Technik

Nie wieder Kabelbruch: Berührungslose Energieübertragung im Betonfertigteilwerk

Schleppketten oder Schleifkontakte bei Ausfahrwagen sind anfällig gegen Schmutz und Witterung. Die Folge sind häufige Störungen und hoher Wartungsaufwand. Eine Lösung können Systeme zur induktiven, also berührungslosen, Übertragung von Energie darstellen.

Fahrzeuge in Produktionshallen werden meist mit elektrischen Antrieben ausgerüstet. Die Schwachstelle eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs liegt in der Energieversorgung des Fahrzeugs. Bei spurgeführten Fahrzeugen wird der elektrische Strom in der Regel über Schleppleitungen oder Stromschienen zugeführt. Ersteres bei kleinen Aktionsradien, die zweite Möglichkeit wird speziell bei langen Verfahrwegen eingesetzt. Stromschiene und Schleppleitung sind marktüblich und bewährt, haben aber den Nachteil, dass von Zeit zu Zeit Schleifkontakte oder überbeanspruchte Leitungen getauscht werden müssen. Ein weiterer Nachteil sind Kreuzungen mit anderen Verkehrswegen im Werk. Diese lassen sich nur aufwändig realisieren. Eine Alternative ist das batteriebetriebene Fahrzeug. Doch besonders in kalten Wintern kann es zu Ausfällen kommen, wenn schlichtweg die Batterie versagt.

Ideal wäre ein System, das die elektrische Energie auf das Fahrzeug überträgt, ohne dass es zu mechanischer Beanspruchung kommt und ohne dass die Energie auf dem Fahrzeug gepuffert werden muss. Dazu muss die Energie berührungslos und mit einem hohen Wirkungsgrad vom Fußboden auf das Fahrzeug übertragen werden. Solche Systeme sind bereits seit mehreren Jahren auf dem Markt.

Ausfahrwagen mit berührungsloser Energieversorgung.
Ausfahrwagen mit berührungsloser Energieversorgung.

Das System funktioniert prinzipiell wie ein Transformator. In einer Spule wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt. Dieses Feld induziert in einer zweiten Spule eine Spannung gleicher Frequenz. Im Gegensatz zum Transformator ist die zweite Spule jedoch beweglich angeordnet. Daraus resultieren zwei gravierende Unterschiede zum normalen Trafo. Zum einen muss das elektromagnetische Feld entlang der gesamten Fahrstrecke erzeugt werden. Eine klassische Spule fällt also aus. Stattdessen wird ein Linienleiter verwendet, also quasi eine Spule mit einer Windung. Dieser Leiter wird klassischerweise über die gesamte Fahrstecke im Fußboden eingelassen.

Der andere Unterschied zum Transformator ist der Luftspalt. Statt des sonst geschlossenen Eisenkerns zwischen den beiden Wicklungen muss das elektromagnetische Feld bis zu 20 Millimeter Luft überwinden bevor es die zweite Spule erreicht. Je größer der Luftspalt ist, desto schlechter ist der Wirkungsgrad des Transformators.

Würde eine solche Übertragungseinrichtung mit der normalen Netzfrequenz von 50 Hz betrieben, käme auf dem Fahrzeug keine nennenswerte Leistung an. Erhöht man jedoch die Frequenz deutlich, verbessert sich auch der Wirkungsgrad des Systems. Das nun beschriebene Produkt der Firma SEW arbeitet mit einer Frequenz von 25.000 Hz. Der Linienleiter wird dabei mit bis zu 85 A Stromstärke durchflossen. Durch dieses starke und schnell wechselnde Magnetfeld lassen sich pro Übertragungskopf 1,5 KW Leistung übertragen.

Linienleiter vor dem Vergießen.
Linienleiter vor dem Vergießen.

Am Beispiel des Systems Movitrans der Firma SEW wird nun der Systemaufbau beschrieben. Über die gesamte Fahrstrecke des Fahrzeugs ist ein Linienleiter in den Boden eingelassen. Das Anschaltmodul erzeugt eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 25 kHz und versorgt damit den Linienleiter. Dieser erzeugt ein elektromagnetisches Feld. Zwischen Linienleiter und Übertragungskopf ist ein Luftspalt von 20 Millimeter eingestellt. Die im Übertragungskopf induzierte Wechselspannung wird durch den Anpasssteller in einen 500V Gleichstrom gewandelt. Dieser wird dann in den Zwischenkreis der Frequenzumrichter eingespeist. Mit dem System lässt sich eine maximale Leistung von 16 KW übertragen.

Dabei können mehrere Fahrzeuge unabhängig voneinander versorgt werden. Pro Übertragungskopf werden bis zu 1,5 KW übertragen. Benötigt ein Fahrzeug mehr als 1,5 KW Leistung, werden mehrere Übertragungsköpfe auf dem Fahrzeug installiert. Bei 4 Übertragungsköpfen steht also eine Leistung von 6 KW auf dem Fahrzeug zur Verfügung.

Das erste Mal in der Betonfertigteilindus­trie kam das System SEW Movitrans bei der Firma Rector Lesage im elsässischen Werk Weyersheim zum Einsatz. Die Aufgabe bestand in der Modernisierung eines 100 Meter langen Ausfahrhubwagens. Bis zu 24 Tonnen schwere Betonteilstapel werden aus der Halle in den Außenbereich gefahren und dort abgesetzt. Der 4 KW Fahrmotor und das Hydraulikaggregat mit zwei Motoren mit je 2,2 KW Leistung mussten mit elektrischem Strom versorgt werden. Der Kunde wünschte eine robus-te und kontaktlose Lösung. Unitechnik realisierte die Aufgabe zusammen mit dem Hersteller des Ausfahrhubwagens, der Firma Vollert Anlagenbau. Beim nächsten Modernisierungsvorhaben der Firma Rector Lesage in Nantes kam ein automatischer Ausfahrhubwagen zum Einsatz. Über das dort vorgesehene Funksystem Dataeagle wird das Profisafe-Protokoll übertragen. So können sogar Sicherheitsfunktionen durch die Luft übertragen werden. Weitere Implementierungsvarianten sind industrial-WLAN und Datenlichtschranken.

Die berührungslose Energieübertragung ist für den rauen Alltag in einem Betonfertigteilwerk gut geeignet. Bei einer übertragbaren Leistung von bis zu 16 KW lassen sich die Lasten im Betonfertigteilwerk bequem meistern. Bei Kreuzungen mit anderen Verkehrswegen stellt die Energiezuführung kein Hindernis mehr dar.

 
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