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Trends in der elektrischen Antriebstechnik

 

Aufbau elektrischer Antriebe

Einige Trends ergeben sich zum Teil aus dem Aufbau und der Funktionalität elektrischer Antriebe. Deshalb seien an dieser Stelle einige Ausführungen zu diesem Thema erlaubt.

Moderne elektrische Antriebe treten in der industriellen Praxis in sehr unterschiedlicher Gestalt und Komplexität auf. Trotzdem verfügen sie in ihren Schnittstellen nach außen und ihren funktionellen Bestandteilen über viele Gemeinsamkeiten.

 

Schnittstellen

Elektrische Antriebe sind über 3 wesentliche Schnittstellen mit ihrer Umgebung verbunden:

• Schnittstelle zum elektrischen Netz
  Über diese Schnittstelle erfolgt der Austausch elektrischer Energie zwischen dem Antrieb und dem Energieversorgungsnetz.
  
  
• Schnittstelle zum Prozess
  Über diese Schnittstelle erfolgt der Austausch mechanischer Energie zwischen dem Antrieb und dem zu beeinflussenden Prozess. Durch Einspeisung von Kräften oder Ausführung von Bewegungen wird der Prozess in der gewünschten Art und Weise beeinflusst.
  
  
• Schnittstelle zur überlagerten Steuerung
  Über diese Schnittstelle ist der elektrische Antrieb in das Automatisierungssystem eingebunden. Sie dient zur Übertragung von Sollwerten, Steuerbefehlen, Istwerten und Zustandsmeldungen zwischen Antrieb und Automatisierungsgerät.

 

Funktionelle Bestandteile

Elektrische Antriebe weisen im Wesentlichen folgende funktionelle Besandteile auf:

• Elektromotor
  Das Herzstück eines jedes elektrischen Antriebes ist sein Elektromotor. Er dient als Energiewandler, der die zugeführte elektrische Energie in mechanische Energie umsetzt. Im generatorischen Betrieb (z. B. bei Bremsvorgängen) erfolgt der Energiefluss in entgegengesetzter Richtung. Eingespeiste mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.
  Die mechanische Energie stellt ein rotatorischer Motor an der Motorwelle und ein Linearmotor an einem beweglichen Schlitten zur Verfügung. Dabei tritt an der Motorwelle bzw. am Motorschlitten eine Kraft auf. Entsprechend den wirksamen Gegenkräften führt die Motorwelle bzw. der Motorschlitten Bewegungen aus. Der Zusammenhang zwischen wirksamer Kraft und ausgeführter Bewegung wird durch mathematische Bewegungsgleichungen beschrieben.
  
  
• Geber
  Der Geber ermittelt aktuelle Bewegungsgrößen wie Drehzahl, Geschwindigkeit, Lage, Position der Motorwelle bzw. des Motorschlittens und stellt sie der Antriebssteuerung als Istwert zur Verfügung.
  
  
• Bremse
  Die Bremse unterstützt das Stellglied beim Abbremsen des Motors und des mit ihm verbundenen mechanischen Systems in Gefahrensituationen und verhindert Bewegungen des Motors bei abgeschaltetem Stellglied. Besonders bei "hängenden" Systemen (z. B. Roboterarmen, Aufzügen) sorgt die Bremse für die Fixierung des mechanischen Systems auch im inaktiven Zustand des Antriebes.
  
  
• Getriebe
  Das Getriebe stellt einen mechanischen Wandler dar. Es passt die vom Motor abgegebenen physikalischen Größen wie Drehzahl und Drehmoment an die Erfordernisse des zu beeinflussenden Prozesses an.
  Eine weitere Aufgabe von Getrieben besteht darin, die rotatorische Bewegung des Motors in lineare Bewegungen zu wandeln.
  
  
• Stellglied
  Das Stellglied "portioniert" die dem Motor zugeführte elektrische Energie und beeinflusst damit die vom Motor abgegebene mechanische Energie. Mit seiner Hilfe ist es möglich, die an der Motorwelle bzw. am Motorschlitten wirkenden Kräfte zu beeinflussen.
  Stellglieder moderner elektrischer Antriebe sind aus Leistungshalbleitern aufgebaut. Diese Leistungshalbleiter (z. B. Leistungstransistoren) verfügen über Steuereingänge, über die die elektrische Energiezufuhr zum Motor an- und abgeschaltet werden kann. Integrierte Messsysteme erfassen die elektrischen Ströme und Spannungen und stellen sie der Antriebssteuerung zur Verfügung.
  
  
• Antriebssteuerung
  Die Antriebssteuerung stellt das "Gehirn" eines elektrischen Antriebes dar. Es bestimmt die Steuersignale für das Stellglied so, dass sich an der Motorwelle bzw. am Motorschlitten die gewünschten Kräfte bzw. Bewegungen einstellen. Dazu verwendet die Antriebssteuerung verschiedene interne Regelkreise, die je nach Art der Steuerung analog oder digital ausgeführt sind. Die erforderlichen Istwerte der elektrischen Größen erhält die Antriebssteuerung vom Stellglied, mechanische Größen werden von einem am Motor angebauten Geber bereitgestellt. Benötigte Sollwerte erhält die Antriebssteuerung von einem überlagerten Automatisierungsgerät. An dieses gibt es auch aktuelle Istwerte zurück.
  Neben den erforderlichen Steuer- und Regelfunktionen übernimmt die Antriebssteuerung auch Schutzfunktionen und verhindert unzulässige Überlastungen für das Stellglied und den Motor.

Je nach Ausführung des Antriebes sind die verschiedenen Bestandteile und Funktionen unterschiedlich stark ausgeprägt. Zum Teil kann auf die eine oder andere Funktion auch verzichtet werden.