Frequenzumrichter und Servoregler – Schlüsselbaugruppen der Leistungselektronik

Servoantriebsregler und Frequenzumrichter sind mit die wichtigsten Baugruppen der modernen Antriebs- und Energietechnik. Die Schlüsselbaugruppen der Leistungselektronik sind ebenso, wie moderne Regelverfahren auf Microcontrollern, auch elementare Bestandteile von PV-Anlagen, Windkraftanlagen und moderner Antriebstechnik in der Elektromobilität. Sie ermöglichen den energieeffizienten und dynamischen Betrieb dieser elektrischen Antriebe und Energiewandler.

Neben den grundlegenden Regelungsfunktionen sind häufig Optionen wie SPS, Positionierung, Synchronisation und CAM-Interpolation integriert. Die Kommunikation zur überlagerten Steuerung erfolgt über Feldbusprotokolle 

Bezogen auf die Leistungs- und Regelungshardware sind Umrichter zum Betrieb von Synchronmotoren mit elektronischer Kommutierung (Servoantriebsregler) und Umrichter zum hochwertigen Betrieb von Asynchronmotoren (Vektorregler) weitgehend vergleichbar.
Wie bei kaum einem anderen Gerät sind robuste Leistungselektronik, sensible Sensorik und leistungsfähige Digitaltechnik auf engstem Raum komprimiert. Daraus resultieren besondere und hohe Anforderungen an das Gerätedesign und an die Produktqualifikation.

Ziel der Weiterbildung

Der Workshop vermittelt praxisnahes Wissen zu Struktur und Hardware-Aufbau der Leistungs- und Steuerungselektronik für die elektrische Antriebstechnik in der Automatisierungstechnik im kleinen und mittleren Leistungsbereich. Hintergrundwissen zu Verfahren, zur Bauteileauslegung, zum thermischen Verhalten, zur Gestaltung der Leiterplatte, zu EMV-Aspekten, Isolationskonzepten, diverser Normen, Störeffekten, Messmethoden etc. werden anschaulich und nachvollziehbar dargestellt. Dabei steht die Vermittlung einfacher Designmethoden und praktischer Erfahrungen mit griffigen Tipps im Vordergrund. Die Schwerpunkte des Workshops liegen bei Hardwareentwicklung, Konstruktion und Anwendung.

Dienstag, 8. und Mittwoch, 9. April 2025
9.00 bis 12.15 und 13.15 bis 16.30 Uhr

1. Systemübersicht und Überblick über Gerätefamilien, deren Anforderungen und Funktionsschwerpunkte

• Systemübersicht
• Energiewandlung
• Blockschaltbild Umrichter / Servoantriebsregler
• Anwendungsfelder / Anforderungsprofile für Antriebsaufgaben in der Automatisierungstechnik, der Elektromobilität und von Photovoltaik – Wechselrichtern

2. Motortypen und Regelung – Feldorientierte Regelung einer Synchronmaschine

• Motortypen und Arbeitsweise
• Energiewandlung elektrisch (Strom, Spannung) – mechanisch (Drehmoment und Drehzahl)
• Motorregelung – rotororientierte Regelung einer PM-Synchronmaschine
• Stellgrößenausgabe über PWM-Modulation
• PWM-Methoden, Bewertung, Auslegung, Effekte

3. Grundlagen, Blockschaltbild, Basisfunktionen, Begriffe

• Steuerelektronik – Basiskomponenten / Architekturen
• Interrupt-Struktur
• Regel-Zykluszeiten
• Controllerauswahl

4. Feedbacksysteme und Kommutierung

• Resolver und Resolverkonvertierung
• Inkrementalgeber
• Sin/Cos-Geber, Hiperface
• SSI – Schnittstelle, EnDat
• Methoden, Konvertierung
• Bewertung
• Effekte

5. Strommessung

• Kennwerte
• Methoden
• Bewertung
• Auslegung
• Effekte

6. Wechselrichter / Endstufe

• IGBT – Leistungsmodule
• Besonderheiten
• Auswahl und Auslegungsbeispiel
• Verlustleistung und Kühlsystem
• Schutz gegen Kurzschluss
• IGBT – Treiberschaltungen
• Zwischenkreiskapazitäten

7. Netz-Einspeisung und Spannungs-Zwischenkreis

• Gleichrichtung der Netzspannung 
• 1-phasige / 3-phasige Speisung
• Zwischenkreiskapazitäten
• Auswahl und Auslegungsbeispiel
• DC-Speisung / DC-Kopplung

8. Regenerativer Betrieb der Antriebe / Bremsenergie

• Bestimmung der anfallenden Bremsleistung / Brems-Energie 
• Brems-Chopper und Ansteuerung
• Berechnung
• Bremswiderstände
• Varianten
• Effekte
• Zwischenkreiskopplung
• Aktive Rückspeisung

9. In Kurzform: Interne Versorgungsspannungen, Taktnetzteil

• Methoden
• Auslegung
• Effekte

10. Elektrische Sicherheit

• Normen für drehzahlveränderliche Antriebe
• Isolationskonzepte
• Isolationskoordination
• Bestimmung der Luft und Kriechstrecken
• Tests zur elektrischen Sicherheit – Überblick

11. Leiterplatten- und Gerätedesign

• Isolationsabstände
• Strombelastung von Leiterbahnen
• Aufbau- und Gehäusekonzepte
• Isolationsabstände auf Leiterplatten

12. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) 

• EMV – Konzept (Immunität) auf Leiterplatten
• Erdung, Ableitströme
• EMV-Filter – Bauteile und Aufbau
• EMV-Messung – Beispiel: Bewertung leitungsgebundener Emissionen

13. In Kurzform: Funktionale Sicherheit in Servoantrieben

• Risikoanalyse / Risikominderung
• Sicherheits-(Teil)-Funktionen im Servoantriebsregler
• Beispiel STO (Safe Torque Off)
• Beispiel sichere Bewegungsüberwachung