Die Fachgebiete Elektrische Maschinen, Leistungselektronik und elektrische Antriebstechnik befassen sich mit der Entwicklung von Methoden und Baugruppen für die Bereitstellung und Umformung von elektrischer und mechanischer Energie.

Nicht immer wird die verfügbare elektrische Energiequelle dem Wirkungsprinzip des Verbrauchers unmittelbar gerecht (einfaches Beispiel: Speisung eines Gleichstrommotors aus dem zwei- oder dreiphasiges Wechselstromnetz).
In diesen Fällen muß die elektrische Energie zwischen Spannungssystemen unterschiedlicher Frequenz, Amplitude und Phasenanzahl umgeformt werden, wobei vorgegebene Spezifikationen (Netzfreundlichkeit, Minimierung von Verlusten, Minimierung der Welligkeit von Strom und Spannung, Minimierung von Kosten, Maximierung der Verfügbarkeit) einzuhalten sind.

Zu diesem Zweck werden ektronische Schaltkreise aus leistungselektronischen Bauelementen eingesetzt, mit deren Entwicklung und Optimierung sich die Leistungselektronik beschäftigt.

Ganz analog ist die Aufgabe der elektrischen Antriebstechnik im Bereich der Umformung von elektrischer in mechanische Energie einzuordnen.
Unter dem Einfluß von technologisch bedingten, im allgemeinen zeitlich veränderlichen, mechanischen Belastungsverläufen (z.B. verursacht durch Gewichts- oder Reibkräfte) muß hier die Form der mechanischen Energie, also die über einen bestimmten Zeitraum abgegebene mechanische Leistung, an die Erfordernisse des Prozesses angepaßt werden. Dazu sind Drehmoment, Drehzahl und Drehwinkel (rotatorische Antriebe) bzw. Kraft, Geschwindigkeit und Position (Linearantriebe) auf fest vorgegebene Sollwerte einzustellen oder nach Maßgabe zeitveränderlicher Sollwertprofile dynamisch zu verändern.

Bei elektrischen Antrieben wird das Drehmoment von Elektromotoren unterschiedlichster Bauart unter Ausnutzung der grundlegenden Wirkprinzipien elektromagnetischer Energiewandlung erzeugt. Insbesondere hochdynamische Positionieraufgaben in der Produktionstechnik oder in der Robotik werden mit geregelten elektrischen Antrieben realisiert. Aber auch auf dem Gebiet der Bewegungssteuerung, wo Bewegungsvorgänge zeitlich oder positionsabhängig koordiniert werden müssen, verdrängen vernetzte geregelte Elektroantriebe zunehmend die unflexiblen mechanischen Lösungen, wie z.B. Getriebe, Kurvenscheiben oder Nockenwellen. Weitere Infos ...

Zur Speisung von geregelten elektrischen Antrieben werden hochwertige leistungselektronische Stellglieder benötigt. Diese sogenannten Stromrichter haben neben dem Elektromotor und der Sensorik ganz entscheidenden Einfluß auf die Dynamik und Präzision des Gesamtsystems "geregelter Elektroantrieb".

Geregelte Drehstromantriebe, die von einem Frequenzumrichter mit einem dreiphasigen Spannungssystem variabler Frequenz und Amplitude gespeist werden, gewinnen gegenüber Gleichstromantrieben zunehmend an Bedeutung. Bei geringerem Wartungsaufwand und einfacherer Konstruktion erreichen Drehstromantriebe ähnliche dynamische Eigenschaften wie Gleichstromantriebe. Anwendungsbeispiele

Diese Vorteile müssen jedoch mit einem Mehraufwand seitens der Ansteuerung sowie der Modellbildung und Regelung erkauft werden. Die Fortschritte auf dem Gebiet der Halbleiter- und Mikroelektronik sowie der Automatisierungs- und Regelungstechnik lassen diesen Mehraufwand jedoch immer unwichtiger werden und eröffnen ständig neue Anwendungsgebiete. Beispiel

Quelle: Universität Paderborn

Die Entwicklung auf dem Gebiet der Leistungselektronik für die elektrische Antriebstechnik geht in Richtung steuerbarer Bauelemente sowohl für den Gleich- als auch für den Wechselrichter (Umrichter mit gepulstem Gleich- und Wechselrichter). Wechselrichterseitig werden dabei Frequenz und Spannung für den Motor bereitgestellt.
Gleichrichterseitig kann der Leistungsfaktor des Verbrauchers gesteuert und auf den Oberschwingungsgehalt Einfluß genommen werden. Neue Power-Module mit integriertem Gleichrichter und Wechselrichter vermindern dabei den Projektierungsaufwand für die Leistungselektronik.
Auf der informationselektronischen Seite realisieren ICs die Bereitstellung der Ansteuerung und zusätzlicher Überwachungsfunktionen.

Die Leistungselektronik gewinnt bei der Bereitstellung von Energie über alternative Energieerzeugungsanlagen zunehmend an Bedeutung.
Dabei gilt es, die oftmals diskontinuierlich arbeitende Anlage an die Netzbedingungen anzupassen sowie den Wirkungsgrad der Anlage zu erhöhen. Beide Anforderungen lassen sich bei den verschiedensten alternativen Energieerzeugern (Solarzellen, Windkraftanlagen) oft nur mit spezifischen Stellgliedern umsetzen.

Quelle: Institut für Automation und Kommunikation e.V. Magdeburg

Sichere Versorgung mit elektrischer Energie ist eine unabdingbare Grundlage unserer hochtechnisierten Gesellschaft.
Da elektrische Energie keine Primärenergie ist, muss sie aus anderen Energieformen wie Wasserkraft, Kohle, Öl, Gas, Kernenergie, Windkraft, Sonnenlicht (Photovoltaik), Sonnenwärme oder Erdwärme erzeugt werden, unter Umständen sogar in mehreren Schritten: Wasserkraft in Strom, Strom mit Elektrolyse in (speicherfähigen) Wasserstoff, Wasserstoff mit Brennstoffzellen wieder in elektrische Energie, z. B. zum Antrieb von "no emission cars".

In allen Fällen (mit Ausnahme der Photovoltaik, die aber weniger als 1% der elektrischen Energie liefert) werden zur Stromerzeugung rotierende elektrische Maschinen benötigt.
Von der so erzeugten elektrischen Energie werden in den Industrieländern rund 60 % wiederum in elektrischen Maschinen in mechanische Arbeit umgewandelt. Man denke nur an die Vielzahl von Elektromotoren in Haushalt, Industrie und Verkehrstechnik.
Selbst ein normaler, benzingetriebener Wagen der gehobenen Mittelklasse enthält bis zu 70, jeder Computer mit Disketten- und CD-Laufwerk mindestens drei Elektromotoren!

Ein Ersatz der elektrischen Maschinen, die heute über 99% der elektrischen Energie und praktisch 100 % der elektrischen Spitzenenergie erzeugen und davon fast 2/3 wieder verbrauchen, ist nicht in Sicht. Wohl aber gibt es sehr wirksame Verbesserungsmöglichkeiten bei Generatoren,Transformatoren, Motoren, Antriebssystemen einschliesslich Steuerung und Regelung.

Beispiele:

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich

Leistungselektronische Systeme bestehen aus Stromrichtern, Modulatoren, Regelungen, Sensoren, Ablaufsteuerungen, einer Speisung und der Last.
Sie werden in einem Leistungsbereich zwischen weniger als 100 Watt bis mehr als einem Gigawatt gebaut. Ihr Einsatz erstreckt sich über das ganze Gebiet der elektrischen Energietechnik, von der Erzeugung über Transport und die Verteilung der elektrischen Energie bis zur Anwendung in der Industrie, Verkehr und Haustechnik sowie zur Speicherung.

Zur Überwachung und Beeinflussung des Betriebes eines elektrischen Netzes enthält das elektrische Netz Messeinrichtungen, Schalter sowie Anlagen zur Blindleistungskompensation und Lastflusssteuerung. Dabei werden zunehmend leistungselektronische Systeme (FACTS) eingesetzt, die die Steuerungsmöglichkeiten vergrössern. Dadurch können z.B. die Übertragungskapazität erhöht oder Verluste vermindert werden. Die Analyse elektrischer Energieübertragungssysteme erfolgt allgemein durch Modellierung ihrer Komponenten und Computersimulation.

Die Leistungselektronik lässt sich (grob vereinfachend) in drei grosse und etwa gleich wichtige Gebiete aufgliedern:

Stromrichter-Systeme in Netzen

Stromversorgung

Antriebs-Stromrichter

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich

Das VOLKSSERVO©-System der Fa. Groschopp als ein Beispiel für die Entwicklung in der Antriebstechnik:
Seit über zehn Jahren entwickelt und fertigt die Fa. Groschopp Servomotoren.
In diesem Zeitraum wurden viele Fortschritte hinsichtlich der Lebensdauer, Dynamik und Präzision erzielt. Durch die rasante Entwicklung im Bereich der Elektronik war es möglich, mit der Umstellung auf permanenterregte Synchronmotoren den Bürstenverschleiß zu vermeiden und damit wartungsfreie Servomotoren zu bauen.
Im Bereich der Regelung konnte durch den Einsatz optischer Gebersysteme die Positioniergenauigkeit sowie die Rundlaufgenauigkeit extrem gesteigert werden. Diese als High-End-Systeme bezeichneten Kombinationen aus Servomotoren und Servoverstärkern wurden somit immer besser für Anwendungsbereiche, in welchen eine extrem hohe Dynamik und eine sehr exakte Positioniergenauigkeit zwingend notwendig sind, wie z. B. bei Roboterantrieben oder Werkzeugmaschinen, angepaßt.

Durch die in den letzten Jahren immer weiter fortgeschrittene Automatisierung ist jedoch auch in vielen anderen Bereichen, welche nicht zu den klassischen Servomärkten zählen, ein großer Bedarf an preisgünstigen drehzahlregelbaren Antriebssystemen mit mäßiger Dynamik und Positioniergenauigkeit entstanden. Auch in diesen Bereichen ist nur der Einsatz von wartungsfreien, d.h. bürstenlosen Motoren sinnvoll. Jedoch erweisen sich die preiswerten bürstenlose Gleichstrommotoren mit Blockbestromung und Six-Step-Gebern aufgrund des schlechten Gleichlaufverhaltens im unteren Drehzahlbereich und des nicht winkelunabhängigen Drehmomentes meist als ungeeignet. Die Anwender sind daher gezwungen, auch in diesen Bereichen teure und für die Anwendung überdimensionierte High-End-Servosysteme zu verwenden.

Den Ingenieuren der Firma Groschopp ist es nun gelungen, die Lücke zwischen bürstenlosen Gleichstrommotoren und High-End-Servosystemen durch die Entwicklung des kostengünstigen VOLKSSERVO© -Systems zu schließen.
Die Firma Groschopp hatte sich als Ziel gesetzt, ein neues Low- Cost- Servosystem zu entwickeln, das die kostengünstige Fertigung der bürstenlosen Gleichstrommotoren der Baureihe BGK-NX und das gute Betriebsverhalten der sinusbestromten (AC-)Servomotoren der Baureihe EK vereinigt. Hierzu wurde ein neues Gebersystem konzipiert, welches die für eine Sinusbestromung notwendige Absolutlageerkennung des Rotors preisgünstig realisiert. Ferner wurde ein preisgünstiger digitaler Regler entwickelt, welcher nur die allernotwendigsten Funktionen eines Servoreglers besitzt und zudem in der Lage ist, die Sensorsignale des neuartigen Gebersystems zu verarbeiten. Soll das System zusammen mit einer übergeordneten Positioniersteuerung eingesetzt werden, so besteht die Option einer Inkrementalgeber-Nachbildung.

In vielen Bereichen, in denen der Einsatz von High-End-Servosystemen aus Kostengründen nicht möglich ist, werden zur Zeit Schrittmotoren eingesetzt.
Das VOLKSSERVO-System wurde gerade auch für diese Anwendungsgebiete konzipiert. Um den Anwendern die Möglichkeit zu eröffnen, seine bereits bestehende Schrittmotorenansteuerung weiter zu verwenden und lediglich die Schrittmotoren gegen permanenterregte VOLKSSERVO-Motoren auszutauschen, bietet der VOLKSSERVO-Regler die Option eines Schrittmotoren-Interface zur Verarbeitung von Quadratur-Zählsignalen oder Pulsrichtungssignalen. Zusammen mit der Inkrementalgeber-Nachbildung kann so auch ein elektrisches Getriebe oder ein Master-Slave-Betrieb realisiert werden, was die Einsatzmöglichkeit des VOLKSSERVO-Systems deutlich erweitert.

Das VOLKSSERVO-System der Firma Groschopp bietet eine leistungsfähige, aber kostengünstige Antriebslösung , welche speziell für die Einsatzbereiche konzipiert wurde, in denen eine extrem hohe Dynamik und eine sehr exakte Positioniergenauigkeit nicht unbedingt erforderlich sind. Es ist gelungen den Systempreis auf etwa die Hälfte des eines High-End-Servosystems zu reduzieren. Das VOLKSSERVO-System stellt damit für viele Anwender, z.B. in den Bereichen Verpackungsmaschinen, Handhabungstechnik (pick and place), Löt- und Schweißtechnik, Wickelmaschinen etc., eine clevere Alternative zum klassischen High-End-Servosytem dar.

Quelle: Groschopp AG