Antriebselektronik Energieeffizienz in Systemen für die Fertigungsautomatisierung

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Schnelle IGBTs, bessere IGBT-Treiber und integrierte PFC-Stufen senken sowohl Wirkleistungsverluste als auch Blind und Scheinleistung. Active Front Ends sind eine weitere Möglichkeit zum Strom sparen.

Energieeffizienz in modernen Fertigungsanlagen wird derzeit branchenweit viel diskutiert. Besonders deshalb, weil einerseits der Automatisierungsgrad ständig zunimmt, andererseits die Forderung nach Energieeffizienz in EU-Standards niedergeschrieben und in Richtlinien wie EUP etabliert wurde.

Neue Richtlinien sind zum 1. Januar 2015 bereits in Kraft getreten, ein weiterer Schritt mit der Einführung neuer Energieeffizienzklassen erfolgt Januar 2017. Bis zum Jahr 2020 wird der Energieverbrauch um weitere 20% zu senken sein.

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Die Forderung nach Energieeffizienz überrascht nicht, da Motoren in unseren Fabriken derzeit rund 46% der produzierten elektrischen Energie verbrauchen und der Energieverbrauch eines Motors während seiner Lebensdauer etwa 90% der Gesamtkosten ausmacht.

Elektrische Motoren sind in fast allen Automatisierungsgeräten unserer Fabriken die wesentlichen Antriebe und auch in Zukunft nicht wegzudenken. Eine höhere Effizienz ist daher der Fokus von Neuentwicklungen und bedingt signifikante Investitionen bei Herstellern von Automatisierungsausrüstung.

Ziel ist dabei die Einhaltung bzw. Übererfüllung der gesetzlichen Forderungen. Zudem ist ein grundsätzlicher Trend der Industrie zu einer grüneren und ressourcenschonenden, nachhaltigen Produktion zu beobachten.

Die Ablösung des bürstenlosen Gleichstrommotors

Nachdem Energiekosten sehr wahrscheinlich weiter steigen werden, ist die Einsparung von Kosten durch bessere Energienutzung ein zusätzlicher Anreiz für Neuentwicklungen. Ein Blockdiagramm eines solchen Antriebs in ist in Bild 1 zu sehen.

Um die gesteckten Ziele auch zu erreichen, werden Leistungsfähigkeit und Qualität der Systeme ständig erhöht. Die mit Permanentmagnet erregte Synchronmaschine (PMSM) ist dabei der neue Standard und ersetzt in vielen Bereichen den bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC). Zusätzlich wird wieder an der synchronen Reluktanzmaschine (SynRM) geforscht, ein Motorkonzept das etwas in Vergessenheit geriet, da ausreichend seltene Erden für Magnete zu erhalten waren. Die SynRM stellt hohe Anforderungen an die Temperaturstabilität der verwendeten Komponenten und erfordert neue Regelungskonzepte. Für alle neuen Systeme steht jedenfalls eine volldigitale Regelung im Anforderungskatalog, da ohne sie die Vorgaben nur schwerlich zu erreichen sind.

Die Trends der Systemhersteller wirken sich direkt auf die Hersteller der verwendeten Bauteile und Komponenten aus und erfordern Innovation bei der Signalerfassung, Signalumsetzung und Signalkonditionierung. Besser aufbereitete Signale werden angepassten Prozessoren zugeführt, die schnellere Regelschleifen mit höheren Spannungen steuern. Höhere Spannungen erfordern spannungsfestere Isolationsbausteine und Gate-Treiber für IGBTs, welche die Arbeitsspannungen überhaupt erst schalten können.

Zusätzlich werden noch neue langzeitstabile isolierte Schnittstellenbausteine benötigt, die das System und den Benutzer vor den Gefahren durch die erhöhten Spannungen schützen. Neben der Hardware erfährt die Software weitere Verbesserungen: neue und schnellere Algorithmen lasten die leistungsfähigeren Prozessoren stärker aus und mittels eines Modell-Basierten-Design-Ansatzes (MBD) lassen sich die Systeme vor dem Bau parametrisieren, optimieren, verifizieren und austesten.

Power-Tipp

Wie das Boardlayout eines Schaltreglers gelingt

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