Digitalisierung beeinflusst technische Entwicklung von Frequenzumrichtern

Ein weiterer Trend ist eine erhöhte IT-Sicherheit, die sich aus der zunehmenden Vernetzung und Digitalisierung in der Industrieautomation ergibt. Dafür müssen entsprechende Funktionalitäten im Frequenzumrichter implementiert sein.

Alberto Fuentes (Omron): Umrichter werden ständig weiterentwickelt, um ihre Lebensdauer in allen Einsatzbereichen zu verbessern, das heißt vom Maschinendesign bis hin zur Wartung. In der Vergangenheit waren sie mehr oder weniger nur für eine Aufgabe konzipiert wie etwa die Steuerung der Motorleistung. Frequenzumrichter sollten sich jedoch nach und nach auch für andere Aufgaben einsetzen lassen. Hierzu gehören beispielsweise die Programmierung und die Inbetriebnahme, die sie durch angepasste Funktionen bis hin zur Konfiguration von Anwendungsparametern anstatt Tausender Parameter von Standard-Umrichtern erheblich vereinfachen können. Auf der anderen Seite wird es auch immer wichtiger, dass Frequenzumrichter während der Produktion zahlreiche Daten bereitstellen. So lassen sich Prozesse analysieren und deren Flexibilität und Effizienz zusammen mit Funktionen für eine vorausschauende Wartung, die Maschinenausfälle verhindern, erhöhen.

Henning Höhnert (Siemens): Energieeinsparung im Antriebsstrang ist heute bereits ein wichtiger Treiber bei der Entwicklung von Frequenzumrichtern. Zukünftig wird das Verringern von Netzrückwirkungen und das Stabilisieren von Netzen eine zentrale Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Frequenzumrichtern einnehmen. Des Weiteren werden Umrichter auf Grund ihrer Intelligenz zentrale Bestandteile der Industrie 4.0 Transformation sein.

Andreas Kling (LTI Motion): Folgende Trends beobachten wir aktuell bei Frequenzumrichtern und Servoreglern: Der Trend zur Vernetzung hält an und es werden bevorzugt Ethernet-basierende Feldbusse, vornehmlich Ethercat nachgefragt. Das Thema Sicherheitstechnik gewinnt zunehmend an Bedeutung, sogar mit vermehrten Anfragen aus China. Weiterhin geht der Trend von Einzelachsgeräten zu Mehrachssystemen, die energieeffizienter und typischerweise auch preislich attraktiver sind.

Thomas Peters (KEB Automation): Den allgemeinen Trends hinter dem Stichwort Industrie 4.0 folgend werden sicherlich Themen wie OPC UA TSN und digitaler Zwilling die Entwicklung von Frequenzumrichtern bestimmen. Darüber hinaus rücken aber auch Themen wie Energieeffizienz und -management bei Frequenzumrichter-Systemen immer mehr in den Vordergrund.

Niels Wessel (Schneider Electric): Ein Trend ist dahingehend zu beobachten, dass Frequenzumrichter zunehmend über bereits vorgefertigte Applikationen verfügen, wie z.B. ein Pumpenmanagement mit entsprechenden Features wie Rückspülfunktion oder Kavitationsverhinderung. Frequenzumrichter können so im Idealfall ein komplettes Cyber Physical System abbilden.

Karlheinz Wirsching (Baumüller): Wir beobachten neben der klassischen Optimierung den Trend zu innovativen Technologien im Bereich von Industrie 4.0. Themen sind hier z. B. Connectivity, moderne Simulationsmöglichkeiten und Erstellung des Digitalen Zwillings, um nur einige zu nennen. So können wichtige Anforderungen vom Markt, wie reduzierte Time-to-Market und erhöhte Produktivität, zukunftsfähig und optimal gelöst werden.

elektro AUTOMATION: 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 (Sieb & Meyer): Die Frage lässt sich nur beantworten, wenn man sie auf eine spezifische Anwendung bezieht. Für den von Sieb & Meyer im Fokus stehenden Bereich der Hochgeschwindigkeitsmotoren und -generatoren sehen wir eine Lösung auf Basis von Matrix- und Direktumrichtern als nicht zielführend an, da wir den Zwischenkreis als Technologieschnittstelle betrachten, z.B. Kopplung mehrerer Frequenzrichter auf der Zwischenkreisebene oder mit Netzwechselrichtern für unterschiedliche Netzbedingungen.

Burghardt (Danfoss Drives Deutschland): Eine Effizienzsteigerung ist sicherlich immer sinnvoll: Generell sollte der Fokus hier auf der Optimierung von Anwendungen liegen. Meist lässt sich durch den Einsatz von Drehzahlregelung, sprich Umrichtern, der Energieverbrauch unkompliziert reduzieren. Der Einsatz rückspeisefähiger Umrichter kann, muss aber nicht sinnvoll sein. Entsteht im Betrieb nicht ausreichend generatorische Energie, verursachen ihre größeren Eigenverluste unter dem Strich sogar einen höheren Energieverbrauch. Matrix- bzw. Direktumrichter sind technologisch interessant, konnten sich aber im kleineren Leistungsbereich bisher nicht durchsetzen. Generell treibt Danfoss die technologische Fortentwicklung der Antriebsregler (auch der genannten) und ist u.a. in internationalen Forschungsprojekten wie IEPE (Intelligent and Efficient Power Electronics) aktiv.

Cesaretti (Lenze): Rückspeisefähige Frequenzumrichter findet man immer häufiger auf dem Markt. Ihr Einsatz bei Zentrifugen, Kranen und Wickelmaschinen ist auch durchaus sinnvoll. Technisch gesehen erhält man bei Matrixumrichtern durch neueste Elektronik und hohe Schaltfrequenzen eine sehr hohe Leistungsdichte. Auf der andern Seite ist das Geschäft mit Frequenzumrichtern ein preissensitives Produktgeschäft. Da die Matrixumrichter gegenüber konventionellen Umrichtern ein Mehrfaches an Leistungsmodulen enthalten, haben diese auch ihren Preis.

Donabauer (ABB): Die Technologie der Matrix-Umrichter ist schon länger bekannt, seit den 1980-er Jahren wird vermehrt daran geforscht. ABB setzt jedoch weiterhin bei den Niederspannungsantrieben auf die Frequenzumrichterlösung mit aktiver, selbstgeführter Einspeiseeinheit, weil sie gegenüber Matrixumrichtern entscheidende Vorteile bietet. Um nur einige Beispiele zu nennen: Bei den rückspeisefähigen ABB Industrial Drives liegt die Gesamtverzerrung des Netzstroms THDI bei 3 %. Dank der Energiepufferung im DC-Zwischenkreis und der Umrichtertopologie kann die Ausgangsspannung auch bei Netzspannungsschwankungen stabil gehalten, bzw. sogar erhöht werden. Das resultiert in einer Kompensation des Spannungsabfalls, einer optimalen Dimensionierung des Motors und stellt letztendlich das volle Motor-Drehmoment sicher. Damit lässt sich eine sehr hohe Betriebssicherheit der Anlage erreichen, auch wenn die Netzspannung schwankt. Matrixumrichter erreichen dagegen einen THDI von typisch 5 % – um diesen Wert zu erreichen, muss allerdings die maximale Ausgangsspannung begrenzt werden, je nach Modulationsart werden dann nur 87 % der Eingangsspannung erreicht. Das wirkt sich negativ auf die Motordimensionierung aus. Außerdem reagieren diese Antriebe empfindlicher auf Netz-Unterspannungen, da kein DC-Zwischenkreis zur Energiepufferung vorhanden ist. Für die rückspeisefähigen Frequenzumrichter mit aktiver Einspeiseeinheit spricht auch, dass sie unter allen Betriebsbedingungen mit einem Grundschwingungs-Leistungsfaktor cos phi von 1 arbeiten, wodurch die Blindleistung und der Energieverbrauch optimiert werden. Bei Matrixumrichtern ist der Leistungsfaktor abhängig von der Ausgangsfrequenz deutlich geringer.

Fuentes (Omron): Anwendungen mit Rückspeisung von Energie nehmen durch wettbewerbsfähigere Lösungen, die für einen schnelleren Return on Invest sorgen, zu. Die neue Matrix-Technologie ist nicht nur kosteneffizienter als klassische Lösungen mit Frequenzumrichtern und Energierückspeisung, sondern reduziert auch die Anzahl der externen elektrischen Komponenten.

Höhnert (Siemens): Umrichter mit Zwischenkreis sind deutlich flexibler einzusetzen. Auch vor dem Hintergrund der aktuellen Trends zur Netzstabilisierung und Reduzierung von Netzrückwirkungen. Speicherlösungen beispielsweise lassen sich mit Zwischenkreisumrichtern einfach realisieren, wodurch sich zusätzliche Möglichkeiten zur Netzstabilisierung ergeben.

Kling (LTI Motion): Zum Thema Energieeffizienz stellen sich folgende Fragen: soll die eingesetzte Energie minimiert, die aus dem Netz abgenommene Spitzenleistung reduziert, ein Notbetrieb bei Netzausfall aufrechterhalten oder ein gleiches Verhalten an den weltweit unterschiedlichen Versorgungsnetzen erreicht werden? Ein Matrixumrichter kann durch Rückspeisung die eingesetzte Energie minimieren, die anderen oben genannten Punkte aber nicht abdecken. Sein Einsatzgebiet ist stark auf Einzelantriebe, wie z. B. den Aufzug beschränkt.

Matthias Kummert (Bosch Rexroth): Durch die bedarfsgerechte Drehzahlregelung von Pumpen und Lüftern sind bereits heute Einsparungen von bis zu 90 Prozent des Stromverbrauchs möglich. Das zeigen Vergleichsmessungen bei Druckguss- und Kunststoffmaschinen ebenso wie in der Holzbearbeitung oder Umformtechnik. Die Kombination von rückspeisefähigen Antrieben, Gleichspannungs-Zwischenkreis und einem Zwischenspeicher hält Energie im System und nutzt sie mehrfach. Durch die geschickte Kombination von Ein- und Rückspeisung, wie sie die Software-Funktion Smart Energy Mode von Rexroth übernimmt, sinkt zusätzlich die Anschlussleistung um bis zu 30 Prozent.

Peters (KEB Automation): KEB Automation beschäftigt sich schon lange mit der effektiven Nutzung von Energie und berät seine Kunden bei der Auslegung des wirtschaftlichsten Gesamtsystems. Dafür stehen die rückspeisefähigen Produkte Combivert R6 und Combivert F5-AFE. Matrixumrichter werden da, wo es wirtschaftlich sinnvoll ist, eine Ergänzung zu den etablierten Technologien darstellen. Parallel beteiligen wir uns an Forschungsprojekten, um Fabriken zukünftig mit DC-Netzen zu versorgen.

Wessel (Schneider Electric): Ich persönlich sehe diese Art Umrichter aktuell nur bedingt als sinnvolle Alternative. Matrixumrichter werden vorrangig bei Systemen mit einer geringen Dynamik eingesetzt. Bei diesen Applikationen treten jedoch typischerweise selten generatorische Lasten auf. Der Vorteil von zwischenkreisgepufferten Umrichtern liegt hingegen darin, dass für kurzfristige Leistungsspitzen Energie direkt aus dem Zwischenkreis gezogen wird und zugleich bei kurzfristigen generatorischen Lasten gepuffert werden kann. Dadurch wird das speisende Netz im Anlauf stark entlastet.

Wirsching (Baumüller): Im Maschinenbau werden häufig hohe Dynamiken und Genauigkeiten benötigt. Hier würde bei solchen Umrichtern bedingt durch die Netzeinflüsse ein erheblicher Mehraufwand in der Regelungstechnik entstehen. Die konventionelle Technik hat hier die geringeren Systemkosten und ist damit in vielen Anwendungen die bevorzugte Wahl.

elektro AUTOMATION: Welche Auswirkung hat die Digitalisierung (im Sinne Industrie 4.0) auf die technische Entwicklung von Frequenzumrichtern (Stichworte: Simulations-Technologien, Digitaler Zwilling)?

Blankenburg (Sieb & Meyer): Für die Hersteller der Frequenzumrichter führt dieses als erstes zu einem zusätzlichen Aufwand, da entsprechende Simulationsmodelle der eigenen Komponenten bereitgestellt werden müssen. Ziel muss es daher sein, den Mehraufwand für sich und die Kunden durch eine höhere Planungs- und Prozesssicherheit zu kompensieren.

Burghardt (Danfoss Drives Deutschland): Die Stückzahl „1“-Produktion ist bei Danfoss Drives seit 2005 Realität. Die Erfahrungen bei der Realisierung fließen natürlich auch in die Entwicklung und Verbesserung unserer Produkte ein. Technologien wie Simulationen und 3D-Druck helfen uns, Neuentwicklungen zu beschleunigen.

Cesaretti (Lenze): Die Digitalisierung hat mittlerweile einen erheblichen Einfluss auf die Entwicklung von Frequenzumrichtern. Es geht um Cloud Services wie Asset Management, Condition Monitoring, Predictive Maintenance, und zuletzt auch noch um Supply Chain und Traceability von der Produktion der Umrichter bis zum Endkunden. Entscheidend ist somit der „Lieferumfang des Umrichter“. Dieser besteht neben dem Frequenzumrichter selbst, aus Services wie Engineering- und Supply Tool Chain, Cloud-based Services, Daten für CAD, Digital Twin und Simulation, usw. Lenze ist diesbezüglich bereits sehr gut aufgestellt.

Höhnert (Siemens): Bei der Digitalisierung unserer Produkte geht es darum den Kunden über den gesamten Produktlebenszyklus zu unterstützen. Über Simulationsmodelle, den digitalen Zwilling und mit der Konnektivität unserer Produkte lassen sich Einsparungen, Optimierungen und Arbeitserleichterung im Engineering, der Systemauslegung, bei der Inbetriebnahme, sowie während des Betriebes erreichen.

Kling (LTI Motion): Anbieter von Automatisierungssystemen, wie LTI Motion, simulieren alle Komponenten ihres Systems, wie Motoren, Antriebsregler und Steuerung. Somit kann ein Maschinenprogrammierer auch ohne Einsatz von Hardware ein Steuerungsprojekt umsetzen. Antriebsregler werden immer stärker als Sensoren für motornahe Daten verwendet, um Condition Monitoring oder Predictive Maintenance für die Maschine zu realisieren. Neben einer guten Signalverarbeitung sind ausreichend Speicher und Rechenleistung erforderlich.

Kummert (Bosch Rexroth): Rexroth bietet für einige Frequenzumrichter bereits Funktionen, die einem digitalen Zwilling sehr nahe kommen, zum Beispiel Achssimulation. Damit können Maschinenhersteller vor oder parallel zur Maschinenmontage die Frequenzumrichter auch ohne Maschinenmechanik in Betrieb nehmen. Das spart Zeit und schafft Endanwendern neue Freiheitsgrade, die Umstellungen in der Fertigung während der laufenden Produktion per Software vorzubereiten. Für eine schnelle mechanische und elektrische Konstruktion stellt Bosch Rexroth CAD-Files und E-Plan-Makros bereit.

Peters (KEB Automation): Digitalisierung wird Innovationszyklen weiter verkürzen, was als Konsequenz beschleunigte Entwicklungsprozesse erfordert. Dem folgen zu können, führt zu mehr Standardisierung von Hard- und Software mit der Notwendigkeit, bisherige Abläufe in der Gestaltung neuer Produkte u.a. durch Simulation zu optimieren. Für uns als Mittelständler spielt die Interoperabilität eine große Rolle. Diesen Mehrwert gestalten wir u.a. durch Verwendung der Technologien.

Armin Wallnöfer (ABB): Die realitätsnahe Simulation von echten Komponenten, wie z. B. Frequenzumrichtern, wird im Zuge der Digitalisierung eine zentrale Rolle spielen. Mithilfe von virtuellem Engineering und Inbetriebnahme können Maschinenbauer und Systemintegratoren industrielle Automatisierungssysteme entwickeln und simulieren. ABB bietet schon heute Software-Lösungen für die virtuelle Inbetriebnahme ihrer Frequenzumrichter an. Da sich der virtuelle Frequenzumrichter wie das echte Gerät verhält, kann bereits in der virtuellen Umgebung die Gesamtlösung getestet werden. Durch Nutzung der Plattform für die virtuelle Inbetriebnahme kann ein Systemintegrator virtuelle Antriebe für eine Offline-Simulation einrichten und Tests an realen Produktionslinien deutlich beschleunigen. Die virtuelle Prüfung und Simulation im Frühstadium eines Projektes ermöglicht dank verkürzter Engineering-Dauer und geringerem Risiko bei der Inbetriebnahme der Hardware Kosteneinsparungen von rund 25 %.

Durch die Digitalisierung erfährt Automatisierungs-Hardware zudem eine Anreicherung der traditionellen Eigenschaften durch digitale Features. So werden Frequenzumrichter im Sinne eines Digitalen Zwillings um informationstechnische Aspekte erweitert. Diese umfassen Metadaten, wie Informationen zu Produkttyp, Einbauort oder Lebenszyklus. Des Weiteren können erfasste Betriebsdaten – historische wie aktuelle – zur Optimierung genutzt werden. Durch die Datentransparenz kann einerseits der Betrieb verbessert werden, andererseits jedoch auch der Frequenzumrichter als Produkt. Die Hersteller von Hardware bekommen durch die gemessenen Daten wertvolle Einblicke in die vielfältigen realen Betriebsbedingungen und entsprechenden Verbesserungspotentiale der Produkte – und können diese Potentiale im Zuge der Produktpflege und -weiterentwicklung heben.

Wessel (Schneider Electric): Im Zuge der Digitalisierung wird die Leistungsfähigkeit eines Frequenzumrichters, abgesehen von der eigentlichen Antriebsaufgabe, immer wichtiger. Themen wie die Einbindung in Ethernet-Netzwerke oder die gezielte Datenerfassung – lokal oder in der Cloud – rücken daher vermehrt in den Fokus.

Wirsching (Baumüller): Dank moderner Simulations-Technologien können Anlagenbetreiber vom Schreibtisch aus ihre Maschine entwickeln, virtuell in Betrieb nehmen und optimieren. Ein klarer Trend in der Entwicklung von Frequenzumrichtern. So lassen sich z. B. am Digitalen Zwilling des Frequenzumrichters die kompletten Bewegungszyklen der Maschine abbilden und verbessern. Das spart Zeit und Kosten.

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„Für den von uns im Fokus stehenden Bereich der Hochgeschwindigkeitsmotoren und -generatoren sehen wir eine Lösung auf Basis von Matrix- und Direktumrichtern als nicht zielführend an, da wir den Zwischenkreis als Technologieschnittstelle betrachten.“

„Die Geräte werden stetig intelligenter und kommunikativer, ein Beispiel hierfür sind dezentrale Servoumrichter.“

„Der Frequenzumrichter nimmt heute mehr und mehr die Rolle als zentrale Einheit für die Datensammlung ein.“

„Es wird immer wichtiger, dass Frequenzumrichter während der Produktion zahlreiche Daten bereitstellen.“

„Energieeinsparung im Antriebsstrang ist heute bereits ein wichtiger Treiber bei der Entwicklung von Frequenzumrichtern.“

„Bei Frequenzumrichtern und Servoreglern hält der Trend zur Vernetzung an und es werden bevorzugt Ethernet-basierende Feldbusse, vornehmlich Ethercat nachgefragt.“

„Die virtuelle Prüfung und Simulation im Frühstadium eines Projektes führt bei der Inbetriebnahme der Hardware zu Kosteneinsparungen von rund 25 Prozent.“

„Die Digitalisierung wird Innovationszyklen weiter verkürzen, was als Konsequenz beschleunigte Entwicklungsprozesse erfordert.“

„Ein Trend ist dahingehend zu beobachten, dass Frequenzumrichter zunehmend über bereits vorgefertigte Applikationen verfügen, wie ein Pumpenmanagement mit entsprechenden Features wie Rückspülfunktion oder Kavitationsverhinderung.“

„Rückspeisefähige Frequenzumrichter findet man immer häufiger auf dem Markt. Ihr Einsatz bei Zentrifugen, Kranen und Wickelmaschinen ist auch durchaus sinnvoll.“

„Rexroth bietet für einige Frequenzumrichter bereits Funktionen, die einem digitalen Zwilling sehr nahe kommen, zum Beispiel Achssimulation.“

„Dank moderner Simulations-Technologien können Anlagenbetreiber vom Schreibtisch aus ihre Maschine entwickeln, virtuell in Betrieb nehmen und optimieren.“