Geregelte Antriebe kommen auf Touren 1

Der vermehrte Einsatz elektrischer Antriebe, deren zunehmende Regelung über Umrichter und der allgemeine Trend zu mehr Energieeffizienz: Diese drei Tendenzen werden die Entwicklung der elektrischen Antriebstechnik in den kommenden Jahren maßgeblich bestimmen. Details im folgenden Trendbericht.

Um die drei genannten Entwicklungstendenzen besser einordnen zu können, ist ein Blick auf die Ausgangssituation hilfreich. Die elektrische Antriebstechnik ist eine reife und in sehr vielen Anwendungen anzutreffende Basistechnologie im Maschinenbau. Der elektrische Motor ist in allen industriellen Anwendungen zu Hause. Es gibt in diesem Bereich fast keine andere Form der mechanischen Energieerzeugung. Nur bei mobilen Anwendungen dominiert der Verbrennungsmotor als Energiequelle mit einer rein mechanischen oder hydraulischen Energieverteilung.

Allerdings wird die über Elektromotoren erzeugte mechanische Energie in industriellen Anwendungen häufig noch pneumatisch oder hydraulisch verteilt und in Bewegungen umgesetzt. Pneumatische und hydraulische Antriebe haben zwar ihre spezifischen Vorteile – so sind bei linearen Bewegungen mit festen Anschlägen pneumatische Antriebe unschlagbar preiswert, und hydraulische Antriebe haben eine sehr hohe Kraftdichte. Aber immer häufiger werden auch solche pneumatischen und hydraulischen Antriebe durch elektrische ersetzt, weil diese sich besser regeln lassen und eine deutlich höhere Energieeffizienz besitzen.

Heute werden etwa ein Drittel aller neu installierten elektrischen Antriebe über Umrichter geregelt. Der Anteil der geregelten Antriebe hat sich damit in den vergangenen zehn Jahren verdreifacht. Unterstellt man eine erneute Verdreifachung in den kommenden zehn Jahre, hieße das, dass dann fast jeder elektrische Motor geregelt betrieben wird. Das wird der wichtigste Entwicklungstrend in der elektrischen Antriebstechnik sein: Immer mehr elektrische Antriebe werden über Umrichter geregelt – dies wird die dominierende Form der mechanischen Energie- und Bewegungserzeugung in der industriellen Anwendung werden.

Lange Zeit war bei allen Standardanwendungen der Standard-Drehstrommotor in Asynchrontechnik dominierend. Diese hat sich dabei nicht stark weiterentwickelt. Die Kosten wurden zum entscheidenden Differenzierungsmerkmal, alle weiteren Eigenschaften sind weitestgehend genormt.

IE3 braucht neue Fertigungstechnik
Erst die Energieeffizienz hat hier neue Entwicklungen initiiert. Neben der heute noch dominierenden Effizienzklasse IE1 (bislang EFF2), die den Markt mit einem Anteil von über 80 Prozent dominiert, werden Motoren auch in den höheren Effizienzklassen IE2 (bislang EFF1) und IE3 angeboten. Möglich werden diese höheren Wirkungsgrade durch mehr Kupfer, ver-lust-ärmere Bleche und insgesamt eine geringere Ausnutzung des Motorvolumens.

Während die Effizienzklasse IE2 noch auf vergleichsweise konventionellem Weg und weitgehend ohne Baugrößensprünge erreichbar ist, ist für IE3 teilweise der Übergang zu Rotoren mit Kupfer und damit eine neue Fertigungstechnik notwendig. Auch lassen sich Baugrößensprünge nicht vermeiden, letztendlich sind IE3-Motoren damit nicht mehr baugrößenkompatibel zu den heute verwendeten Standardmotoren.

Das zeigt die Beschränkungen der Asynchrontechnik: Die Wirkungsgrade sind sys-tembedingt nicht sehr hoch. Verbesserungen lassen sich nur durch höheren Materialeinsatz erreichen. Noch nicht in allen Betrachtungen enthalten ist dabei die Teillastproblematik: In fast allen Anwendungen werden Motoren die meiste Zeit bei Teillasten von 20 bis 40 Prozent der Bemessungsdaten betrieben. Der Wirkungsgrad von direkt am Netz betriebenen Asynchronmotoren ist hier besonders schlecht, und Verbesserungmöglichkeiten über die Motorkonstruktion sind begrenzt. Erst die Umrichtertechnik kann hier deutliche Steigerungen erzielen.

Energiedichte und Dynamik verbessert
Neben dem Standard-Drehstrommotor, der klassisch nicht in der Drehzahl verstellt wird, gibt es seit langer Zeit auch den drehzahlverstellbaren Antrieb, der dann häufig auch als Servoantrieb eingesetzt wird. Drehzahlverstellbare Antriebe wurden seit den 1970er Jahren mit Gleichstrommotoren und Thyristorstromrichtern realisiert. Diese Technik ist seit 15 Jahren auf dem Rückzug und führt heute ein Nischendasein. Es ist nicht davon auszugehen, dass es hier zu einer Renaissance kommen wird. Gleichstrommotoren werden noch im sehr kleinen Leistungsbereich eingesetzt, hier in der Regel auch an Spannungen von 12 V bis 48 V.

Seit den 1980er Jahren werden permanenterregte Synchronmotoren für Servo-Anwendungen verwendet. In den letzten zehn Jahren konnten hier durch die Magnetmaterialien und den Einsatz der Einzelpol- oder Zahlspulenwicklung deutliche Verbesserungen bei Energiedichte und Dynamik erreicht werden. Heute werden alle neu entwickelten Servomotoren in dieser Technologie hergestellt.

Der Synchronmotor hat aber gegenüber dem Asynchronmotor auch deutliche Vorteile im Wirkungsgrad, weil der Stromanteil für die Magnetisierung und die damit verbundenen Verluste entfallen. Deshalb werden zunehmend permanenterregte Synchronmotoren als Ersatz für Standard-Asynchronmotoren angeboten, um damit eine höhere Energieeffizienz – bis hin zur Effizienzklasse IE4 – zu erreichen. Spätestens hier kommt dann aber immer auch der Umrichter zum Einsatz, weil Synchronmotoren anders als Asynchronmotoren nicht mehr direkt am Netz betrieben werden können.

Es ist der Traum der Elektrotechnik, alles direkt elektromotorisch anzutreiben und damit Getriebe und mechanische Übertragungselemente überflüssig zu machen. Zwar wird dieser Traum nicht in Erfüllung gehen – die Physik lässt es nicht zu. Aber die Nischen, in denen Linearantriebe und Torquemotoren zum Einsatz kommen, werden zahlreicher und größer.

Linearantriebe sind immer dann von Vorteil, wenn lineare Bewegungen gleichzeitig schnell und präzise erfolgen müssen. Bekannte Anwendungen sind Werkzeugmaschinen und Bestückungsautomaten. Linearantriebe sind aber deutlich teurer als Antriebe mit Zahnriemen, und in den meisten Anwendungen im allgemeinen Maschinenbau ist eine hohe Positioniergenauigkeit auch gar nicht erforderlich. Letztendlich entscheidet damit die Anwendung, wo Linearantriebe zum Einsatz kommen. Die Anforderungen der Anwendungen verändern sich dabei im Lauf der Zeit gar nicht so dramatisch.

Grenzen für Torquemotoren
Torquemotoren haben gegenüber Getriebemotoren den Vorteil, dass sie spielfrei sind. Immer wenn eine Anwendung sehr präzise geregelt werden muss – zum Beispiel bei Gleichlaufanwendungen im Druckbereich – spielen sie ihre spezifischen Vorteile aus. Aber auch hier gilt, dass diese Anwendungen eher selten sind, sodass der Einsatz der Torquemotoren sich nicht in der Breite durchsetzen wird.

Der Getriebemotor wird weiter dominieren, um den Arbeitspunkt des Elektromotors an die Drehzahl- und Drehmoment-anforderungen der Anwendung anzupassen. Dieser Weg der Drehmomenterhöhung ist deutlich preiswerter als der über mehr Einsatz von aktivem Motormaterial. Auch der Weg zu mehr geregelten Antrieben, der häufig mit der Erhöhung der Motordrehzahl einhergehen wird, wird den Bedarf für Getriebe und damit Zahnräder eher steigen lassen als reduzieren.

Der Umrichter mit IGBT-Leistungselektronik und digitaler Regelung ist seit den 1990er Jahren die dominierende Technologie zur Drehzahlverstellung von Dreh-strommotoren. Alternative Topologien – zum Beispiel Matrixumrichter oder 3-Level-Umrichter – konnten sich nicht in der Breite durchsetzen. Grund dafür ist, dass ihre Vorteile nicht so groß sind, dass sich ihre höheren Kosten damit rechtfertigen lassen. Alternative Materialien wie Siliziumkarbid oder Galliumnitrid für die Leistungselektronik, die prinzipiell deutliche Verbesserungen versprechen, sind noch nicht anwendungsreif. Deshalb dominiert weiterhin der IGBT-Leistungstransistor aus Silizium.

Ende des Normmotors in Sicht
Klassisch unterscheidet man zwischen Frequenzumrichter und Servo-Umrichter. Die Unterschiede liegen nicht in der Topologie und in der Leistungselektronik, sondern einzig in der Regelung und der damit verbundenen Steuerelektronik. Durch die Fortschritte der Mikroelektronik sind die sich dadurch ergebenden Kostenunterschiede aber sehr klein geworden. Getrennte Produktlinien lassen sich deshalb nur noch im kleinen Leistungsbereich durch ihre Kostenunterschiede rechtfertigen.

Auch der Frequenzumrichter muss heute in der Lage sein, eine Vektorregelung auszuführen. Andererseits lassen bereits sehr preiswerte Mikrorechner dieses auch von ihrer Rechenleistung her zu. Hier hat es in den vergangenen 20 Jahren dramatische Fortschritte durch die Entwicklung der Mikroelektronik gegeben.

Die Antriebsregelung, die bereits ein einfacher Frequenzumrichter ausführen muss, wird durch die Forderung nach Energieeffizienz und die damit verbundenen Entwicklungen auch deutlich anspruchsvoller. Mit der Vektorregelung konnte eine bessere Drehmomentausbeute gerade bei niedrigen Drehzahlen erreicht werden.

Energiesparmodi können auch bei Asynchronmotoren im Teillastbetrieb den Wirkungsgrad deutlich erhöhen. Der Umstieg auf Synchronmotoren auch bei Standardanwendungen wird damit einhergehen, dass diese insbesondere im kleinen Leistungsbereich ohne Drehzahlsensor – das heißt sensorlos – angesteuert werden müssen. Gerade hier eröffnet sich noch ein weites Feld für die Verbesserung der sensorlosen Regelung von Synchronmotoren.

Wenn man den Weg zum geregelten elektrischen Antrieb konsequent weitergeht, zeichnet sich folgendes Zukunftsbild ab: Alle Elektromotoren werden über Umrichter angesteuert. Damit werden auch einfache Anwendungen, die gar keine Drehzahlverstellung benötigen, elektronisch geregelt. Die Vorteile sind ein definiertes Start-Stop-Verhalten, der Wegfall von elektromechanischen Komponenten wie Motorschutzschaltern und Schützen und eine höhere Energieeffizienz gerade im Teillastbetrieb. Mit dem Umrichtereinsatz steigen die Freiheitsgrade beim Motor: Die Nenndrehzahl kann steigen, und es kann auch die Synchrontechnik eingesetzt werden. Letztendlich bedeutet das das Ende des Normmotors, wie wir ihn bislang kannten.

Zunehmen werden aber auch dezentrale und mechatronische Konzepte, bei denen Motor und Elektronik eine Einheit bilden. Wenn alle Motoren geregelt sind, macht die räumliche Trennung von Umrichter und Motor keinen Sinn mehr.

Drehzahlverstellung wird kein Luxus mehr sein, sondern überall dort, wo es sinnvoll ist, auch zum Einsatz kommen. Letztendlich ist dieser Weg durch die EUP-Verordnung für Elektromotoren vorgezeichnet: Der Umrichtereinsatz ist für die zweite Stufe ab 2015 respektive 2017 ein gleichwertiger Ersatz für den IE3-Motor. Es ist also davon auszugehen, dass im Jahr 2020 mindestens zwei Drittel – und nicht mehr lediglich ein Drittel wie heute – aller neu installierten Elektromotoren elektronisch geregelt sein wird.