Überblick über moderne elektrische Antriebe

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Umrichter, Motor und Getriebe – Ein mechatronisches System

Im gesamten großen Leistungsbereich von 100 W bis 10 MW werden derzeit nahezu ausschließlich Frequenzumrichter mit Spannungs-Zwischenkreis, so genannte U-Umrichter – eingesetzt (Bild 1). Der Aufbau eines Frequenzumrichters ist übersichtlich: man unterscheidet zwischen dem Hardware-Teil – die Energieschiene in der die Energie vom Netz zum Motor fließt - und dem Software-Teil für die Steuer-, Regel- und Kommunikationsaufgaben.

Beim U-Umrichter wird der Zwischenkreis-Kondensator C aus dem Netz meist über einen ungesteuerten Gleichrichter geladen. Der Motorwechselrichter formt die Gleichspannung des Zwischenkreises durch geeignetes, sinusbewertetes Pulsen mit optimierten Pulsmustern für die Halbleiterschalter in ein frequenz- und spannungsvariables Drehspannungssystem zur Speisung des Motors um (Bild 1). Von der Stromstärke bestimmt wird das Volumen der Elemente in der Leistungsschiene und damit des Gerätes, für die die Halbleiterschalter und die Filter ausgelegt werden müssen. Die größte Wärmequelle im Gerät sind die Schaltverluste im Motorwechselrichter. Sie werden über Konvektion oder Flüssigkeitskühlung abgeführt; dennoch arbeiten Umrichter mit Wirkungsgraden von über 97 Prozent. Die Zwischenkreiskapazität C kann zum Überbrücken kurzzeitiger Netzausfälle durch externe Module vergrößert werden. Wird die „Last“ bei kurzzeitigen Bremsvorgängen generatorisch, so setzt ein Brems-Chopper die Bremsenergie in Wärme um. Bei längerem Bremsen wird die Energie in das Netz zurückgespeist.

Software bestimmt Eigenschaften und Funktionalitäten des Umrichters

Die Hardware wird von der Software gesteuert und überwacht und sie erledigt zudem die Kommunikation mit dem Umfeld. Eine geeignete Parametrierung optimiert das Zusammenspiel zwischen Umrichter und Motor bei der Inbetriebnahme und führt erst dann zur richtigen Zusammenarbeit der beiden Komponenten, wodurch Umrichter und Motor die mechatronische Funktionseinheit bilden. Dadurch ergeben sich auch die drei Hauptschnittstellen, die einen modernen Antrieb in das Umfeld einbinden:

a) die mechanische Schnittstelle „A“ zum Prozess hin

b) die elektrische Schnittstelle zum speisenden Netz „B“ zum Bezug oder zur Rückspeisung der Energie, sowie

c) die Kommunikationsschnittstelle „C“ für den bidirektionalen – heute auch globalen - Datenaustausch (Bild 1).

Die in das Umrichter-Gerät „eingespielte“ Software bestimmt die Eigenschaften und Funktionalitäten eines Umrichter-Antriebes ganz erheblich. Man unterscheidet verschiedene Einsatzfälle:

• Einfachantriebe (z.B. Pumpen, Lüfter)
• Antriebe mit begrenzten Ansprüchen
• Antriebe für hohe Ansprüche und
• Servoantriebe für höchste Ansprüche.

Standard, für Motion-Control-Aufgaben oder mit SPS-Funktionalität

Mit entsprechend ausgewählten Umrichterantrieben lassen sich vom einfachen Einzelantrieb bis zum mechatronisch gekoppelten, koordinierten Mehrachssystem mit optimierter Drehmomentregelung alle Antriebsaufgaben erfüllen, wenn für die genaue Führung oder Positionierung ein digitaler, inkrementaler Geber die Position zurückmeldet.

Denkt man sich die Software in drei Schichten aufgebaut, so entspricht die Grundschicht dem Betriebssystem des Umrichters. Das ist die Standard-Ausrüstung für die „Grundbedürfnisse“ in „Basisausstattung“. Bei höher- und höchstwertigen Geräten sind darüber noch zwei weitere Softwareschichten mit erweiterten Funktionalitäten angelegt: die Mittelschicht mit Motion-Control-Aufgaben und Technologiefunktionen, sowie darüber die Ober-Schicht mit der internen SPS-Funktionalität, die den Aufbau von modularen, dezentralen Systemen stark unterstützt.

Mechatronische Antriebe mit ensprechender Software kann man insgesamt in vier Arten mit zwölf Gruppen einteilen, wie in Tabelle 1 zu sehen ist. Umfangreiche numerische Berechnungsprogramme erleichtern die Bemessung der komplexen Antriebskomponenten. Dazu bieten viele Hersteller im Internet kostenfreie Berechnungsprogramme an. Firmenspezifische Software-Tools erleichtern außerdem die Konstruktion und die Inbetriebnahme (Bild 2).

Merke: Die Geräte-Software und die „Tools“ gewinnen zunehmend an Bedeutung, da sie die Funktionalitäten bestimmt und Konstruktion und Inbetriebnahme erleichtern!

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