und Installationsdaten geprüft werden: In dieser Phase verhindert die Entwicklung Ausfallzeiten, die im Feld deutlich teurer wären.