Niederspannungs-Frequenzumrichter Ein Meilenstein der Antriebstechnik wird 50 Jahre alt

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Im Jahr 1975 wurden die ersten industriellen Anwendungen in Finnland mit Frequenzumrichtern aus der Strömberg-Elektronikwerkstatt in Helsinki ausgestattet. Damit begann der Siegeszug einer Antriebstechnologie, die die gesamte Branche revolutioniert und sich mittlerweile zu einem weltweit gängigen Standard entwickelt hat.

Niederspannungs-Frequenzumrichter spielen heute eine zentrale Rolle in der Antriebstechnologie und sind aus vielen industriellen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Die Geräte regulieren exakt die Frequenz und Spannung des Stroms, mit dem Wechselstrommotoren versorgt werden. Dadurch lassen sich die Drehzahl und das Drehmoment der Motoren präzise steuern. Zudem ermöglichen die Geräte einen sanften Anlauf und Stopp der Motoren, sodass mechanische Belastungen reduziert und damit die Lebensdauer von Maschinen verlängert werden. Und schließlich vermindert die bedarfsgerechte Steuerung der Antriebseinheit den Stromverbrauch deutlich, was sich positiv auf die Energieeffizienz auswirkt.

Ein Finne ist Vater des Niederspannungs-Frequenzumrichters

Als Vater des Niederspannungs-Frequenzumrichters gilt der 1934 in Finnland geborene Ingenieur Martti Robert Harmoinen. Er erforschte die Technologie bereits in den frühen 1960-Jahren nach seinem Hochschulabschluss. Harmoinen war zu der Zeit im finnischen Elektrotechnik-Unternehmen Strömberg tätig, das später Teil des ABB-Konzerns wurde. Das Team um den Ingenieur stand vor der Herausforderung, die Drehzahl von Käfigläufer-Induktionsmotoren verlässlich zu regeln. Dies war damals der am häufigsten verwendete Wechselstrommotor-Typ in der Industrie. Gemeinsam mit seinen Mitarbeitern entwickelte Harmoinen die Technologie der Pulsweitenmodulation (PWM), mit der sich die Motordrehzahl präzise steuern und gleichzeitig die Energieeffizienz verbessern lässt.

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1975: Erste kommerzielle Anwendung geht an den Start

Der entscheidende Meilenstein bei der Entwicklung des Niederspannungs-Frequenzumrichters wurde im Jahr 1975 gelegt, als der SAMI A (Strömberg Asynchron Motor Inverter Drive) in Betrieb ging. In diesem Jahr lieferte Strömberg drei SAMI A-Einheiten mit 350 kVA und 500 V an das Sägewerk Karihaara in Nord Finnland, womit die erste kommerzielle Anwendung dieses innovativen Drehstromantriebs geboren war. Mit dieser Installation gelang es den Verantwortlichen zum ersten Mal, die Vorteile der Technologie in einer realen industriellen Umgebung nachzuweisen: So konnte das Sägewerk dank flexibler Steuerung der Motordrehzahlen seine Energieeffizienz deutlich verbessern und den mechanischen Verschleiß auf ein Minimum reduzieren. Zudem wurde im gleichen Jahr auch ein Brennstabwechselgerät im finnischen Kernkraftwerk Loviisa mit dem SAMI A ausgestattet.

Ein paar Jahre später fand die Technologie auch ihren Weg in den öffentlichen Nahverkehr: So bestanden im Jahr 1979 die AC-Antriebe von Strömberg die Tests der Metro Helsinki erfolgreich und bestätigten damit ihre Eignung für den anspruchsvollen Traktionseinsatz. Im Sommer 1982 nahm die U-Bahn in der finnischen Hauptstadt schließlich ihren Betrieb auf – angetrieben von SAMI-Umrichtern der Firma Strömberg.

Entwicklungsgeschichte der Frequenzumrichter eng mit ABB verbunden

Blickt man auf die 50-jährige Geschichte der Niederspannungs-Frequenzumrichter, ist deren Entwicklung eng mit dem Namen ABB verbunden: So wurde der Hersteller Strömberg Ende der 1980er Jahre durch die Eingliederung in das Unternehmen ASEA und dessen Fusion mit Brown Boveri Teil des ABB-Konzerns. Einen weiteren bedeutenden Schub erhielt die Technologie Anfang der 1990er Jahre: Damals revolutionierte die Kommerzialisierung der Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) die Drehstrom-Antriebstechnik. Die IGBTs wurden zu einer zentralen Komponente moderner Antriebe und ebneten den Weg für kompaktere, effizientere und leistungsfähigere Lösungen für eine Vielzahl von Anwendungen. Schon zwei Jahre später kam der ACS500 auf den Markt – die erste universelle Antriebsserie von ABB, die auf IGBT-Technologie basiert.

In den darauffolgenden Jahren brachte ABB weitere technologisch anspruchsvolle Umrichter-Lösungen für industrielle Anwendungen zur Marktreife: Dazu zählte die ACS600-Produktfamilie, die mit Direct Torque Control (DTC), Signalprozessoren, ASICs und IGBTs ausgestattet ist und die Energieeffizienz sowie die Motor-Performance auf eine neue Ebene hebt. Dabei adressierten die neuen Technologien erstmals gezielt die Anforderungen bestimmter Branchen.

Industrielle Energieeffizienz gewinnt an Bedeutung

In den 2000er-Jahren konzentrierte sich die Entwicklung auf aktive Front-End-Umrichter und moderne Leistungselektronik. So führte ABB im Jahr 2003 die ACS800-Produktfamilie ein, gefolgt von der Standardantriebsserie ACS550 und der Variante ACH550, die sich durch eine intuitive Benutzeroberfläche für HLK-Anwendungen auszeichnet. Ein zentraler Vorteil der Umrichter-Technologie ist seit jeher die hohe industrielle Energieeffizienz, die ohne eine präzise Regelung der Drehzahl von Wechselstrommotoren nicht möglich wäre. Dazu Michael Spuck, Produktmanager für Frequenzumrichter bei ABB Motion: „Ich erinnere mich an Zeiten, in denen Energieeffizienz kein Thema war. Jetzt ist sie in aller Munde. Dies gilt insbesondere für den Endkunden, der die Stromrechnung für den Einsatz der Frequenzumrichter und Motoren zahlt.“

Produktentstehung

E-Book zeigt 100 Anwendungen mit KI-gestütztem Engineering

In den 2010er-Jahren stand die Entwicklung von einheitlichen Plattformen und Hochgeschwindigkeitsanwendungen im Mittelpunkt. So hat ABB im Jahr 2011 die All-Compatible-Plattform für Nieder- und Mittelspannungs-Frequenzumrichter eingeführt. Sie zeichnet sich durch eine konsistente Architektur, gemeinsame Konnektivität, Cloud-Dienste und Unterstützung für mobile Geräte aus. Im Anschluss kam ein drehzahlvariabler Unterwasserantrieb auf den Markt, gefolgt von ACQ580, einem US-Frequenzumrichter mit NEMA-Zulassung für Wasser- und Abwasseranwendungen. Marius Steinmann, ABB Motion Regionalleiter für die Region Süd-West, verweist hierzu auf eine Anekdote: „Auf der Hannover Messe 2018 stellten wir einen ACS580 der Schutzklasse IP55 aus, der komplett in einem Eisblock eingefroren war. Das war natürlich ein absoluter Eye-Catcher und ein beliebtes Fotomotiv – auch für das ABB-Standpersonal.“

Die 2020er-Jahre waren schließlich geprägt vom weltweiten Trend zur Elektrifizierung und Digitalisierung der Frequenzumrichter: So brachte ABB zunächst neue Steuergeräte für industrielle Antriebe heraus, die integrierte Konnektivität, Remote-/Cloud-Zugriff, KI-gesteuerte Analysen sowie eine höhere Rechenleistung bieten. Aktuell liegt der Fokus auf der Entwicklung von Lifecycle-Services für finnische ABB-Frequenzumrichter und dem Ausbau der globalen Servicekanäle.

Kuriose Geschichten begleiten die Technologie-Entwicklung

Seit nunmehr 50 Jahren spielt ABB bei der Weiterentwicklung der Niederspannungs-Frequenzumrichter eine wegweisende Rolle. Diese Erfolgsstory wird von vielen Erlebnissen und Erfahrungen der Entwickler-Teams begleitet. An eine besonders kuriose Geschichte erinnert sich Hans-Jörg Holzmann, Senior Expert Sales and Service Drives bei ABB:

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