Vom Motor zum System Motorsteuerungen auf Energieeffizienz trimmen

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Motoren verbrauchen weltweit viel Energie. Entscheidend ist daher eine effiziente Steuerung. Der Artikel beleuchtet Motorenaufbau, Frequenzumrichter und Lösungen für Motorsteuerungsanwendungen.

Motoren sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken und finden sich in Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen, Trocknern, Geschirrspülern und Gartenpumpen. Auch im Fahrzeugbereich sind sie unverzichtbar: Moderne Autos enthalten je nach Modell und Ausstattungsvariante zwischen 40 und 100 Motoren. Im industriellen Einsatz werden Motoren besonders in der Robotik und Fabrikautomation benötigt.

Wichtigste Trends bei der Motoreffizienz

Energieeffiziente Motoren: Einer der wichtigsten Trends bei der Motoreffizienz ist der Übergang von herkömmlichen Motoren, wie AC-Induktionsmotoren, zu effizienteren Typen wie bürstenlosen DC-Motoren (BLDC), Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) und Permanentmagnetmotoren mit Innenmagnet (IPM). Diese Motoren bieten einen höheren Wirkungsgrad und verbesserte Leistungsfähigkeit. Darüber hinaus haben Fortschritte bei den Materialien, z. B. der Einsatz amorpher Metalle und Seltenerdmagnete, die Motoreffizienz weiter verbessert.

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Motoraufbau und -materialien

Im Bereich der Motortechnik haben Fortschritte bei Materialien und Aufbau die Effizienz und Leistungsfähigkeit von Motoren im letzten Jahrhundert erheblich verbessert. Erst durch die Analyse der Bauteile und ihrer Weiterentwicklungen wird nachvollziehbar, wie die Effizienzsteigerungen erreicht wurden.

Ein Motor besteht aus Endkappen, einem Rotor, Lagern und einem Stator mit Wicklungen. Im Laufe der Jahre haben sich die in diesen Komponenten verwendeten Materialien weiterentwickelt. So hat der Übergang von Aluminium zu Kupfer in den Rotor- und Statorwicklungen die Leitfähigkeit und Effizienz verbessert. Zudem haben Fortschritte bei den Fertigungstoleranzen zu weniger Geräuschentwicklung und noch mehr Effizienz geführt.

Ein bemerkenswerter Trend in der Motortechnik sind amorphe Materialien in Rotoren und Statoren. Traditionell wurden Siliziumstähle verwendet, die jedoch hohe Wirbelstrom- und Hystereseverluste aufwiesen. Diese werden nun durch amorphe Materialien wie metallische Gläser ersetzt, die geringere Verluste und damit einen höheren Wirkungsgrad aufweisen. Auch im Bereich der Permanentmagnetmotoren gab es bedeutende Verbesserungen. Stärkere Magnete, z. B. aus Seltenerdmetallen wie Neodym, Eisen und Bor, bieten ein höheres Drehmoment und einen höheren Wirkungsgrad. Aus Gründen der Nachhaltigkeit werden jedoch Alternativen wie Magnete auf Aluminium-, Nickel-, Chrom- und Ferritbasis erforscht. Sie weisen über einen breiten Temperaturbereich und bei starken Magnetfeldern gute Eigenschaften auf.

Der Übergang von Gleitlagern zu Kugellagern hat maßgeblich zu weniger Reibung und verbesserten Toleranzen geführt und damit die Effizienz der Motoren erhöht. Im Laufe des letzten Jahrhunderts sind Motoren bei gleicher Leistungsabgabe erheblich kleiner geworden. So ist ein moderner 5-PS-Drehstrom-Induktionsmotor mit Käfigläufer wesentlich kleiner und wiegt nur etwa 20 Prozent dessen, was ein Motor mit derselben Nennleistung im Jahr 1910 wog. Diese Verkleinerung ist auf leichtere und effizientere Materialien sowie auf fortschrittlichere thermische und elektrische Isolierungen zurückzuführen. Leichtere Motoren sind besonders vorteilhaft für Fahrzeuganwendungen, wo geringeres Gewicht zu mehr Effizienz und der Möglichkeit führt, Motoren in kompaktere Räume zu integrieren. Die Auswirkungen dieser Fortschritte sind tiefgreifend und führen zu effizienteren Motorsystemen.

Kontinuierlich verbesserte Motormaterialien und Motordesigns haben zu erheblichen Fortschritten bei Effizienz und Leistungsfähigkeit geführt. Von der Verwendung amorpher Materialien und stärkerer Magnete bis hin zur Weiterentwicklung von Lagern und Miniaturisierung von Motoren – diese Neuerungen treiben die Zukunft der Motortechnik voran. Da wir weiterhin neue Materialien und Designs erforschen, bleibt das Potenzial für noch mehr Effizienz und Leistungsfähigkeit in Motorsystemen vielversprechend.

Einsatz von Frequenzumrichtern (VFD)

Frequenzumrichter (VFD; Variable Frequency Drives) werden zunehmend für die Drehzahlreglung von Motoren und mehr Effizienz eingesetzt. VFD passen die Drehzahl des Motors an die Lastanforderungen an und reduzieren so den Energieverbrauch. Der Übergang von isolierten Gate-Bipolartransistoren (IGBTs) zur Siliziumkarbid-/SiC-Technologie in VFD hat ebenfalls zu höherer Effizienz und schnelleren Schaltzeiten beigetragen.

VFD haben die Motorsteuerung revolutioniert, indem sie eine präzise Steuerung der Motordrehzahl und des Drehmoments ermöglichen. Sie optimieren die Motorleistung und verbessern die Systemeffizienz erheblich. Ein VFD passt die dem Motor zugeführte Frequenz und Spannung an, sodass dieser bei einer bestimmten Last mit maximaler Effizienz arbeiten kann. Herkömmliche Motorsysteme (z. B. Pumpenmotoren) arbeiten oft mit Volllast, wobei die Durchflussmenge durch Drosselventile geregelt wird, was zu erheblichen Energieverlusten führt. Im Gegensatz dazu erübrigen VFD eine Drosselung, indem sie die Motordrehzahl an die erforderliche Durchflussrate anpassen und so den Energieverbrauch senken und die Gesamteffizienz des Systems erhöhen. Studien haben gezeigt, dass durch die Umstellung auf einen Frequenzumrichter die Effizienz eines Motorsystems von etwa 31 auf 72 Prozent mehr als verdoppelt werden kann.

Lösungen und Hardware-Support

Microchip stellt Komponenten für Motorsteuerungsanwendungen bereit. Dazu gehören unter anderem Mikrocontroller, Gate-Treiber, Leistungselektronik und Sensoren. Ergänzend werden Hardwareunterstützung und Algorithmen für die Ansteuerung von Motoren angeboten. Die Hardware von Microchip beschleunigt die Entwicklung von Motorsteuerungssystemen und optimiert die Leistungsfähigkeit und Effizienz. Für VFD bietet das Unternehmen AC/DC-Wandler und Wechselrichter mit hocheffizienten SiC-MOSFETs und fortschrittlichen Gate-Treibern für präzises Schalten. Die Wechselrichter, die über die Digital-Signal-Controller (DSC) dsPIC gesteuert werden, wandeln DC in AC mit variabler Frequenz um und sorgen so für einen effizienten Motorbetrieb. Integrierte Sensoren liefern Echtzeit-Rückkopplung zu Strom, Spannung und Temperatur und erhöhen so die Zuverlässigkeit des Systems. Microchip bietet auch Evaluierungs- und Entwicklungsboards, Referenzdesigns, Softwarebibliotheken und Entwicklungstools, um die Entwicklungsarbeit zu unterstützen und komplexe Motorsteuerungsalgorithmen einzubinden.

Fortschrittliche Steuerungsalgorithmen

Algorithmen sind für die Optimierung von Motorsteuerungssystemen von grundlegender Bedeutung. Herkömmliche Methoden, wie die V/f-Steuerung für AC-Induktionsmotoren, sind kostengünstig und unkompliziert, bieten jedoch nicht die höchste Effizienz. Fortschrittlichere Algorithmen, wie die Sechs-Stufen-Kommutierung für BLDC- und PMSM-Motoren, bieten eine bessere Drehmomentsteuerung und können sensorbasiert oder sensorlos sein. Der effizienteste Algorithmus ist die feldorientierte Regelung (FOC), die einen hohen Wirkungsgrad, geringe Geräuschentwicklung und eine hervorragende Drehmoment- und Drehzahlleistung bietet. FOC kann je nach Motortyp und Anwendungsanforderungen mit oder ohne Sensoren implementiert werden. Die Motorsteuerungslösungen von Microchip enthalten fortschrittliche Algorithmen wie FOC, maximales Drehmoment pro Ampere (MTPA, Maximum Torque per Ampere) und Feldschwächung, um den Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit zu maximieren. Diese Algorithmen werden von Tools wie der MPLAB motorBench Development Suite unterstützt, die das Implementieren und Optimieren von Steuerungsalgorithmen erleichtert. Darüber hinaus bietet Microchip Funktionen für maschinelles Lernen zur vorausschauenden Wartung. Dies stellt einen optimalen Motorbetrieb mit maximaler Effizienz sicher und reduziert das Risiko unerwarteter Ausfälle. Der Zero-Speed/Maximum-Torque-(ZS/MT-)Steuerungsalgorithmus ist eine neue Variante des sensorlosen FOC-Algorithmus. Er ermöglicht sensorlose Steuerungstechniken in Anwendungen mit hohem Drehmoment oder niedriger Drehzahl. ZS/MT erübrigt Hall-Effekt-Sensoren, indem es eine zuverlässige Methode zur Ermittlung der Ausgangsposition (IPD, Initial Position Detection) auf Basis von Hochfrequenz-Einspeisung (HFI) verwendet, um die genaue Rotorposition bei Null- und niedrigen Drehzahlen zu bestimmen.

Integration mit IoT und KI/ML

Techniken aus dem Bereich des IoT und der KI haben die Motorsteuerung revolutioniert. Sensoren spielen dabei eine entscheidende Rolle. Sie sind für die Erfassung von Strom, Drehmoment und Rotorposition unerlässlich. Diese Sensoren liefern Daten an Mikrocontroller, die diese Informationen verarbeiten. Durch die Integration von Algorithmen für maschinelles Lernen können diese Systeme vorausschauende Wartungsmaßnahmen durchführen, indem sie Sensordaten analysieren, um potenzielle Motorausfälle oder Wartungsbedarf vorherzusagen. Diese Fähigkeit ist besonders in industriellen Umgebungen von Vorteil, wo unerwartete Motorausfälle zu erheblichen Ausfallzeiten und finanziellen Verlusten führen können. Vorausschauende Wartung stellt sicher, dass Motoren mit maximaler Effizienz und Leistungsfähigkeit arbeiten, was die Wahrscheinlichkeit unerwarteter Ausfälle verringert.

Vorausschauende Wartung nutzt Sensoren und Algorithmen für maschinelles Lernen, um den Zustand des Motors zu überwachen und potenzielle Probleme zu erkennen, bevor sie zu Ausfällen führen. Durch die kontinuierliche Analyse von Parametern wie Strom, Drehmoment und Vibration gewährleistet sie einen effizienten Motorbetrieb und minimiert Ausfallzeiten. Dieser Ansatz ist besonders vorteilhaft in industriellen Umgebungen, in denen unerwartete Motorausfälle zu erheblichen Produktionsausfällen führen können. Die Demo-Anwendung von Microchip veranschaulicht die vorausschauende Wartung für Motoren mithilfe der MPLAB Machine Learning Development Suite in Verbindung mit dem dsPIC LVMC Motor Control Board. Das System verwendet ein Klassifizierungsmodell, um den Betriebszustand eines Motors zu bestimmen und durch Überwachung des I_q-Stroms festzustellen, ob der Motor normal funktioniert oder Anomalien wie eine unausgeglichene Last oder ein defektes Lager aufweist.

Fazit

Eine optimierte Motorsteuerung im Hinblick auf Energieeffizienz ist entscheidend, um den weltweiten Energieverbrauch zu senken und die Leistungsfähigkeit verschiedener Anwendungen zu verbessern. Effiziente Motoren, Frequenzumrichter, fortschrittliche Steuerungsalgorithmen sowie IoT- und KI-Technologien sorgen für erhebliche Energieeinsparungen. Development-Kits bieten eine Reihe von Lösungen, diese Bemühungen zu unterstützen. Hardware, Software und Know-how stehen bereit, um die Entwicklung effizienter Motorsteuerungen zu gewährleisten. Da die Nachfrage nach energieeffizienten Lösungen weiter wächst, werden Fortschritte im Bereich Motorsteuerung eine entscheidende Rolle spielen. (mr)

* Pramit Nandy ist Product Marketing Manager bei Microchip Technology.

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