Antriebstechnik

Elektrische Antriebstechnik

Ein nachhaltiger Beitrag zur ­Automatisierung und Energieeffizienz

Im Zentrum des technischen Fortschritts steht heute die Informationselektronik. Wie elegant und miniaturisiert die Datenverarbeitung jedoch realisiert wird, stets benötigt sie zum technologisch verwertbaren Umsetzen der errechneten Befehle die energetische Elektrotechnik. Und wichtiger Kern der Energietechnik ist die in unmittelbarer Prozessnähe stationierte Antriebstechnik, die inzwischen zur eigenständigen Disziplin avancierte. Als Mischung aus EMV, Leistungselektronik, Informationstechnik, Regelungstechnik/Kybernetik, Elektromaschinenbau und Mechanik kennzeichnet das mechatronische Profil zusätzlich zu technischer und wirtschaftlicher Bedeutung ein erhöhter Schwierigkeitsgrad bei Analyse und Synthese. Breit gefächerte Grundkenntnisse sind unverzichtbar, um Antriebe auszuwählen, zu beurteilen und zu betreiben.

Industrie wie Privatbereich benötigen Antriebe, um die Vielzahl von Verstell-, Positionier-, Bewegungs- und Automatisierungsaufgaben bewältigen zu können. Ihre Intelligenz bestimmt die Qualität der Verzahnung mit dem Bewegungssystem des technologischen Prozesses, den Grad des Ersatzes von Mechanik und die Integration in das Anlagenautomatisierungssystem. Das Leistungsspektrum erstreckt sich von Mikro- und Milliwatt in Feinmechanik und Medizintechnik bis zu Höchstwerten im dreistelligen Megawatt-Bereich für Schiffbau und Traktion. Wie jüngste Zahlen des ZVEI zeigen, gehört die Antriebstechnik zu den wenigen Wachstumsbranchen (Gesamtumsatz 2004 etwa neun Milliarden Euro). Besonders betroffen sind davon untere bis mittlere Leistungen, weil die Dezentralisierung zu mehr, allerdings kleineren Motoren beziehungsweise Antrieben führt. In Be- und Verarbeitungsmaschinen, Transporteinrichtungen für Personen, Material und Medien, Handhabungsmaschinen jeglicher Art, neuerdings zunehmend in Fahrzeugbau begegnen elektromechanische Energiewandler in nahezu jeder Kombination von Drehmoment beziehungsweise Kraft und Drehzahl respektive Geschwindigkeit vom „High-Speed“- bis zum „High-Torque“-System.

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Moderne Antriebstechnik fördert die Energieausnutzung. Den Wirkungsgrad an einem Arbeitspunkt ersetzt die Energieeffizienz. Als aussagekräftigere Gütekennziffer bezieht die Bilanz ε den gesamten, mit elektronischen Mitteln auch im energetischen Sinne beeinflussbaren Bewegungsablauf des Antriebssystems ein.

Grundstruktur

Innerhalb der Struktur des Power Drive Systems (DIN EN 61800-3) verlangt jede Komponente die Anpassung an die technologische Systemaufgabe respektive an vor- und nachgelagerte Bestandteile. Ihre Bemessung und Optimierung bestimmt zusätzlich das Maß der elektromagnetischen Verträglichkeit (DIN EN 61800-3) sowie die Intensität der Netzrückwirkungen. Einzubeziehen sind in die Projektierung gleichfalls Netzanschlusspunkt sowie Arbeitsmaschine, die – obwohl nicht zum Antrieb gehörig – das Übertragungsverhalten nachhaltig beeinflussen. Bei der Energieversorgung über Vorschaltinduktivitäten oder mit konventionellem Transformator bei großen Leistungen trägt der Innenwiderstand (Kurzschlussleistung) dazu bei. Erfolgt die Einspeisung induktiv berührungslos (zum Beispiel für mobile Antriebe in Fördersystemen), kommen konstruktive Gestaltung sowie Ansiedlung im Mittelfrequenzbereich hinzu. Hinsichtlich des vom technologischen Prozess eingeprägten Belastungsspiels muss bei Berücksichtung mechanischer Übertragungsmechanismen (Getriebe, Kupplung) der Motor thermisch und dynamisch so ausgelegt werden, dass die Kombination mit der Arbeitsmaschine dauerhaft stabil arbeitet und auf den Prozessablauf optimal zugeschnitten ist. Die Systemprojektierung legt Merkmale wie Drehzahl, Stellbereich, Bewegungsverlauf, statisches und dynamisches Drehmoment, Leistung, Genauigkeit, Dynamik/Übergangverhalten, Bremsung, Netzrückspeisefähigkeit und ähnliches fest. Elektronische Kopplung verteilter Antriebe ersetzt die mechanische Synchronisierung mit Zentralantrieb und „Königswelle“.

Aufgrund ihrer wirtschaftlichen Überlegenheit dominieren Drehstromsysteme. Die Mehrzahl der Antriebe regelt ihre variablen Ausgangsgrößen mit der gewünschten Präzision und Schnelligkeit. Darüber hinaus übernimmt das hochzuverlässige, autarke Automatisierungssubsystem technologiespezifische Steuerungs- und Regelungsaufgaben. Systeme fester Drehzahlen funktionieren meist wie eine Steuerung. Als Stelleinrichtung genügen entweder elektromechanische Schaltgeräte oder Softstarter für Anlauf und Bremsung.

Mit einer solchen Plattform für meist typisierte, zum Teil sogar standardisierte Bausteine lässt sich wachsende Vielfalt der Anwendungen und Neuerungen bei Hard- und Software flexibel, kostengünstig, kundenwunschnah und zuverlässig beherrschen.

Wirtschaftliche Bedeutung

Die allgegenwärtige Antriebstechnik leistet einen erheblichen Beitrag zum Erreichen volkswirtschaftlicher Ziele, zumal sie einen Anteil von etwa 70 Prozent am Gesamtverbrauch elektrischer Energie für sich reklamiert. Ihr enormes Energiesparpotenzial kann nutzbar gemacht werden, wenn in Verbindung mit elektrischen Maschinen höheren Wirkungsrades – den Energiesparmotoren – die elektronische Drehzahlverstellung appliziert wird (anstelle der Kombination Konstantdrehzahlmotor und mechanische Verstelleinrichtung). Im gesamten Leistungsbereich fallen dadurch Einsparungen zwischen 30 und 80 Prozent pro Aggregat an – etwa 20 Terawattstunden pro Jahr in Deutschland (Tera = 1012). Weil viele konventionelle Kraftwerke entfallen könnten, leisten die Antriebe zudem einen nachhaltigen Beitrag zum globalen Klimaschutzvertrag von Kyoto. Der umfassende Einsatz dieser energieeffizienten Technik entlastet die fossilen Ressourcen und nutzt die erneuerbaren Quellen besser.

Eine wirtschaftliche Bedeutung hat gleichfalls die Zulässigkeit, den elektronischen Antrieb als sicherheitsgerichtete Ausführung nach EN 954-1 (Sicherheitskategorie) und/oder nach IEC 61508 (Safety Integrated Level) zu realisieren.

Perspektive

Obwohl Zahlen und Eigenschaften deutlich für die moderne Technik sprechen und höhere Investitionskosten sich infolge verminderter Energiekosten teilweise in weniger als einem Jahr amortisieren, sind weiterhin Barrieren abzubauen. Eine Sperre bildet die eher psychologisch begründete Überschätzung der Kompliziertheit des elektronischen Ersatzes, zum anderen fehlt die Betrachtung der Betriebskosten über den Lebenszyklus.

Zahlreiche Innovationen beflügeln auch weiterhin die Antriebstechnik. Schwerpunkte setzt die Leistungselektronik (alternative Basismaterialien wie Siliziumkarbid). Auch Motoren (Permanentmagnete höherer Leistungsdichte), Kühlung und Gehäusetechnik leisten ihren Beitrag. Joachim Krause

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