Gnadenloser Wettbewerb

Den Markt für drehzahlveränderliche Antriebe ¿ Wechselstrom, Gleichstrom, Mechanik, Hydraulik ¿ dominiert die Wechselstromtechnik. Für 1998 ermittelten die ¿Hightech-Gurus¿ der internationalen Unternehmensberatung Frost & Sullivan für Europa einen Anteil von 63,1 Prozent für den Wechselstrom der sich bis 2005 auf 74,4 Prozent erhöhen soll. Gleichzeitig sinkt der Gleichstromanteil von 18,5 Prozent auf 11,2 Prozent. Da der europäische Gesamtmarkt im gleichen Zeitraum mit rund drei Prozent pro Jahr von 1,92 auf 2,39 Milliarden Dollar wachsen soll, turnt das die Marktteilnehmer natürlich zusätzlich an. Die Anwender müssen sich auf diesen Wettlauf der Entwicklungen einstellen.

Die Prognose von Frost & Sullivan beweist, Frequenzumrichter drängeln sich zunehmend selbst in einfachere Aufgaben der Antriebstechnik. Das setzt natürlich niedrige Preise voraus, die sich wiederum nur mit großen Stückzahlen und automatisierter Fertigung erreichen lassen. Der globale, ziemlich gnadenlose Wettbewerb zwackt zudem kräftig an den Gewinnmargen. Das alles setzt ein Karussell der ständigen Weiterentwicklung in Gang, das die Verbesserungen der Halbleitertechnik weiter beschleunigt. Aus diesem Teufelskreis scheint es kein Entrinnen zu geben. Die Anwender profitieren davon allerdings nur, wenn ihre Lieferanten dabei nicht auf der Strecke bleiben.

Als ich ihnen vor rund zwei Jahren über die sogenannten Rucksack-Motoren berichtete, also Asynchron-Motoren an oder auf denen Frequenzumrichter ihre Arbeit verrichten, blickten die meisten Beteiligten sehr euphorisch in die Zukunft. Es war nicht abzusehen, wie schwer sich diese Motorenart im Markt behaupten würde. Schuld daran waren vor allem thermische und mechanische Probleme, mit denen viele Hersteller ¿ leider auch die Anwender ¿ zu kämpfen hatten. Obwohl diese Schwierigkeiten inzwischen ausgestanden zu sein scheinen, warten viele noch auf den großen Run zu diesen Motoren.

Gefragte Universalisten

Das Interesse richtet sich vielmehr auf Frequenzumrichter, die sich sowohl im Schaltschrank als auch in der Nähe der Motoren montieren lassen. Hier stehen vor allem Modelle im niedrigeren Leistungsbereich im Vordergrund, weil dieses Segment offensichtlich die größten Wachstumsraten verspricht. Das hat allerdings auch zur Folge, daß auf dem Markt ein fast ruinöser Preisdruck herrscht, dem die Hersteller mit neuen Konstruktionen begegnen, die sich kostengünstiger herstellen lassen.

Im Vorfeld der Hannover Messe stellten deshalb einige Unternehmen interessante neue Konstruktionen ihrer Frequenzumrichter vor, die diesen Trend bestätigen. Neben den vielfältigen Anstrengungen, die Geräte noch montagefreundlicher zu gestalten, beeinflussen vor allem Entwicklungen geeigneter integrierter Schaltkreise das Design der Geräte. Die Folge ist außerdem eine Fülle an zusätzlichen Funktionen, die von der einfachen Bedienung bis zur Integration kompletter Steuerungsabläufe reicht.

Immer mehr Funktionen

Der dänische Hersteller Danfoss führte schon vor über 25 Jahren den weltweit ersten serienmäßig produzierten Frequenzumrichter in den Markt ein. Seitdem setzten die Techniker dieses Unternehmens weitere Meilensteine bei der Entwicklung in diesem Bereich. Die neue Frequenzumrichterreihe VLT 2800 profitiert natürlich von den Fortschritten der Halbleiter-Entwickler. Leistungsfähige Mikrorechner übernehmen heutzutage in den Frequenzumrichtern eine Fülle von Aufgaben quasi nebenbei. Das bedeutet unter dem Strich, daß diese Antriebssteuerungen in vielen Fällen weitgehend autonom agieren können, ohne auf die Hilfe von speicherprogrammierbaren Steuerungen oder ähnliche Elektronikkisten angewiesen zu sein.

Diese Umrichter überdecken ein Leistungsspektrum von 0,55 bis 7,5 Kilowatt Motorleistung. Wie jetzt allgemein üblich stehen ergänzend zur eingebauten Bedieneinheit ein ansteckbares Klartext-Display und eine Standard-Schnittstelle zur Verfügung. Der sehr durchdachte ¿thermische Haushalt¿ der Geräte gestattet zusammen mit einer effektiven Kühlung völlige Freiheit in der Montage. Interessant erscheint mir die temperaturabhängige Schaltfrequenz, mit deren Hilfe die Motorgeräusche auf ein kleinstmögliches Maß reduziert werden.

Ein besonderes Schmankerl stellt meines Erachtens der herausgeführte Zugang zum Gleichstromzwischenkreis der Umrichter dar. Insbesondere in größeren Anlagen mit mehreren Antrieben lassen sich auf diese Weise die Frequenzumrichter miteinander koppeln. Der bremsende Motor schickt dann seine überschüssige Energie zu den anderen Antrieben. Eine sehr umweltfreundliche Einrichtung, die darüber hinaus auch noch Bremsmodule und -widerstände einspart. Bild 2 demonstriert diese Gleichstromkopplung, wie sie der Grafiker sieht.

Kosten bestimmen die Technik

Wie der beschriebene Teufelskreis ständiger Neuentwicklungen auch aussehen kann, zeigt das Beispiel der neuen Umrichterreihe 8200 Vektor bei Lenze. Bereits zwei Jahre nach dem Start der inzwischen mit sehr hohen Stückzahlen erfolgreichsten Vorgänger begann die Entwicklung der Nachfolger. Selbstverständlich müssen die neuen Umrichter erweiterte Funktionen bieten und sich zu niedrigeren Kosten fertigen lassen. Dabei, so berichtet Entwicklungsleiter Dr. Edwin Kiel, bestimmt nicht mehr die Technik die Kosten, sondern die Zielkosten bestimmen die Technik. Dieses ¿Target Costing¿ trifft natürlich auch die Zulieferanten, denen Zielpreise für Funktionen, Bauteile und Fertigungskosten vorgegeben werden. Das alles bedingt eine lange vertrauensvolle Zusammenarbeit.

Das Ergebnis kann sich sehen lassen: Die Umrichterreihe für Leistungen von 0,25 bis 11,0 Kilowatt umfaßt fünf Baugrößen mit 18 Leistungsgrößen, die wiederum aus neun Hauptleiterkarten plus Mikrorechner-Subprint bestehen. Die Reihe verfügt unter anderem über integrierte EMV-Filter, was das Einhalten der einschlägigen EMV-Bestimmungen vereinfacht und kostengünstiger gestaltet. Im Ein-/Ausgangsbereich bietet der modulare Aufbau flexible Anpassungsmöglichkeiten. Die Fortschritte in der integrierten Halbleitertechnik verschaffen dem Anwender über die eingesetzte Software verbessertes Antriebsverhalten, zusätzliche Steuerungsfunktionen sowie eine bessere Kommunikation der Antriebssteuerung mit der Umgebung. Eine wichtige Größe im Weltmarktvergleich stellt meines Erachtens der Lohnkostenanteil von nur noch fünf Prozent dar.

Chips mit 130 000 000 Transistoren

Ich will Sie zwar nicht verunsichern, aber dieser Entwicklungs-Wettlauf könnte auf Sicht noch weitaus dramatischere Züge annehmen. Karlheinz Ronge vom Erlanger Fraunhofer Institut für integrierte Schaltungen ermöglichte auf einem VDE-Symposium in Hameln einen Ausblick in die nächsten Generationen der Mikroelektronik in der Antriebstechnik. Bis zum Jahre 2012 erwartet er in der Mikroelektronik Strukturgrößen von 30 Nanometern was dann eine Million Transistorfunktionen pro Quadratmillimeter (!) ermöglicht. Die Taktfrequenzen steigen hoch in die 10 000 Megahertz. Derartige Schaltkreise benötigen dann 8000 Anschlußpins, die sicher zu kontaktieren sind.

Bereits für 2002 erwartet er Logikchips mit 800 Megahertz Taktfrequenz, 0,13 Mikrometer Strukturgröße und 130 Millionen Transistoren. Allerdings benötigte ein solcher Chip mit den derzeitigen Entwicklungsmöglichkeiten 2400 Personenjahre. Wer soll das bezahlen, wenn keine Zeit mehr bleibt, die Entwicklungskosten wieder reinzuholen? Dieses ¿Design Gap¿ wollen die Wissenschaftler schließen und die ¿Design-Produktivität¿ durch verschiedene Maßnahmen künftig erheblich steigern.

Die Anwendersicht

Dr. Norbert Kreth, Technischer Leiter bei Battenfeld Extrusionstechnik in Bad Oeynhausen, skizzierte auf dem gleichen VDE-Symposium die Anforderungen der Maschinenbauer an die Antriebslieferanten. Er begrüßte auf der einen Seite die vielfältigen Möglichkeiten, mit elektronischen Funktionen und Mehrmotorentechnik komplizierte mechanische Konstruktionen abzulösen. Hierbei stünden jedoch Wartungsarmut und eine langjährige Liefergarantie von Ersatzgeräten und -komponenten im Vordergrund. Zumindest müßten aber Neukonstruktionen abwärtskompatibel bleiben.

Da beißt sich meines Erachtens die Katze des schnellen Produktzyklus dann in den Schwanz. Denn je mehr Produkte im Markt sind, um so mehr Ersatzbedarf besteht. Wenn dann die immer leistungsfähigeren Nachfolgekonstruktionen nicht mehr mit älteren Anwendungen zurechtkommen, also nicht ¿abwärtskompatibel¿ sind, entsteht den Herstellern eine aufwendige Ersatzteil-Fertigung.

Für die Anwender bieten die neuen Umrichter viele neue Möglichkeiten, Abläufe besser und mit weniger zusätzlichem Steuerungsaufwand zu beherrschen. Das schlägt sich naturgemäß erst in neuen Maschinen und Anlagen nieder. Bisher gibt es auch beim Einbau der ¿Neuen¿ in die meisten vorhandenen Konstruktionen keine Probleme, wenn nicht gar die bisherigen Modelle weiterhin verfügbar sind.

Auch wenn die installierte Rechenleistung meistens die Bedienung vereinfacht, bedarf der größere Leistungsumfang allerdings einer umfassenderen Beratung und besseren Schulung der Mitarbeiter. Da kann sich dann die Nähe der deutschen oder europäischen Hersteller, mindestens aber einer kompetenten Niederlassung des Herstellers als ausgesprochen segensreich erweisen. Ob diese Schulungen dann kostenlos erfolgen oder Sie dafür extra blechen müssen, hängt dann wiederum von Ihren Abnahmemengen und vom Verhandlungsgeschick ab.

Bernhard Siegmund / Mai 1999

Links: http.//www.lenze.com, http://www.frost.com, http://www.iis.fhg.de/asic, http://www.danfoss