Elektroantrieb

Ein Elektroantrieb ist ein Antrieb mit einem Elektromotor (oder mehreren Elektromotoren), der (beziehungsweise die) von einer Regelung geregelt wird. Sofern die Motorleistung groß ist, werden zwischen der Regelung und dem Elektromotor (oder die Elektromotoren) elektronische Leistungsstellglieder dazwischengeschaltet. Sie sind dann Bestandteil des Elektroantriebs.

Häufig ist die Regelung des Elektroantriebs in Gestalt einer Drehzahl-, Drehmoment-, Lage-, Geschwindigkeits- oder mehrvariablen Regelung ausgeführt. Dabei kann einem Regelkreis ein oder mehrere andere Regelkreise jeweils unterlagert sein oder auch nicht.

Für den praktischen Betrieb werden zumeist gesonderte Komponenten für das Ein- und Ausschalten des Antriebs sowie notwendige Sicherungs- und Überwachungseinrichtungen, ferner eine Energiequelle in Form eines Netzanschlusses, eines Generators (etwa in Form einer Brennstoffzelle) oder auch eines Akkumulators (oder eines Doppelschichtkondensators (etwa in Form von Ultra- oder Supercaps)) bereitgestellt.

Inhaltsverzeichnis

Funktionen, Bewegungsaspekte und Steuerungs-Implementierung

Beim Elektroantrieb wird elektrische Energie in mechanische Bewegungsenergie umgewandelt. Dabei kann diese sowohl in eine Drehbewegung, als auch in eine lineare Bewegung verwandelt werden (Linearantrieb oder geregelter rotierender Elektromotor mit angeflanschtem Schneckengetriebe). Bei Elektroantrieben sind insbesondere bei Lageregelungen die Elementarbewegungen "Rotation" und "Translation" keine gleichförmigen Bewegungen. Vielmehr werden durch die jeweilige Regelung ein oder mehrere definierte Bewegungsabläufe (das heißt Bewegungsmuster in Abhängigkeit von der Zeit) vorgegeben. Bei Drehmoment- und Drehzahlregelung liegen die Dinge zumindest intervallweise anders: in einem bestimmten Intervall kann eine bestimmte Bewegung gleichförmig ausgeführt sein.

Im professionellen Einsatz werden Antriebregelungen heute digital implementiert. Lediglich im Hobbybereich (etwa im Modellbau) oder in seltenen Fällen im Bereich der Kleinantriebe werden Regelungen noch analog verwirklicht. Hardwaremäßig kommen im Falle digitaler Implementierungen Mikrocontroller mit Ein-/Ausgabe-Einheiten mit Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlern sowie Kommunikationsschnittstellen zum Einsatz. Softwaremäßig werden Antriebsregelungen in Form von Direct-Digital-Control-Algorithmen, ergänzende Steuerungen (etwa für Sensoren und Aktuatoren) in Form von Ein-/Ausgabe-Steuerbefehlen und Kommunikationsaustausch in Form von Schnittstellenkommunikationsroutinen verwirklicht.

Leistungselektronische Stellglieder

Hauptartikel: Leistungselektronik

Wirkungsgrad und praktische Betriebseigenschaften

Im Vergleich zu anderen Antriebsarten (z. B. Verbrennungsmotor) weisen Elektroantriebe einen sehr guten Wirkungsgrad auf. Wirkungsgrade bis 99 % sind bei großen Maschinen keine Seltenheit. Man unterscheidet zwischen Antrieben mit geringerer Leistung (elektrische Kleinantriebe) und jenen höherer Leistung. Im Leistungsbereich von ca. 900–1.100 Watt haben Elektroantriebe einen Wirkungsgrad von typisch 70–90 %. Der Wirkungsgrad kann sich allerdings mit steigender Leistung bis etwa 99 % steigern (Wachstumsgesetze der elektrischen Maschinen). Im Gegensatz zum Benzin-, oder Dieselantrieb haben Elektroantriebe mit höheren Drehzahlen und Spannungen, ein niedriges Eigengewicht und sind zudem umweltfreundlicher und zuverlässiger als ihre Kontrahenten. Darüber hinaus können sie durch Abschaltung des elektrischen Netzes in Notfällen sofort gestoppt werden (vorbehaltlich des Auslaufens der rotierenden Massen aufgrund des Trägheitsmomentes).

Einsatzgebiete

Elektrischer Antrieb der Kohlemühle eines Kraftwerkes. Maschinenleistung: 3 MW. Links: elektrische Asynchronmaschine, 12-phasig, Speisung über Gleichstromzwischenkreis-Umrichter. Rechts: Kohlemühle

Die Einsatzgebiete reichen von Kleinstantrieben mit wenigen Milliwatt Leistung (z. B. Antriebsmotoren für CD-Player) über Mittelleistungsanwendungen (Staubsauger, Küchengeräte) bis hin zu höchsten Leistungen in der Industrie und im Verkehrswesen (Antriebe von Kohlemühlen, Antriebe von elektrischen Zügen, U-Bahnen etc.). Die größten Elektromotoren werden bis rund 700 MW gebaut.

Auch die Möglichkeit beim Elektroantrieb Solarenergie nutzen zu können, macht den Antrieb vermutlich für die Zukunft unverzichtbar. Elektroantriebe im Transportbereich sind in Bezug auf die Erfolgsaussichten von der Energiebereitstellung zu trennen. Während Batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) außerhalb von lokal operierenden Fahrzeugen (Betrieb im Innenraum oder auf Höfen) bisher kein Erfolg beschieden ist Quelle findet der elektrische Antrieb bei Oberleitungs-gespeisten Systemen (Oberleitungsbus, Elektrolokomotive), in Dieselelektrischer Antrieben, Hybrid-elektrischen Fahrzeugen (Hybridantrieb) aber auch Brennstoffzellenfahrzeugen eine weitere Verbreitung. Neue Leistungssprünge in der Akkumulatortechnik, z. B. der Lithium-Ionen-Akku oder der Lithium-Titanat-Akku mit Nano-Technologie eröffnen im Rahmen der Elektromobilität neue Marktchancen für Elektrofahrzeuge.

Geschichtliches

In der frühen Industrialisierung hat der Elektromotor sehr bald die Dampfmaschine sowie die Wind- und Wassermühlen abgelöst. Dies geschah, sobald die Verteilung der elektrischen Energie zur Verfügung stand. Von Anfang an waren E-Motoren zuverlässiger als die konkurrierenden Antriebe.

Im Anfang war ein Zentralmotor pro Fabrikhalle installiert. Mit langen Transmissionswellen wurde die Drehenergie auf die einzelnen Maschinen verteilt. Der (manchmal mehrere Meter lange) Transmissionsriemen wurde in der Regel bei laufender Welle abgeworfen oder aufgelegt. Hier kam es zu Unfällen. Die weitere Entwicklung machte es möglich, dass jede Maschine ihren eigenen E-Motor bekam. Die Transmissionen verschwanden in kurzer Zeit. Rasch folgte eine Spezialisierung für Sondermaschinen (z. B. Walzwerke) oder explosionsgefährdete Bereiche. Die Anzahl der E-Motoren pro Maschine oder Anlage wuchs stetig. Die Massenproduktion machte den E-Motor kostengünstig.

Derzeit kann man beobachten, dass dem E-Motor nicht nur die Antriebsaufgabe zugewiesen wird, sondern auch die zuverlässige Positionierung von (meist linearen) Maschinenbewegungen. Hierfür werden Servomotoren mit den zugehörigen Steuereinheiten eingesetzt. Zusammen mit den neuen Konzepten zur Steuerung und Automatisierung einer Maschine kann man hier eine stürmische technische Entwicklung beobachten.

Literatur

  • Manfred Meyer: Elektrische Antriebstechnik. Springer, Berlin, 2 Bände, Band 1: Asynchronmaschinen im Netzbetrieb und drehzahlgeregelte Schleifringläufermaschinen. 1985, ISBN 3-540-13852-8 , Band 2: Stromrichtergespeiste Gleichstrommaschinen und voll umrichtergespeiste Drehstrommaschinen. 1987, ISBN 3-540-17022-7
  • Ulrich Riefenstahl: Elektrische Antriebssysteme : Grundlagen, Komponenten, Regelverfahren, Bewegungssteuerung. 2., bearb. und erw. Aufl., Teubner, Wiesbaden 2006, ISBN 3-8351-0029-7
  • Werner Böhm: Elektrische Antriebe (Kamprath-Reihe), 5., überarb. und erg. Aufl., Vogel Fachbuch 2002, ISBN 3-8023-1912-5
  • Rolf Schönfeld: Elektrische Antriebe - Bewegungsanalyse, Drehmomentsteuerung, Bewegungssteuerung. Springer, Berlin Heidelberg 1995, ISBN 3-540-59213-X
  • Gert-Helge Geitner: Entwurf digitaler Regler für elektrische Antriebe. VDE-Verlag, Berlin Offenbach 1996, ISBN 3-8007-1847-2
  • Nguyen Phung Quang, Jörg-Andreas Dittrich: Vector Control of Three-Phase AC Machines. Springer, 2008, ISBN 978-3-540-79028-0

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