1 Einleitung Das Jahr 2006 ist gerade vergangen. Zu Beginn des neuen Jahres bietet ein Rückblick auf die wichtigsten Themen der wissenschaftlichen Gemeinschaft im Bereich der elektrischen Antriebe (im Folgenden: ED) der letzten zwei Jahre, die technologischen Trends bei digitalen Steuerungen, Komponenten und typischen Produkten im Zusammenhang mit der Entwicklung von ED sowie die aktuellen Themen in Anwendungsgebieten die Möglichkeit, den allgemeinen technologischen Entwicklungstrend dieses Feldes zu erkennen. 2 Wissenschaftliche Gemeinschaft 2.1 IEEE Journal Im IEEE-IE Journal, Band 53, Nr. 1-2, 2006, veröffentlichte Professor Joachim Holtz von der Universität Ulpto als Gastredakteur zwei Sonderausgaben zu den Forschungsergebnissen der Hochleistungsregelung von AC-Asynchronmotoren und Synchronmotoren unter sensorlosen Bedingungen [1,2>]. Diese enthielten insgesamt 21 Beiträge zur sensorlosen Regelung von Asynchronmotoren und 11 Beiträge zur sensorlosen Regelung von Permanentmagnet-Synchronmotoren und Reluktanzmotoren. Der Chefredakteur schrieb: „In den letzten 30 Jahren hat das Interesse an der Forschung zur sensorlosen Regelung von Induktionsmotoren stark zugenommen. Das Hauptproblem der sensorlosen Regelung von Induktionsmotoren besteht aktuell darin, ein stabiles und schnelles dynamisches Ansprechverhalten bei niedrigen Drehzahlen, insbesondere nahe der Stator-Nullfrequenz, zu erreichen und dies auf einfache Weise zu realisieren.“ In der Sonderausgabe „PE Power Electronics“ der 9. Ausgabe von Electrical Technology aus dem Jahr 2006 kommentierte und diskutierte der Autor den Vorwort des Herausgebers und den Übersichtsartikel zur sensorlosen Drehzahlregelung von Asynchronmotoren. Zudem findet die bedeutende internationale Konferenz FEPPCON (Future of Electronic Power Processing Conversion) statt, die sich hauptsächlich mit der Entwicklungsrichtung der Leistungselektronik befasst. Erwähnenswert ist, dass die Konferenzbeiträge von IEEE-PE und IEEE-IA[4>] aus dem Jahr 2005 die Entwicklungen verschiedener verwandter Bereiche, einschließlich der elektronischen Leistungselektronik (ED), für die kommenden Jahre auf der 5. FEPPCON-Konferenz (Mai 2004[5>]) vorstellten, was die Bedeutung dieser Konferenz unterstreicht. Für die chinesische Übersetzung und den Kommentar zu Dokument [4>] siehe [6,7>]. 2.2 Internationale Akademische Konferenz Auf der IPEMC’06 International Academic Conference, die im September 2006 in Shanghai stattfand, hielt RW De Doncker, der damalige Vorsitzende des IEEE-PE und Professor an der RWTH Aachen, eine Keynote-Rede mit dem Titel „Moderne Motorantriebe: Design- und Entwicklungstrends“ [8]. Er konzentrierte sich auf die technologischen Trends von Elektromagneten und verschiedene Werkzeuge zur Entwicklung moderner Motorantriebssysteme. Professor De Doncker wies darauf hin, dass die Trends der Elektromagnettechnologie in den nächsten 10 Jahren folgende sein werden: (1) steigende Leistungsdichte; (2) Entwicklung weiterer Motortypen und spezieller Antriebssysteme; (3) Betrieb von Elektromagneten mit höheren Drehzahlen zur Miniaturisierung; (4) Motoren, Leistungswandler und Steuerschaltungen für den Einsatz in Umgebungen mit höheren Temperaturen; (5) Antriebssysteme mit hohem Drehmoment und Direktantrieb; (6) verstärkter Einsatz hochtemperaturbeständiger Leistungselektronik. (7) Immer intelligentere Steuerungsmethoden werden den Aufwand für Anwender bei der Fehlersuche an elektronischen Antriebssystemen (EDs) und der Optimierung ihrer Leistung reduzieren. Plug-and-Play-Funktionalität von Produkten wird unerlässlich. Der Artikel enthält ein Flussdiagramm für die Entwicklung eines modernen Motorantriebssystems (siehe Abbildung 1). Der Autor weist darauf hin, dass Werkzeuge für die ED-Entwicklung folgende Grundfunktionen aufweisen sollten: (1) Für Motoren: Berechnung von Verlusten und Motorwirkungsgrad; Kerntemperatur, Temperaturzyklus und erwartete Lebensdauer; Geräuschanalyse usw.; (2) Für Leistungswandler: Berechnung der Spannungs- und Strombelastbarkeit aller Komponenten; Verlustberechnung zur Ermittlung des Wirkungsgrads und Methoden zur Wärmeabfuhr; Wärmeverteilung, Temperaturzyklus, Lebensdauer der Leistungswandler; EMV-Analyse, Tiefpassfilter und EMV-Filterauslegung. Ein weiterer bemerkenswerter Artikel ist die Arbeit „Key Technologies for Future Motor Drives“ von Professor Robert D. Lorenz von der University of Wisconsin-Madison, USA, die auf der ICMS 2005 in Nanjing, China, im September 2005 veröffentlicht wurde [9]. In diesem Beitrag stellt Professor D. Lorenz die bisherigen Forschungsergebnisse seiner Arbeitsgruppe vor und hebt fünf Schlüsseltechnologien hervor, die die Zukunft der Elektrodynamik (ED) prägen werden: (1) Als Teil des Gesamtsystems kann die Elektrodynamik als Sensor betrachtet werden, der anderen Teilsystemen die notwendigen Informationen liefert und so die Gesamtfunktion des Systems verbessert. Der Beitrag zeigt beispielhaft, wie das Lastmoment durch einen Lastmomentbeobachter ermittelt werden kann, ohne dass ein zusätzlicher Sensor benötigt wird. (2) Die Verbesserung des Wirkungsgrads der Elektrodynamik wird deren breitere Anwendung fördern. Für bestimmte Anwendungen (z. B. Traktionsenergie) werden hocheffiziente Elektrodynamiksysteme die bevorzugte Lösung sein. (3) Um die Zuverlässigkeit zu erhöhen, werden Motoren zukünftig mit der Funktion der Positions- und Drehzahlmessung ausgestattet sein. Beispielsweise kann der Rotorpol-Effekt so ausgelegt werden, dass die Rotorposition und weitere Informationen während des Betriebs gewonnen werden können. (4) Um die Zuverlässigkeit von parallelgeschalteten Leistungswandlern oder parallelgeschalteten Geräten zu verbessern, ist eine Echtzeit-Temperaturregelung erforderlich, die in zukünftigen Elektrodynamiksystemen Standard werden muss. Um eine gleichmäßige Wärmeverteilung und Robustheit zu gewährleisten, müssen Temperatursensoren und busbasierte Kommunikation in die Systemstruktur integriert werden. (5) Durch die Integration weiterer Mikrosensoren auf System- und Leistungsmodulebene lässt sich eine hohe Zuverlässigkeit zu sehr geringen Kosten erreichen. Diese Methode der Sensorintegration wird sich im Design zukünftiger elektronischer Antriebe widerspiegeln. Die chinesische Übersetzung dieses Artikels finden Sie in Referenz [10]. 3 Industrie 3.1 AC-Frequenzumrichter (1) Immer mehr Unternehmen bringen universelle Frequenzumrichter mit hochleistungsfähiger sensorloser Vektorregelung oder DTC-Regelung auf den Markt. Ein Beispiel hierfür ist die neue Generation universeller Frequenzumrichter der RP-A700-Serie von Mitsubishi Corporation (Japan). Das Unternehmen hat die Drehzahlreglerstruktur und die Online-Identifizierung des Trägheitsmoments des 2005 eingeführten High-End-Servosystems RP-V500 in den RP-A700 übernommen [11]. Mitsubishi gibt an, dass dieses Produkt echte sensorlose Vektorregelungstechnologie realisiert. Der Drehzahlbereich dieses Produkts im sensorlosen Betrieb beträgt 1:200 (0,3 Hz bis 60 Hz), die Drehzahlansprechgeschwindigkeit 120 rad/s. Bei Verwendung eines Encoders ergeben sich folgende Regelungseigenschaften: Drehzahlbereich 1:1500, Genauigkeit ±0,01 %, Drehzahlansprechgeschwindigkeit 300 rad/s (im adaptiven Regelungsmodus). Die Drehmomentregelung bietet folgende Eigenschaften: Drehmomentbereich 1:50, absolute Genauigkeit der Drehmomentregelung im Autotuning-Modus ±10 %, Drehmomentgenauigkeit im Dauerbetrieb ±5 %. (2) Die Anzahl der inländischen Hersteller von Hochspannungs-Hochleistungs-Frequenzumrichtern wächst stetig. Neben den etablierten Unternehmen Beijing Lide Huafu, Chengdu Dongfang Hitachi und Zhongshan Mingyang fertigen auch Firmen wie Harbin Jiuzhou Electric, Shanghai Keda, Guangdong Zhiguang und Beijing Power Source kaskadierte Hochspannungs-Frequenzumrichter. Laut unvollständigen Statistiken entfielen über 50 % des gesamten Inlandsabsatzes auf inländische Produkte. 3.2 AC-Servosysteme Die in der Industrie eingesetzten AC-Servosysteme basieren auf folgenden Technologien [12]: (1) Präzisionsbearbeitung und Motorenfertigung; (2) Systemparameteridentifizierung, mathematische Modellierung und Vektorregelung; (3) DSP-Chip- und Mikrocontroller-Technologie; (4) Leistungselektronik-Modultechnologie; (5) Intelligente Sensortechnologie. Mit der rasanten Entwicklung der Mikroelektronik haben sich AC-Servosysteme von der Steuerung mittels Mikrocontrollern und DSPs hin zu System-on-Chip (SoC) weiterentwickelt. Zukünftige AC-Servosysteme werden auf den oben genannten Technologien, Theorien und praktischen Erfahrungen aufbauen und das Designkonzept der Software-IP-Servosteuerung einführen. Wesentliche Fortschritte werden in den Algorithmen der Software-Servofunktionsmodule, der Identifizierung der Motordynamikparameter und der Rekonstruktion des Regelungsmodells erzielt. Durch die Online-Programmierung von Funktionsmodulen und entsprechend den Anforderungen der Laständerung des geregelten Objekts werden Position, Drehzahl, Beschleunigung und Drehmoment von AC-Permanentmagnet-Synchronmotoren oder AC-Asynchronmotoren mittels hochpräziser Software-Vektor-Servoregelung realisiert. 3.3 Komponenten, digitale Steuerungen und Leistungselektronik für elektrische Antriebssysteme entwickeln sich rasant. (1) Digitale Steuerungen: Bei leistungsstarken elektrischen Antrieben (ED) wandelt sich der Kern des Steuerungssystems schrittweise von einem einzelnen Mikrocontroller (MCU) zu einem DSP+MCU-Hybridchip. Obwohl die von verschiedenen Unternehmen eingeführten Produkte unterschiedliche Bezeichnungen tragen, besteht ihre Hauptarchitektur aus einem DSP-Kern und MCU-Peripheriegeräten. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Antriebstechnik steigen auch die Anforderungen an alle Aspekte des Steuerungskerns. Neben höherer Rechen- und Steuerungsleistung wird auch ein niedrigerer Produktpreis gefordert. Führende Unternehmen haben diesen Bereich erkannt und schnell eigene Produkte auf den Markt gebracht, wodurch sie bei der Entwicklung von ED mehr und bessere Optionen haben. ● Im November 2006 brachte Texas Instruments (TI) vier 32-Bit-DSPs auf den Markt: den TMS320F28015, F28016, F2801-60 und F2802-60. TI beschrieb sie als kostengünstige DSP-basierte Controller mit einem Preis von ca. 4 US-Dollar pro tausend Einheiten, abhängig vom Modell. Alle vier DSPs haben eine Taktfrequenz von 60 MHz. Diese DSPs zeichnen sich durch Benutzerfreundlichkeit aus und verfügen über einen 12-Bit-ADC, eine Quadratur-Encoder-Schnittstelle, bis zu 10 unabhängige PWM-Kanäle zur Motorsteuerung sowie integrierte CAN-, I2C-, UART- und SPI-Module. Speziell für Leistungssteuerungsanwendungen wurde ein hochauflösendes PWM-Modul (HRPWM) mit einer Auflösung von bis zu 150 × 10⁻¹² s eingeführt. Mit 16-Bit-Präzisionssteuerung lässt sich ein Steuerzyklus von 100 kHz erreichen. Mit 12-Bit-Steuerung lässt sich ein Steuerzyklus von 1,5 MHz erreichen. Dies wirkt sich positiv auf die Leistung des Steuerungssystems aus und reduziert Größe und Gewicht des Wandlers. ● Im September 2006 brachte Freescale außerdem vier neue 16-Bit-DSPs der 56F8000 DSC-Serie auf den Markt: den 56F8037, 56F8036, 56F8025 und 56F8023, die Freescale als Digital Signal Controller (DSCs) bezeichnet. Der Preis pro tausend Einheiten liegt je nach Modell bei etwa 4 US-Dollar. Die 56F8000-Serie nutzt den 56800/EDSC-Kern von Freescale mit 32 MIPS und Single-Cycle-Multiplikations-Akkumulation (MAC). Diese Serie vereint die Leistung und schnelle Berechnung eines digitalen Signalprozessors mit der Benutzerfreundlichkeit und den Steuerungsfunktionen eines Mikrocontrollers. Dank des überlegenen internen Busdesigns erreicht die tatsächliche Befehlsausführungsgeschwindigkeit ein hohes Niveau. Diese Serie bietet 16-Bit-PWM mit 96 MHz und programmierbare Fehlerfunktionen. Der hochpräzise 12-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) zeichnet sich durch eine Wandlungsrate von 1,125 ns aus. Für optimale Regelungsleistung verfügt das Produkt über eine ADC- und PWM-Synchronisierung. Der Chip wurde speziell für die Anforderungen von elektrischen Antriebssteuerungen entwickelt und integriert einen 12-Bit-DAC, einen Analogsignalkomparator, eine Quadratur-Encoder-Schnittstelle, einen Leistungsmonitor sowie CAN-, I²C-, UART-, SPI- und weitere Module. Bis auf den Stromversorgungsanschluss können nahezu alle anderen Pins als GPIO-Ports (General Purpose I/O) konfiguriert werden. ● Renesas-Mikrocontroller werden auch in verschiedenen Motorsteuerungsprodukten eingesetzt. Die Mikrocontroller der M16C-Serie sind 16-Bit-Produkte und kosten je nach Modell zwischen 5 und 6 US-Dollar pro 1000 Stück. Die Taktfrequenz des M16C liegt zwischen 20 und 32 MHz. Das High-End-Produkt SH2 nutzt eine 5-stufige Pipeline-Struktur zur Steigerung der Befehlsausführungsgeschwindigkeit. Diese für die Motorsteuerung konzipierte Serie integriert wichtige Module wie ADC, PWM, Timer, Quadraturgeber-Schnittstelle sowie CAN-, I²C- und UART-Module. Der M16C benötigt eine 3-V- oder 5-V-Stromversorgung. ADC und PWM sind synchronisierbar, und die beiden ADC-Abtast- und Halteschaltungen können innerhalb eines PWM-Zyklus separat verzögert und getriggert werden. Diese Funktion eignet sich für die Strommessung eines Drehstrommotors mit einem einzigen Abtastwiderstand. (2) Leistungselektronische Bauelemente: Die Designtechnologie leistungselektronischer Bauelemente entwickelt sich rasant, insbesondere bei Hochspannungs- und Hochleistungsbauelementen. Einzelne IGCT-Bauelemente erreichen Spannungen von 4,5 kV bis 6,5 kV und Ströme von 4 kA und eignen sich für dynamische unterbrechungsfreie Stromversorgungen (DUPS), aktive Leistungsfilter (APF), Unified Power Flow Controller (UPFC), statische Kompensatoren (STATCOM), Halbleiter-Leistungsschalter (SSB), Mittelspannungs-Motorantriebe, Anwendungen im Bereich neuer Energien usw. Der IGCT von ABB ist ein monolithisches Bauelement, das ohne Löt- oder Bonddrähte auskommt und stattdessen eine unabhängige Federdruck-Gehäusetechnologie nutzt. Diese Technologie reduziert die Empfindlichkeit des Bauelements gegenüber Druckungleichmäßigkeiten erheblich und ermöglicht so höhere Toleranzen bei den für die Installation erforderlichen mechanischen Spezifikationen sowie höhere Installations- und Anzugsdrücke. All dies verbessert die Zuverlässigkeit des Bauelements in Hochspannungs- und Hochleistungsanwendungen signifikant. IGCTs weisen geringe Leitungs- und Einschaltverluste auf und können bei Temperaturen von -40 °C bis 140 °C betrieben werden. Zudem liefern sie ihre eigene Antriebsleistung. Es ist absehbar, dass IGCTs im Bereich der Hochspannungs- und Hochleistungs-Leistungselektronikumrichter zunehmend an Bedeutung gewinnen werden. 4 Aktuelle Anwendungsthemen 4.1 Anwendung im Bereich erneuerbare Energien Auf den von der IEEE unterstützten Konferenzen IPEMC'06 (Shanghai, China) und PEMC'06 (Insel Jeju, Südkorea) waren technische Fragen im Zusammenhang mit erneuerbaren Energien, wie z. B. die Nutzung von Solarenergie und die Windkrafterzeugung, ein häufig diskutiertes Thema. Die IEEE-IE-Konferenzberichte veröffentlichten in den Ausgaben 4 und 5 des Jahres 2006 eine Sonderausgabe mit dem Titel „Erneuerbare Energien und dezentrale Erzeugungssysteme“. In diesen Konferenzen und Dokumenten sind die wichtigsten Themen im Zusammenhang mit der dezentralen Energieerzeugung im Bereich der Windkraft: (1) Herstellung und Technologie effizienter, zuverlässiger Großmotoren und ihrer Wechselrichter-Stromversorgung; (2) Technologie zur maximalen Energienachführung im System; (3) Netzanschlusstechnologie usw. Die Entwicklung der Windkraftanlagenleistung in den letzten 25 Jahren ist in Abbildung 2 [13] dargestellt. Diese Abbildung verdeutlicht auch die Bedeutung von Wechselrichtern mit hoher Kapazität für die Entwicklung von Windkraftanlagen. Die gängigste Topologie von Windkraftanlagen ist in Abbildung 3(a) dargestellt. Sie verwendet einen doppelt gespeisten Generator, ein Getriebe und einen rotorseitigen Vierquadranten-Wechselrichter. Um die Systemzuverlässigkeit weiter zu verbessern und den Wartungsaufwand zu reduzieren, geht der Trend zunehmend in Richtung leistungsstarker Synchron- oder Permanentmagnet-Synchronmotoren und Direktantriebssteuerungen (siehe Abbildung 3(b) [13,14,15]). Daher wird die Entwicklung zuverlässiger Wechselrichtertechnologien im Megawattbereich fortgesetzt. 4.2 Anwendung zur Energieeinsparung Das von der chinesischen Regierung im Rahmen des Elften Fünfjahresplans formulierte Ziel, den Energieverbrauch pro BIP-Einheit um etwa 20 % zu senken, ist alles andere als einfach zu erreichen. Da die Energieeinsparung durch Drehzahlregelung großer Motoren erheblich ist und von den meisten Industrie- und Bergbauunternehmen anerkannt wird, sind die Marktperspektiven für Großumrichter zur Energieeinsparung und Prozessoptimierung sehr vielversprechend. Ein wichtiger Aspekt beim Einsatz von Umrichtern für Energieeinsparung und Prozessoptimierung ist die Amortisationszeit nach der Produktinvestition. In den letzten Jahren wurde in meinem Land, als die Frequenzumrichtertechnologie für Wechselstrommotoren gefördert wurde, ein Programm eingeführt, bei dem die vom Nutzer eingesparten Stromkosten zur Finanzierung der Frequenzumrichter verwendet wurden. Um die Wirtschaftlichkeit zu verbessern, sind entsprechende Richtlinien und Gesetze erforderlich. 4.3 Hochleistungs-Wechselstrom-Servosysteme Internationale Konzerne wie ABB, Siemens, Mitsubishi und Yaskawa haben ihre führende Position auf dem globalen Markt für Wechselstrom-Servosysteme kontinuierlich behauptet. Derzeit beherrschen diese Unternehmen 95 % des chinesischen Inlandsmarktes. Schätzungen zufolge verzeichnete der Inlandsmarkt im Jahr 2006 eine Wachstumsrate von rund 20 % und wird voraussichtlich innerhalb der nächsten ein bis zwei Jahre ein Volumen von über 2 Milliarden RMB erreichen. Inländische Unternehmen wie Beijing Hollysys, Huazhong CNC, Shanghai Kaitong, Delta Electronics (Taiwan) und das Xi'an Micro-Motor Research Institute haben bereits technologische Durchbrüche erzielt und eine gewisse Lieferkapazität aufgebaut. Sollten sie in naher Zukunft Durchbrüche bei Schlüsseltechnologien erzielen und ihre Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten verstärken, wird dies die großflächige Entwicklung ihrer Branche fördern. 5. Fazit: Obwohl die zukünftige technologische Entwicklung im Bereich der Motorantriebssysteme nicht vorhergesagt werden kann, lassen sich aus der obigen Übersicht einige wichtige Punkte zusammenfassen, die die technologischen Trends der kommenden Jahre widerspiegeln: ● Hochleistungsfähige sensorlose Vektorsteuerung; ● Hochzuverlässige Motoren mit hoher Kapazität und Frequenzumrichtertechnologie; ● Leistungsstarke und kostengünstige digitale Steuerungen und Leistungselektronik; ● Anwendungen von Elektromotoren in den Bereichen Energieeinsparung, Umweltschutz und erneuerbare Energien.