Motion Control Optimierungspotenziale in der elektrischen Antriebstechnik

Elektrische Antriebstechnik
Elektrische Antriebstechnik

Die elektrische Antriebstechnik beansprucht mehr als die Hälfte der Energie in der Industrie für sich. Dabei ließen sich je nach Antrieb bis zu 70 Prozent der Energie einsparen. Eine neue Controller-Familie macht den Umstieg auf effizientere Motoren einfach.

Der Energiebedarf der elektrischen Antriebstechnik, z.B. Pumpen, Ventilatoren oder Förderantriebe, beläuft sich europaweit jährlich auf ca. 70 Prozent des gesamten Energiebedarf der Industrie [1]. Eine Steigerung des Wirkungsgrads von Maschinen und Antriebssystemen hat daher gravierende Auswirkungen auf den globalen Strombedarf. Natürlich ist der Wirkungsgrad auch eine Frage der Wirtschaftlichkeit, denn höhere Investitionskosten müssen sich langfristig rechnen. Letztendlich dominieren die Energiekosten bei den meisten Anwendungen deutlich, wenn man die Anschaffungs-, Wartungs- und Energiekosten bei einer Lebensdauer von mehr als zehn Jahren aufrechnet.

Im niedrigen Leistungsbereich befinden sich zahlreiche Kleinantriebe sowohl im Haushalt als auch in der Industrie. Die ErP-Richtlinien haben z.B. den Spaltpolmotor mit max. 30 Prozent Wirkungsgrad abgeschafft und so den Weg für eine neue Motorengeneration geebnet. Meist handelt es sich dabei um Permanentmagnet-Synchron-Motoren (PMSM) oder kollektorlose Gleichstrom-Motoren. Diese kompakten Antriebe liefern ein hohes Drehmoment, benötigen aber eine elektronische Kommutierung, z.B. durch einen Frequenzumrichter. Diese Systeme erreichen je nach Arbeitspunkt deutlich höhere Wirkungsgrade von 80 Prozent und mehr; je nach Antrieb lassen sich so 40 bis 70 Prozent der Energie einsparen.

Für kleinere Antriebe im Leistungsbereich unter 200 W sind die Investitionskosten überproportional hoch, da zusätzliche Elektronik benötigt wird, um den gewünschten Funktionsumfang zu gewährleisten. Zusätzlich müssen Themen wie Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), ein komplexeres Kühlsystem sowie spezielles Know-how für Software und Regel-Algorithmen beachtet werden.

Um in kurzer Entwicklungszeit unkompliziert und ohne tiefere Kenntnisse ein geregeltes Antriebssystem mit den genannten PMSM und BLDC-Motoren aufbauen zu können, hat Fairchild Semiconductor eine neue Produktfamilie entwickelt. Als erste Bausteine sind der FCM8201 und der FCM8202 erhältlich. Mit ihnen lassen sich sowohl Stand-alone-Lösungen als auch Add-on-Lösungen über SPI-Schnittstellen realisieren. Im Stand-alone-Modus kann die Applikation und die Beschaltung mit reiner Analogtechnik und ohne Software oder Mikrocontroller aufgebaut werden. Mit Hilfe eines integrierten Spannungsreglers wird aus der Betriebsspannung U PP von 10 bis 15 V eine Hilfsspannung von 5 V erzeugt.

Der Taktgenerator ist für Modulationsfrequenzen von 15 bis 30 kHz einstellbar. Die beiden Controller unterscheiden sich dahingehend, dass der FCM8202 nur für den Stand-alone-Modus konzipiert ist, wohingegen der FCM8201 zusätzlich über eine SPI-Schnittstelle konfiguriert werden kann und beide Modi beherrscht.

Ein typisches elektrisches Antriebssystem umfasst folgende Einheiten (Bild 1):

  • Gleichrichter und PFC: Die Netzwechselspannung wird mittels eines einfachen Brücken-Gleichrichters mit nachgeschalteter Puffer-Kapazität in Gleichspannung gewandelt. Für spezielle Anforderungen kann eine zusätzliche Leistungsfaktorkorrektur (PFC) erforderlich sein.
  • Motorantrieb: Für einphasige Motoren sind zwei Halbbrücken-Schaltungen, für dreiphasige Motoren drei Halbbrücken-Schaltungen notwendig. Je nach Motorleistung werden diese mit MOSFETs oder IGBTs ausgeführt. Am Markt gibt es Module mit bereits integrierten Treibern und Schutzschaltungen, so dass ein Controller das Leistungsmodul direkt ansteuern kann. Zum Teil werden auch galvanisch getrennte Systeme aufgebaut: Hier werden die Leistungstransistoren meist mit optisch gekoppelten Treiber gesteuert.
  • Antriebssteuerung: Je nach Anspruch an die Systemleistung, die Kommunikationsfähigkeit oder aber auch an die Kosten gibt es verschiedene technische Ansätze, z.B. Mikrocontroller, DSP-basierte Systeme, programmierbare Logik oder aber Mischformen.
  • DC/DC-Wandler: Die benötigte Kleinspannung im System wird über ein Hilfsspannungsnetzteil (DC/DC-Wandler) bereitgestellt. Für potenzialgetrennte Spannungen gibt es Sperrwandler; nicht potenzialgetrennt sind Schaltungen in Buck-Topologie.

Zwar wurden im Baustein FCM8201 einige Funktionen integriert, doch hat der Entwickler weiterhin Einfluss auf die Parameter. Ein integrierter Taktgeber macht externe Komponenten, z.B. Quarz-Bausteine, überflüssig; die Frequenz aber kann über einen einfachen, kleinen Widerstand variiert werden. Wie eine Applikationsschaltung im Analogmodus aufgebaut ist, zeigt Bild 2.

Die gesamte Schaltung wird mit wenigen Bausteinen realisiert, inklusive Schutzmechanismen z.B. vor Überspannung, Überstrom und zu hoher Temperatur. Weitere Komponenten können eingespart werden, indem die Sollwerte via SPI-Schnittstelle an den Controller weitergegeben werden. Voraussetzung dafür ist jedoch ein externer Controller; dadurch stellt sich allerdings die Frage nach dem Nutzen der FCM-Bausteine. Der FCM-Controller entlastet den vorhandenen Mikrocontroller in Bezug auf Leistungsanforderung und Funktionsumfang. Dies kann den Schritt zum nächstgrößten Bauelement einsparen, außerdem vereinfacht sich die Software.