Die Drehzahlregelung mit variabler Frequenz (VFR) hat vielversprechende Zukunftsaussichten hinsichtlich Entwicklung und Anwendung. Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung und Anwendung der VFR in meinem Land und die zukünftigen Forschungsarbeiten in diesem Bereich. In den letzten zehn Jahren hat die rasante Entwicklung der Leistungselektronik, Computertechnik und Automatisierungstechnik die Antriebstechnik grundlegend verändert: Die Wechselstrom-Drehzahlregelung löst die Gleichstrom-Drehzahlregelung ab, und die digitale Steuerungstechnik ersetzt die analoge. Die VFR für Motoren ist ein wichtiges Mittel, um Energie zu sparen, Prozessabläufe zu optimieren und damit die Produktqualität zu verbessern, die Umwelt zu schonen und den technologischen Fortschritt zu fördern. Die VFR gilt im In- und Ausland als vielversprechendste Drehzahlregelungsmethode aufgrund ihrer hervorragenden Drehzahlregelung und Bremsleistung, ihres hohen Wirkungsgrades, ihres hohen Leistungsfaktors und des geringen Knoteneffekts, ihrer breiten Anwendbarkeit und vieler weiterer Vorteile. 1 Überblick über die Entwicklung der VFR in meinem Land. Elektrische Antriebssysteme bestehen üblicherweise aus drei Komponenten: Motor, Steuergerät und Informationsgerät. Elektrische Antriebe befassen sich mit dem sparsamen Einsatz von Motoren zur Einsparung elektrischer Energie und der Steuerung des Betriebszustands von Maschinen (Position, Drehzahl, Beschleunigung usw.). Sie wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um und streben hohe Qualität, hohe Leistung und geringen Verbrauch an. Elektrische Antriebe lassen sich grundsätzlich in zwei Kategorien einteilen: drehzahlgeregelte und nicht drehzahlgeregelte Antriebe. Die Drehzahlregelung wird weiter in Wechselstrom- und Gleichstrom-Drehzahlregelung unterteilt. Nicht drehzahlgeregelte Motoren werden direkt vom Stromnetz versorgt. Mit der Entwicklung der Leistungselektronik werden diese ursprünglich nicht drehzahlgeregelten Maschinen jedoch zunehmend mit drehzahlgeregelten Antrieben ausgestattet, um Energie zu sparen (15–20 % oder mehr), die Produktqualität zu verbessern und die Leistung zu steigern. In meinem Land werden 60 % der Stromerzeugung durch Elektromotoren verbraucht, wodurch die Drehzahlregelung zu einer wichtigen Branche geworden ist, die seit jeher nationale Aufmerksamkeit genießt und eine beträchtliche Größe erreicht hat. In den letzten Jahren hat sich die Frequenzumrichter-Drehzahlregelung als aktivste und am schnellsten wachsende Technologie im Bereich der Wechselstrom-Drehzahlregelung etabliert. Sie bildet die Grundlage und den Kern der Wechselstrom-Drehzahlregelung. Die Einführung von Transformatoren im letzten Jahrhundert vereinfachte die Spannungsänderung und schuf so eine riesige Energiewirtschaft. Lange Zeit war die Frequenz des Wechselstroms konstant; die Entwicklung der Frequenzumrichtertechnologie hat die Frequenz zu einer Ressource gemacht, die sich vollumfänglich nutzen lässt. Die elektrische Antriebsindustrie meines Landes entstand 1954 mit dem Abschluss der ersten Jahrgänge von Absolventen verschiedener Hochschulen in diesem Bereich. Gleichzeitig wurde unter dem Ministerium für Maschinenbau der erste vollständige Satz elektrischer Antriebsanlagen meines Landes errichtet, der Vorläufer des Tianjin Electrical Drive Design Institute. Tabelle 1 gibt einen kurzen Überblick über die Entwicklung der elektrischen Antriebs- und Frequenzumrichtertechnologie in meinem Land. Derzeit beschäftigen sich in meinem Land etwa 200 Unternehmen, Fabriken und Forschungsinstitute mit der Frequenzumrichtertechnologie. Als Entwicklungsland hinkt mein Land in seinen Forschungs- und Entwicklungskapazitäten für viele Produkte noch hinter denen der Industrieländer her. Bis heute entsprechen die im Inland entwickelten und produzierten Frequenzumrichterprodukte in etwa dem internationalen Niveau der 1980er Jahre. Mit Reformen, Öffnung und rasanter wirtschaftlicher Entwicklung entstand ein riesiger Markt, der sowohl inländischen als auch ausländischen Unternehmen offensteht. Viele der fortschrittlichsten aus Industrieländern importierten Produkte funktionieren in China einwandfrei und decken den Bedarf der heimischen Produktion und des täglichen Lebens. Zahlreiche inländische Joint Ventures produzieren international fortschrittliche Produkte. Komplettanlagen, die im Inland entwickelt und gefertigt werden, nutzen fortschrittliche Komponenten ausländischer Importunternehmen und Joint Ventures und entwickeln gleichzeitig eigene Anwendungssoftware. Dadurch können sie erstklassige elektrische Antriebssteuerungssysteme für große in- und ausländische Bauprojekte bereitstellen. Trotz dieser beachtlichen Erfolge besteht aufgrund der geringen inländischen Entwicklungs- und Produktionskapazitäten eine starke Abhängigkeit von ausländischen Unternehmen. Tabelle 1: Kurzer Überblick über die Entwicklung der elektrischen Antriebs- und Frequenzumrichtertechnologie in China. Der aktuelle Stand der wichtigsten Produkte in China stellt sich wie folgt dar: (1) Gleichstrom-Drehzahlregler mit Thyristor-Wechselstromumrichtern und Schaltelementen (DJT, IGBT, VDMOS). Der Markt für diese Geräte ist sehr groß. Obwohl der Markt mit der Entwicklung der AC-Drehzahlregelung schrumpft, wird er kurzfristig nicht wesentlich zurückgehen. Dies liegt an den zahlreichen Modernisierungsprojekten für Altanlagen in unserem Land und daran, dass die Preise für AC-Drehzahlregler im Leistungsbereich von mehreren Hundert bis über Tausend kW deutlich niedriger sind. Inländische Geräte können den Bedarf decken, und ein Teil wird exportiert. Die meisten unserer Eigenentwicklungen arbeiten mit analoger Steuerung. In den letzten Jahren wurden importierte digitale Regler hauptsächlich für inländische Leistungselektronik eingesetzt. (2) AC-Drehzahlregler mit variabler Frequenz, die mit IGBT- oder BJT-PWM-Wechselrichtern betrieben werden. Der Markt für diese Geräte ist sehr groß. Die Gesamtkapazität ist zwar gering, aber die Stückzahlen sind hoch und das Wachstum ist rasant. Der Anwendungsbereich hat sich von Einzelmaschinen auf ganze Produktionslinien und von einfacher V/f-Regelung auf hochleistungsfähige Vektorregelung ausgeweitet. Rund 50 Fabriken und Unternehmen produzieren diese Geräte, wobei Joint Ventures einen großen Anteil ausmachen. (3) AC-Drehzahlregler mit variabler Frequenz, die mit lastgeführten Thyristor-Wechselrichtern betrieben werden. Diese Produktart ist stark nachgefragt für die Inbetriebnahme von Pumpspeicherkraftwerken sowie für Großventilatoren, Pumpen, Kompressoren und Walzwerksantriebe. Nur wenige Forschungseinrichtungen in China sind in der Lage, sie herzustellen, und die derzeit höchste erreichte Leistung beträgt 12 MW. Die Leistungskomponenten stammen aus China, und die einzigen in China entwickelten Steuergeräte sind analog; digitale Geräte müssen importiert werden, und die Anwendungssoftware wird im Inland entwickelt. (4) Wechselstrom-Frequenzumrichter mit AC/AC-Wechselrichtern. Diese Produktart ist stark nachgefragt für Walzwerke und Förderanlagenantriebe im Bergbau, da sie in geringen Stückzahlen und mit hoher Leistung eingesetzt wird. Sie wird hauptsächlich importiert, und nur wenige Forschungseinrichtungen in China sind in der Lage, sie herzustellen. Die derzeit höchste erreichte Leistung beträgt 7000–8000 kW. Die Leistungskomponenten werden im Inland hergestellt, während die digitalen Steuergeräte, einschließlich der Anwendungssoftware, importiert werden. Die wichtige Rolle der Frequenzumrichtertechnologie in der Volkswirtschaft und im Alltag wird durch folgende Faktoren bestimmt. Mit ihren vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten ist sie eine neue Technologie, die in Industrieunternehmen und im Alltag weit verbreitet ist. Sie ist eine energiesparende Spitzentechnologie, eines der international am schnellsten fortschreitenden Technologiefelder, eine umfassende Technologie im Hightech-Bereich und eines der größten Potenziale für Importsubstitution und Investitionseinsparungen. 2. Vergleich des inländischen und ausländischen Technologiestands 2.1 Ausländischer Stand Im Bereich der Drehzahlregelung mittels Hochleistungs-Wechselstrom-Wechselstrom-Frequenzumrichtern (Umrichter) bietet das französische Unternehmen Alstom elektrische Antriebsanlagen mit einer Einzelleistung von bis zu 30.000 kW für Schiffsantriebssysteme an. Im Bereich der Drehzahlregelung mittels kommutatorloser Motoren bietet das italienische Unternehmen ABB Anlagen mit einer Einzelleistung von 60.000 kW für Pumpspeicherkraftwerke an. Im Bereich der Drehzahlregelung mit mittlerer Leistung bietet Siemens (Deutschland) mit dem Stromthyristor-Frequenzumrichter Simovert A eine Einzelleistung von 10 bis 2600 kVA und mit dem PWM-Frequenzumrichter Simovert P eine Einzelleistung von 100 bis 900 kVA an. Die Steuerungssysteme sind vollständig digitalisiert und werden für Elektrolokomotiven, Ventilatoren und Wasserpumpenantriebe eingesetzt. Im Bereich der Drehzahlregelung mit Wechselstrom und variabler Frequenz (AC) mit niedriger Leistung erreichen die japanischen Fuji-BJT-Frequenzumrichter eine maximale Einzelleistung von 700 kVA. IGBT-Frequenzumrichter bilden eine Produktreihe, deren Steuerungssysteme ebenfalls vollständig digitalisiert sind. Die rasante Entwicklung ausländischer AC-Frequenzumrichtertechnologien ist auf folgende Merkmale zurückzuführen: (1) Hohe Marktnachfrage. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der industriellen Automatisierung und der globalen Energieknappheit finden Frequenzumrichter in verschiedenen Branchen wie Maschinenbau, Textilindustrie, Chemie, Papierherstellung, Metallurgie und Lebensmittelindustrie sowie in energiesparenden Anwendungen wie Ventilatoren und Pumpen immer breitere Anwendung und erzielen erhebliche wirtschaftliche Vorteile. (2) Entwicklung von Leistungshalbleitern. In den letzten Jahren haben die Produktion von Hochspannungs- und Hochstrombauelementen wie SCR, GTO, IGBT und IGCT sowie die Entwicklung und Anwendung von Parallel- und Serienschaltungen die Produktion und Anwendung von Hochspannungs- und Hochleistungs-Frequenzumrichtern ermöglicht. (3) Entwicklung der Regelungstechnik und Mikroelektronik. Neue Regelungstheorien wie Vektorregelung, Flussregelung, Drehmomentregelung und Fuzzy-Regelung bilden die theoretische Grundlage für Hochleistungs-Frequenzumrichter. Die rasante Entwicklung von 16-Bit- und 32-Bit-Hochgeschwindigkeits-Mikroprozessoren sowie von digitalen Signalprozessoren (DSP) und anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC) bietet die Hardware-Mittel, um die hohe Präzision und Multifunktionalität von Frequenzumrichtern zu erreichen. (4) Die rasante Entwicklung der Grundstoffindustrie und verschiedener Fertigungsindustrien hat zur Sozialisierung und Spezialisierung von Komponenten für Frequenzumrichter geführt. 2.2 Aktueller Stand in China Insgesamt hinkt Chinas Technologieniveau für elektrische Antriebe dem internationalen Standard um 10 bis 15 Jahre hinterher. Im Bereich der Hochleistungs-Wechselstrom- und kommutatorlosen Motorfrequenzumrichter sind in China nur wenige Forschungseinrichtungen in der Lage, diese herzustellen. Zudem besteht hinsichtlich Digitalisierung und Systemzuverlässigkeit weiterhin ein erheblicher Rückstand gegenüber dem Ausland. Diese Produkte sind in Bereichen wie der Inbetriebnahme und dem Betrieb von Pumpspeicherkraftwerken, Großventilatoren, Kompressoren und Walzwerksantrieben sowie Förderanlagen im Bergbau stark nachgefragt. Im Bereich der Frequenzumrichter für kleine und mittlere Leistungen basieren fast alle inländischen Produkte auf herkömmlicher V/f-Regelung, nur wenige Prototypen nutzen Vektorregelung. Vielfalt und Qualität decken den Marktbedarf nicht, weshalb jährlich hohe Importmengen getätigt werden. Die inländische Industrie für Wechselstrom-Drehzahlregelungstechnik stellt sich wie folgt dar: (1) Die Gesamttechnologie der Frequenzumrichter ist rückständig. Obwohl viele inländische Unternehmen Arbeitskräfte und Ressourcen investiert haben, konnte aufgrund der Ressourcenstreuung kein bestimmtes technologisches Niveau und Produktionsvolumen erreicht werden. (2) Die Fertigungsindustrie für Halbleiter-Leistungshalbleiter, die in Frequenzumrichtern eingesetzt werden, ist nahezu inexistent. (3) Zugehörige Zulieferindustrien und -sektoren sind unterentwickelt. (4) Produktions- und Absatzvolumen sind gering, und die Zuverlässigkeit sowie das Prozessniveau sind niedrig.