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Sieb-&-Meyer-Vorstand über die Auswirkung der Digitalisierung auf die Antriebsregelung

Frequenzumrichter
Sieb-&-Meyer-Vorstand über die Auswirkung der Digitalisierung auf die Antriebsregelung

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Frequenzumrichter sollen den Motorbetrieb sowie das mit dem Motor verbundene System optimieren. Bedingt durch die Digitalisierung werden die technischen Anforderungen an diese Geräte immer größer. Torsten Blankenburg, Vorstand Sieb & Meyer AG, erklärt im Interview mit KEM Konstruktion, welche Konsequenzen das für die Entwicklung von Frequenzumrichtern und Servoverstärkern hat.

Interview: Johannes Gillar, stellvertretender Chefredakteur KEM Konstruktion

KEM Konstruktion: Welche Auswirkung hat die Digitalisierung im Sinne von Industrie 4.0 auf die technische Entwicklung von Frequenzumrichtern – Stichworte: Simulations-Technologien, Digitaler Zwilling?

Blankenburg: Einerseits ist die Software mittlerweile integraler Bestandteil jedes Frequenzumrichters. Andererseits ist es auf der regelungstechnischen Seite mit dem klassischen PI-Regler nicht mehr getan, sodass man heute weiterdenken muss. Es geht darum, die gesamte Regelungstechnik tiefergehend abzubilden und dabei sind Regler-Simulation oder -Auslegung ein großes Thema. Am Ende benötige ich ein Fundament, um das Ganze regelungstechnisch umsetzen und anschließend verifizieren zu können. Und damit sind wir dann beim Thema Digitaler Zwilling. Der Vorteil dieser Technologie ist, dass nicht ein reales System zur Verfügung stehen muss, sondern man lässt einfach die Simulationsdaten einfließen, um die Lösungen zu überprüfen und auf ihre Stabilität hin zu testen. Solche Hilfsmittel stehen heute bereits zur Verfügung, wobei wir da erst am Anfang der Entwicklung stehen. Bei Sieb & Meyer entstehen gerade erste Projekte, mit denen wir entsprechende Betrachtungen etwa im Hinblick auf Anomalien durchführen. Und das machen wir sowohl im Bereich Antriebstechnik als auch im Geschäftsfeld CNC-Steuerungstechnik. Hintergrund ist, dass wir unsere Basistechnologie weiterentwickeln wollen, um unsere Regler adaptiver zu machen. Und dazu setzen wir eben diese neuen Tools ein. Ziel ist es, digitale Funktionen in die Geräte einfließen zu lassen und so den Mehrwert für den Kunden zu steigern.

KEM Konstruktion: Aufgrund der geforderten effizienten Nutzung der elektrischen Energie in der Produktion werden zunehmend rückspeisefähige Frequenzumrichter gefordert. Sind die sogenannten Matrix- oder Direktumrichter ohne Zwischenkreis zukünftig eine Alternative zur konventionellen Technik?

Blankenburg: Die Frage lässt sich nur beantworten, wenn man sie auf eine spezifische Anwendung bezieht. Das heißt im Grunde, dass betrachtet werden muss, welche Energien zur Verfügung stehen, welche Dynamik bereitgestellt werden muss, welcher Drehzahlbereich abzudecken ist und ob die Kosten und der Nutzen zueinander passen. Natürlich gibt es Anwendungsfälle, bei denen ein Matrixumrichter einen gewissen Charme hat. Etwa bei langsam drehenden Applikationen, bei denen der Anwender ein simples System haben will, das die Energie ins lokale Versorgungsnetz zurück speist. Da macht ein Matrixumrichter Sinn, denn er ist sehr effizient aufgebaut. Für den von Sieb & Meyer im Fokus stehenden Bereich der Hochgeschwindigkeitsmotoren und -generatoren sehe ich eine Lösung auf Basis von Matrix- und Direktumrichtern als nicht zielführend an, da wir den Zwischenkreis als Technologieschnittstelle betrachten, etwa die Kopplung mehrerer Frequenzrichter auf der Zwischenkreisebene oder mit Netzwechselrichtern für unterschiedliche Netzbedingungen. Da bildet der stabile Zwischenkreis die Schnittstelle zwischen der 50-Hz- Netz-Seite und den 1000 oder 2000 Hz, die wir auf der Antriebsseite regeln müssen. Daher sehen wir den Zwischenkreis als Notwendigkeit an.

KEM Konstruktion: Die Digitalisierung verlangt zwingend nach einer Kommunikation zwischen Produkten, Systemen und Maschinen. Klassischerweise erfolgt dies bei Frequenzumrichtern über Feldbussysteme. Welche Rolle spielt diesbezüglich OPC UA over TSN – das sich nach neuesten Erkenntnissen durchaus auch für die Antriebssynchronisation eignet?

Blankenburg: Der mit OPC UA over TSN begonnene Weg geht in die richtige Richtung, da hierdurch eine deterministische Datenkommunikation auf OPC-UA-Basis möglich ist. Die Einführung des Industrial Ethernet hat ja nicht zum gewünschten Ergebnis geführt, auf der Protokollebene eine Harmonisierung zu erreichen. Letztendlich ist das Gegenteil eingetreten und statt der vorher verwendeten 30 Feldbusse haben wir heute 50+ Ethernet-basierte Feldbussysteme, die sich auf der Protokollseite unterscheiden, die sich beim Handling der Echtzeit unterscheiden und denen teilweise proprietäre Hardware zugrunde liegt. Mit OPC UA over TSN versucht man jetzt über die Protokollebene zu standardisieren. Zudem lässt sich über das Time Sensitive Network die Echtzeitfähigkeit über das klassische Ethernet-Kabel erreichen. Aber da liegt noch ein langer Weg vor uns, um das Ganze zum Beispiel auf der Protokollebene umzusetzen. Denn es bleibt ja weiterhin die Herausforderung standardisierte Datenmodelle für spezifische Geräteklassen zu definierten, sodass ein herstellerunabhängiger Datenaustausch ohne aufwendige Protokollanpassungen möglich ist.

KEM Konstruktion: Im Rahmen von Industrie 4.0 werden auch Frequenzumrichter „intelligenter“. Ist es denkbar, dass Umrichter in absehbarer Zeit die Steuerungsebene (SPS, PLC) überflüssig machen und Steuerungsaufgaben dezentral übernehmen?

Blankenburg: Auch bei diesem Thema ist eine Betrachtung spezifischer Anwendungsfelder notwendig. Letztendlich ist das Thema ja nicht neu; schon vor zwanzig Jahren haben wir mit der CNC-61 eine „Einachs-CNC-Steuerung“ auf den Markt gebracht. Das war im Grunde ein Servoverstärker mit integriertem Steuerungsrechner und damit die Vorstufe der heutigen Entwicklung. Aktuell hat Sieb & Meyer seine Antriebsplattform SD3. Die zur Verfügung stehende Rechenleistung kann zur Realisierung von lokalen beziehungsweise dezentralen Steuerungsaufgaben genutzt werden, sodass auf eine übergeordnete SPS, zum Beispiel im Anwendungsbereich der Schraubtechnik, verzichtet werden kann. Ein kompletter Verzicht einer übergeordneten Steuerungsebene durch die ausschließliche Nutzung dezentraler Steuerungskapazitäten ist aus meiner Sicht vorerst aufgrund der damit verbundenen Komplexität bei der Systemprojektierung und -wartung jedoch in Frage zu stellen. Es geht am Ende um Zuverlässigkeit und die Sicherstellung von Funktionalitäten. Daraus ergibt sich, wo der Einsatz von Intelligenz Sinn macht. Möglicherweise ist es also sinnhafter, Rechenleistung zentral vorzuhalten, als sie direkt auf der Achse zu platzieren, weil sich so Vorteile für das Gesamtsystem ergeben, etwa in Bezug auf Latenzseiten oder hinsichtlich Wartung und Überschaubarkeit des Gesamtsystems.

KEM Konstruktion: Sie haben Ihre Frequenzumrichter-Serie SD2S um eine Stand-Alone-Version mit Schutzart IP54 erweitert. Welche Gründe gibt es für die Entwicklung und welche Vorteile hat der Anwender davon?

Blankenburg: Mit der neuen Frequenzumrichter-Serie reagieren wir auf Kundenanforderungen. In der Regel ist der Platz in Schaltschränken knapp und die bestehenden Kapazitäten sind komplett ausgenutzt. Mit unserer neuen, autarken SD2S-Ausführung bieten wir unseren Kunden die Möglichkeit auf einen Schaltschrank zu verzichten und ohne finanziellen und organisatorischen Aufwand zusätzliche Frequenzumrichter in Betrieb zu nehmen. Das Stand-Alone-Modell ist luftgekühlt und verfügt über eine Netzspannung von 5kVA@3 x 400VAC. Damit bringen wir die Antriebsverstärker an die Applikation heran. Und durch die Schutzart IP54 wird die Lösung industrietauglich. Das Antriebsystem haben wir speziell für Hochgeschwindigkeitsanwendungen entwickelt – unter anderem in der Werkzeugtechnik für das Präzisions-Innenschleifen. Aber auch Anwendungen wie Turbo-Kompressoren und Turbo-Vakuumpumpen sind geeignet für das Gerät.

KEM Konstruktion: Die Frequenzumrichter-Baureihe SD2M hat Sieb & Meyer auf Basis der Drei-Level-Technologie entwickelt. Welche Vorteile bietet diese Technologie insbesondere gegenüber LC-Filtern?

Blankenburg: Beim Betrieb von Elektromotoren werden zwischen Umrichter und Motor häufig LC-Filter eingesetzt. Diese sind immer dann nötig, wenn die getaktete Umrichter-Betriebsart zu einer unzulässig hohen Belastung der Motorisolation führt oder qualitativ schlechte Motorströme auftreten. Wer sie einsetzt, muss jedoch mit zusätzlichen Kosten, zusätzlichem Platzbedarf und Gewicht sowie Einbußen im Wirkungsgrad rechnen. Auch gilt es, LC-Filter vorab für die jeweilige Applikation auszulegen – das kostet Zeit und Flexibilität. Eine echte Alternative stellt die Umrichter-Technologie mit Drei-Level-PWM dar wie Sieb & Meyer sie im SD2M verwendet. Die maximalen Spannungssprünge betragen nur die Hälfte der Zwei-Level-Technologie. Das führt in der Regel dazu, dass die am Motor zu messenden maximalen Spannungsimpulse unter 1000 V liegen und damit auch die maximal erlaubte Spannungsanstiegs-Geschwindigkeit eingehalten werden kann – sogar mit modernsten Halbleitern. Dadurch können LC-Filter entfallen. Mit dem SD2M fokussieren wir auf Hochgeschwindigkeit und dementsprechend versuchen wir die maximale Drehfeldfrequenz mit maximaler Taktung als Standard zu definieren. Mit dem SD2M haben wir das realisiert, sodass wir bei 16 kHz eine theoretische Drei-Level-Technologie, also eine theoretische Taktfrequenz von 32 kHz bereitstellen. Weiterer Vorteile der Drei-Level-Technologie: lange Motorleitungen sind kein Hindernis und die Qualität des Motorstromes wird deutlich verbessert. Im Rotor entstehen weniger Verluste (Wärme), was insbesondere für schnelldrehende Motoren von Vorteil ist. Der Platzbedarf sowie Gewicht des Gesamtpaketes verringern sich und die Flexibilität in der Anwendung steigt.

KEM Konstruktion: Welche Rolle spielt heutzutage Software bei der Entwicklung von Frequenzumrichtern beziehungsweise Servoverstärkern?

Blankenburg: Eine große Rolle. Es gibt heute keine Funktionalität mehr, die nicht Software-basiert ist. Es gibt zwar noch analoge Geräte-Eingänge, aber ansonsten ist mittlerweile alles digital – von der Regelungstechnik über die Sensorauswertung bis hin zur Strommessung. Es beginnt bereits bei der Auslegung, beim Geräte-Design, bei der Firmenware, für all diese Dinge benötige ich Software-Tools wie Simulationslösungen, um bestimmte Strukturen im Vorfeld zu analysieren beziehungsweise zu definieren. Vor zwanzig, fünfundzwanzig Jahren hatte man keine Software in den Geräten. Aber heute ist es einfach so, dass man eine Endstufe hat, mit der Prozessorplattform davor und die notwendige Software. Ohne Software geht gar nichts mehr. Und das ermöglicht natürlich auch relativ schnell neue Funktionalitäten, neuen Mehrwert für den Kunden zu realisieren. Von daher ist Software der Kern heutiger Elektronik. Die analoge Welt verschwindet letztendlich fast gänzlich.

Details zu den Frequenzumrichtern von Sieb & Meyer:

hier.pro/nRMBK

Sieb & Meyer AG
Auf dem Schmaarkamp 21
21339 Lüneburg
Tel. +49 4131 203–0
Fax +49 4131 203–2000
info@sieb-meyer.de
www.sieb-meyer.de


Torsten Blankenburg, Vorstand Technik, Sieb & Meyer AG, Lüneburg
Bild: Konradin Mediengruppe

„Software ist der Kern heutiger Elektronik. Die analoge Welt verschwindet letztendlich.“


Torsten Blankenburg, Vorstand Technik, Sieb & Meyer AG, Lüneburg
Bild: Konradin Mediengruppe

„Mit dem Frequenzumrichter SD2M fokussieren wir auf Hochgeschwindigkeit und dementsprechend versuchen wir die maximale Drehfeldfrequenz mit maximaler Taktung als Standard zu definieren.“


Torsten Blankenburg, Vorstand Technik, Sieb & Meyer AG, Lüneburg
Bild: Konradin Mediengruppe

„Der mit OPC UA over TSN begonnene Weg geht in die richtige Richtung, da hierdurch eine deterministische Datenkommunikation auf OPC-UA-Basis möglich ist.“


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Drei-Level-Technolgie

Der Frequenzumrichter SD2M mit Drei-Level-Technologie konnte in den wenigen Jahren seit seiner Einführung bereits eine Erfolgsgeschichte schreiben: So hat Sieb & Meyer zum Beispiel im Bereich der Hochgeschwindigkeits-Strömungsmaschinen zahlreiche Neukunden für das Seriengeschäft gewonnen. Der Frequenzumrichter ist aber weiterhin auch die erste Wahl für Anwendungen in Werkzeugmaschinen oder Prüfständen, wo er mit Höchstleistung bei wenig Platzbedarf, geringen Systemkosten und einem hohen Wirkungsgrad überzeugt. Die Drei-Level-Technologie des Frequenzumrichters ist für Ausgangsleistungen bis 432 kVA und Drehfeldfrequenzen bis 2000 Hz konzipiert. Als Basis für kundenspezifische Entwicklungen hat das Unternehmen den Umrichter vor kurzem leistungsseitig nochmals erweitert. So ist es nun möglich, individuelle Kundenlösungen mit Motorströmen von bis zu 650 A zu realisieren – wahlweise auf Grundlage einer Luft- bzw. Flüssigkeitskühlung.


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