Prof. Dr.-Ing. Peter F. Brosch in der Diskussion nach der Vorlesung.

Prof. Dr.-Ing. Peter F. Brosch in der Diskussion nach der Vorlesung.

Energieeffizienz, der schon vielfach totgesagte Gleichstrommotor und Direktantriebe sind in der elektrischen Antriebstechnik die Themen der Zeit. Antriebstechnik-Experte Prof. Dr.-Ing. Peter F. Brosch, Fakultät I der FH Hannover, nimmt im Interview zu diesen Themen Stellung.

Wird langfristig betrachtet die elektrische Antriebstechnik gegenüber der Mechanik und Fluidtechnik ihre Marktposition ausbauen können?  
Die elektrische Antriebstechnik ist ideal zum Steuern und Regeln. Natürlich benötigt man zur Energieübertragung auch die Mechanik. Wegen des Verschleißes versucht man aber die Mechanik zu reduzieren, wie das bei Direktantrieben der Fall ist. Außer wenn große Kräfte gefordert sind, ist der Elektroantrieb beim Steuern, Positionieren und bei der Effizienz der Fluidtechnik überlegen.

Schon seit geraumer Zeit steht in der elektrischen Antriebstechnik die Energieeffizienz im Rampenlicht. Wo liegen Ihrer Meinung nach die größten Reserven?
Die Energieeffizienz ist ein sehr aktuelles Thema. Immerhin entfallen rund zwei Drittel des Stromverbrauchs der Industrie auf elektromotorisch angetriebene Systeme wie Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren oder Zentrifugen. Untersuchungen zeigen, dass bei diesen Antrieben die größten Reserven in der Auswahl und Bemessung der Antriebe und ihrer Komponenten liegen. Leider werden immer noch Pumpen und Lüfter von Asynchronmotoren mit konstanter Drehzahl angetrieben und mechanisch gedrosselt, um den Volumenstrom anzupassen. Drehzahlvariable Antriebe mit Frequenzumrichtern brächten da erhebliche Einsparungen, oft bereits in wenigen Monaten. Und wenn der Asynchronmotor auch noch durch PM-Synchronmotoren (Permanentmagnet) ersetzt wird, bringt das weitere Einsparungen. Natürlich muss man vorher investieren.

Es existiert eine neue EU-Verordnung zu energiesparenden Elektromotoren und intelligenten Antrieben. Die neue Regelung wird vom ZVEI als wegweisend eingestuft. Sehen Sie das auch so?  
Das sehe ich auch so und ergänze: Da haben uns die USA einmal etwas Positives über den großen Teich geschickt. Die weltweit geltenden IE-Wirkungsgradklassen (EG-Richtlinie 2005/32/EG Ecodesign of Energy using Products (EuP)) einschließlich der Prüfnormen haben hier schon belebend auf die Entwicklung gewirkt, was die Diskussionen um die Super Premium Klasse IE4 bereits zeigt, die dann alle, auch stromrichtergespeiste Synchronantriebe mit einschließt. Zur Zeit arbeiten alle Hersteller an neuen Motoren und bieten sie den Kunden an. Manche sind da wohl mit Eff3,2,1 und IE1,2,3,4 etwas überfordert. Dabei wäre gerade jetzt, während der Kurzarbeitsphase, Zeit für Tests mit den neuen Motoren, um optimiert in einen Aufschwung zu gehen.

Dem Volksmund zufolge leben Totgesagte bekanntlich länger. Gilt das auch für Gleichstrommotoren?  
Wenn der Gleichstromantrieb – in Theorie und Praxis – nicht so einfach wäre, gäbe es ihn sicher nicht mehr. Außer im Leistungsbereich bis rund 1 kW und im Bereich über mehreren 100 kW würde er bei Neuanlagen vom Drehstrommotor fast vollständig verdrängt. Wegen seiner unbestreitbaren Vorteile lasten größere Motoren aus Altanlagen die Reparaturbetriebe aus, wie man hört. Im Automotivbereich gibt es aber auch noch riesige Stückzahlen von Gleichstromantrieben, die nur kurz im Einsatz sind und bei denen der Stromwender keine Probleme bereitet.

In der Servotechnik ist enorm viel in Fluss. Was muss der Servomotor der Zukunft können?
Die anhaltende Automatisierung ruft nach immer mehr Servoantrieben: drehenden und linear bewegten. An vielen Stellen wird der Servo sogar auch als dynamischer Hauptantrieb eingesetzt und verbessert dort Ausbringungsleistung und Präzision, beispielsweise bei Pressen. Die großen Fortschritte bei der Konstruktion durch Polwicklungen (mit hohen Kupferfüllfaktoren) und Hochenergie-Permanentmagneten (bei degressiven Preisen der Asiaten), ließen den Servomotor im Volumen stark schrumpfen, auch wenn ein aufgestecktes Planetengetriebe das Drehmoment erhöhen muss. Klein und kompakt kann er sehr gut dezentral überall dort eingebaut werden, wo das Drehmoment gebraucht wird.

Einmal mittelfristig betrachtet: Wie bewerten Sie den zukünftigen Stellenwert von Asynchronmaschinen und Synchronmaschinen?  
Der Asynchronmotor ist immer noch das Arbeitspferd der Antriebstechnik. Bei drehzahlveränderbaren Antrieben erwächst ihm jedoch eine Konkurenz im PM-Synchronmotor. Der punktet sowohl beim Wirkungsgrad, als auch beim benötigten Strom, da er wegen der Permanentmagnete keinen Magnetisierungsstrom braucht. Bei allen Einsatzfällen mit Drehzahlsteuerung über Frequenzumrichter wird der Asynchronmotor wohl langfristig durch Synchronmotoren oder EK-Motoren (so genannte elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren) ersetzt.

Frequenzumrichter sind aus der modernen Antriebstechnik nicht mehr wegzudenken. Die Hardware wird vermutlich nur noch in kleinen Schritten verbessert und verkleinert. Die Hauptentwicklungsschritte liegen Branchenexperten zufolge bei der Software. Was ist hier noch zu erwarten?  
Ein Frequenzumrichter-Patent ist kürzlich 75 Jahre alt geworden. Daran kann man sehen, dass er eine längere Reifezeit brauchte: Das Massengeschäft lief erst nach der Ablösung der Löschschaltungen mit Thyristoren durch den IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) bei der Hardware, und der komplexen Analogtechnik durch den kleinen Mikroprozessor mit großen Speichern bei der Software an. Heute liegt – in der Tat – der Schwerpunkt der Entwicklung im Softwarebereich. Frequenz-umrichter unterscheiden sich eigentlich nur noch in der implementierten Betriebs-Software des Geräts und der ergänzenden Planungs-Software für den Ingenieur. Dem werden z. B. bei Motion Control, der Vernetzung, der Motor-Parametererfassung und bei der Betriebsoptimierung komplexe Werkzeuge an die Hand (in den Laptop) gegeben, um schnell und effizient den Antrieb zu projektieren und in Betrieb zu nehmen. So gewinnt die Softwarekomponente immer mehr an Gewicht.

Im Maschinen- und Anlagenbau gibt es den Trend zum Direktantrieb. Doch nicht alle Antriebstechnik-Experten bewerten die „getriebelose Zukunft“ als sinnvoll. Wie sehen Sie diese Entwicklung? 
Richtig ist: Drehende oder lineare Direktantriebe sind kein Allheilmittel. Werden sie jedoch gut geplant und konstruiert, glänzen sie damit, dass sie verschleißfrei sind, kein Umkehrspiel haben, der Schleppabstand klein ist und hohe Beschleunigungen bei kleinen Radien gemeistert werden können. Bei Fehlauslegungen fehlt allerdings hin und wieder das Getriebe, dessen Übersetzung man schnell mal ändern kann.

Der  chinesische Antriebstechnik-Markt
Lange ein Joint Venture-Markt

Prof. Dr.-Ing. Peter F. Brosch in der Diskussion nach der Vorlesung.

Gibt es markante Unterschiede zwischen dem europäischen und chinesischen Antriebsmarkt, was den Einsatz der unterschiedlichen Antriebstechnik-Arten angeht? Prof. Dr.-Ing. Peter F. Brosch, neben seiner Tätigkeit an der FH Hannover auch Ehrenprofessor der Zhejiang University of Science & Technology, Hangzhou, und der Vereinigten University, Hefei, antwortet:    „Bezüglich meiner Bewertung betrachte ich nur Elektroantriebe, die ich dort auch begleitet habe. Vor 20 Jahren dominierten die Gleichstromantriebe und der Einsatz von Umrichterantrieben war nahezu unbekannt; vor zehn Jahren fehlte immer noch der breite Einsatz und heute sind Umrichterantriebe dort Stand der Technik – wenigstens im östlichen Industrie-Speckgürtel entlang am Chinesischen Meer um Schanghai. China war lange antriebstechnisch gesehen ein Joint-Venture-Markt. Die brachten die moderne Technik mit und viele aufmerksame Chinesen haben von den vielen mitteilsamen Entwicklungshelfern, in Firmenschulungen und auf Informationsbesuchen im Ausland gelernt. Die „Langnasen-Lehrer“ haben da sehr gute Arbeit geleistet. Die Schüler haben zunächst nur (alles) kopiert, kopiert und kopiert. Heute werden selbstverständlich Umrichterantriebe eingesetzt. Oft reicht es „innerchinesisch“ aber aus, wenn es nur läuft. Stillstandszeiten sind kein so großes Problem und Prozessgeschwindigkeits- und Genauigkeitsanforderungen sind auch nicht so hoch. Was vielfach fehlt ist Qualität. Wenn es also nur um elektronische Drehzahlsteuerung per Frequenzumrichter geht, hat China bereits eine Reihe gut aufgestellter Hersteller. Mittlerweile schicken sich auch immer mehr „rein“ chinesische Hersteller an, zu weltweit vermarktbaren Produkten zu kommen.“