Elektrische Antriebstechnik

Wie ein aktives Energiemanagementsystem für die richtige Mischung sorgt

| Autor / Redakteur: Chris Liebermann* / Sariana Kunze

Ein aktives Energiemanagementsystem kann die Effizienz und Produktivität von unterschiedlichsten Applikationen steigern.
Ein aktives Energiemanagementsystem kann die Effizienz und Produktivität von unterschiedlichsten Applikationen steigern. (Bild: Michael Koch)

Diverse Ursachen sind bei der Energieversorgung von elektrischen Antrieben für Spannungsänderungen verantwortlich. Dadurch kann kein direkter Einspareffekt von Strom realisiert werden. Sichere Bremswiderstände und ein aktives Energiemanagementsystem können zudem sicherstellen, dass ein Antrieb weder mit zu viel, noch mit zu wenig Energie versorgt wird.

Energie und Effizienz sind zwei Begriffe, die gerne gemeinsam genutzt werden. Bei Energieeffizienz wird meist in erster Linie daran gedacht, weniger Energie für denselben Output einzusetzen – also an eine Steigerung. Noch eher selten wird der Begriff in einem weiteren Sinn verstanden. Denn in der elektrischen Antriebstechnik hat der optimierte Umgang mit Energie über den direkten Einspareffekt von elektrischem Strom hinaus Vorteile. Einen Überblick über technische Möglichkeiten und deren Auswirkungen auf die Kostenstruktur gibt dieser Beitrag.

Das Prinzip moderner umrichtergespeister Antriebe ist bei allen Herstellern ähnlich: Der Wechselstrom aus dem Netz wird gleichgerichtet und über schnelle Schaltvorgänge in einen Wechselstrom umgerichtet, der den Antrieb in die gewünschte Richtung mit der entsprechenden Drehzahl laufen lässt. Dies funktioniert so bei Einzelachsen, also bei einem Frequenzumrichter, wie bei Mehrachssystemen mit direkt angereihten Achsmodulen und selbst bei Zwischenkreisverbünden, bei denen einzelne Umrichter über einen gemeinsamen Gleichstromzwischenkreis versorgt werden. Auch wird manchmal ein ganzes Werk per Gleichstromnetz versorgt, d.h. ein großer Gleichrichter speist ein und alle Verbraucher bedienen sich aus der Gleichstromkreis-Topologie.

In allen vier Versionen gibt es den Gleichstromzwischenkreis, der für die optimierte Energieversorgung der Antriebe eine besondere Rolle spielt. Denn in ihm spiegeln sich anhand des Spannungsverlaufs ständig die Anforderungen der Applikation wider: Von Null bei ausgeschaltetem Gerät über gleichgerichtete Netzspannung geht es bis zur Sicherheits-Abschaltschwelle, die bei einem 400 Volt-AC-Geräteanschluss oft jenseits der 900 Volt DC liegt. Dazwischen bewegt sich die Spannung aufgrund der Applikation teils stabil, teils sehr stark nach oben und unten. Diese Spannungsänderungen haben vielfältige Ursachen und Auswirkungen, denen mit sicheren Bremswiderständen oder aktiven Energiemanagementsystemen von Michael Koch begegnet werden kann.

Netzrückspeisung: Zu viel Energie im Antrieb

Beim klassischen Fall von Energieeinsparung wird die Bremsenergie genutzt. Allerdings können bei stationären Maschinen netzrückspeisende Frequenzumrichter nur unter ganz bestimmten Voraussetzungen eingesetzt werden, da dieser Fall von vielen Parametern abhängig und am Ende einer Amortisationsrechnung zu unterwerfen ist. Werden große Lasten über einen längeren Zeitraum abgebremst, fällt viel Energie an, deren netzunabhängige Speicherung vorab eine hohe Investition erfordert. Für einen solchen Fall ist die Netzrückspeisung prädestiniert, allerdings nur dann, wenn das Netz als Speicher dauerhaft zur Verfügung steht sowie in der Lage ist, diese zusätzliche Bremsenergie aufzunehmen. Des Weiteren sollten auch die technologischen Voraussetzungen erfüllt sein, damit das Stromnetz durch die Rückspeisung nicht gestört wird – also „sauber“ bleibt. Zudem ist zur Sicherheit immer ein sicherer Bremswiderstand vorzusehen, um Bremsenergie abzuführen, falls das Netz einmal nicht zur Verfügung stehen sollte. Ist die Bremsdauer kurz oder die Energiemenge überschaubar, kann netzunabhängig gearbeitet werden. Dann sorgt eine Zwischenspeicherung mit Hilfe von aktiven Energiemanagementsystemen dafür, die Bremsenergie für das System nutzbar zu halten. In diesem Fall wird das Stromnetz nicht berührt, kein Zähler dreht sich, Verluste werden minimiert. So kann beispielsweise bei Aufzügen, die über wenige Stockwerke fahren, die im Senkbetrieb entstehende Energie gespeichert und bei Aufwärtsfahrten zurückgegeben werden.

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Grundsätzlich funktioniert die Steigerung der Energieeffizienz wirtschaftlich bei kurzen Zykluszeiten im unteren einstelligen Sekundenbereich. Bremsenergie wird hierzu in einem aktiven Energiemanagementsystem zwischengespeichert und bei Bedarf zurückgegeben. Dies ist der Moment der Einsparung – ohne Netz. Das trifft auch auf Mehrachssysteme zu, deren Achsen dauernd oder zeitweise parallel arbeiten. Bei Maschinen, deren Antriebe nur ab und an bremsen und dabei auch nur wenig generatorische Energie produzieren, die zum Teil auch noch durch die Mechanik geschluckt wird, geht es nur um die Sicherstellung der Funktionsfähigkeit des Umrichters im Vier-Quadranten-Betrieb. Diese Aufgabe kann von einem sicheren Bremswiderstand übernommen werden und gilt auch für den Spezialfall Not-Aus, wo es nur um Sicherheit geht.

Netzschwankungen: Zu wenig Energie für den Antrieb

Der übliche Weg einer Absicherung gegen Blackouts über eine AC-USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) ist meist teuer und wartungsintensiv. Wird die Maschine oder Anlage genauer betrachtet, ist häufig zu erkennen, dass nur wenige, spezielle Einheiten bei einem Blackout Probleme bereiten. Meist ist nur ein Antrieb bzw. wenige Antriebe dafür verantwortlich, dass Schäden an der Maschine oder an den Produkten verursacht werden. Sie sind rein materiell und können zeitbezogen hohe Kosten zur Folge haben. Abhilfe schafft hierfür ein richtig dimensioniertes aktives Energiemanagementsystem für jene Antriebe, die Risiken bergen. Geringere Kosten bei der notwendigen Infrastruktur sowie weitere mögliche positive Nebeneffekte erzeugen hohe Nutzwerte. Ähnliches gilt für sogenannte Brownouts, also kurzzeitige Netzschwankungen bis unter ein Spannungsniveau, das den Antrieben einer Produktionseinheit Probleme bereitet. In solchen Fällen gleicht das direkt am Gleichstromzwischenkreis angeschlossene aktive Energiemanagementsystem die Spannungstäler konsequent und unterbrechungsfrei aus. Das System von Koch kann 24-Volt-Netze versorgen, sodass auch Steuerungen und die Peripherie von Sensorik bis hin zu Bremsenansteuerungen bei Brown- oder Blackouts weiterhin sicher funktionieren. Auch Unterbrechungen durch Verschmutzung von Stromführungskontakten haben so keine Folgen. Versorgungsunterbrechungen können sich beispielsweise aber auch geplant ereignen: Wenn eine Stromversorgung nur sehr kostspielig zu realisieren ist, können kurzfristige oder auch langfristige Versorgungsunterbrechungen, also wenn grundsätzlich eine netzunabhängige Energieversorgung erforderlich oder gewünscht ist, entstehen. Ein Beispiel für die erste Situation sind fahrerlose Transportsysteme an Kreuzungen oder Übergängen von einer zur nächsten Brandschutzzone.

BUCHTIPPDas Buch „Praxishandbuch Antriebsauslegung“ hilft bei der Auswahl der wesentlichen Bestandteile elektrischer Antriebssysteme: Motor, Getriebe, Stellgerät, Netzversorgung sowie deren Zusatzkomponenten. Auch auf die Berechnung wird intensiv eingegangen.

Aktives Energiemanagement verlängert Lebensdauer

Starke Geschwindigkeits- und Richtungswechsel unter hoher Leistungsanforderung belasten die Antriebselektronik immens. Spannungsveränderungen erhitzen Kapazitäten, was deren Lebensdauer verkürzt. Der Einsatz eines mit Hilfe der Simulation der Prozessabläufe optimal ausgelegtem aktiven Energiemanagementsystems verlängert erwiesener Maßen die Lebensdauer der Antriebselektronik deutlich und minimiert so das Risiko ungeplanter Stillstände der Produktion. Als Nebeneffekt kann zudem die Taktrate der Produktionsmaschine und damit die Produktivität erhöht werden, sofern die Mechanik dies erlaubt. Aktive Energiemanagementsysteme von Koch können auch dazu genutzt werden, das Spannungsniveau im Gleichstromzwischenkreis so zu erhöhen, dass bei gleichem Strom dem elektrischen Antrieb eine höhere Leistung zur Verfügung gestellt wird. Der Antrieb kann damit schneller beschleunigen. Auch hier ergibt sich eine erhöhte Taktrate, also eine höhere Produktivität.

Das Stromnetz sauber zu halten, ist einer der positiven Effekte des Einsatzes aktiver Energiemanagementsysteme. Ein weiterer Vorteil für die Netzseite ist, dass kurzfristige Lastspitzen unmerklich aus den Systemen statt aus dem Stromnetz versorgt werden. Die Infrastruktur, wie Kabel und Absicherungen von Maschinen und Anlagen, kann so auf ein geringeres Stromniveau ausgelegt und die Kosten dadurch reduziert werden. Eine weitere Möglichkeit stellt das Einbinden von Maschinen in bestehende Netzversorgungs-Infrastrukturen dar, die nur begrenzte Lasten – auch bei nur sehr kurzen Spitzen – bieten. Wenn die Umgebungstemperatur ein entscheidendes Kriterium ist, dann kann zudem ein aktives Energiemanagementsystem der Ersatz für den notwendigen Bremswiderstand sein. Es minimiert die Verluste und somit den Wärmeeintrag in die Umgebung, was sich beispielsweise in der Fischverarbeitung oder in Tiefkühllagern schnell lohnen kann.

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Mit der richtigen Mischung zur perfekten Energie

Resümierend kann oftmals auch eine Mischung aus mehreren der genannten Zielsetzungen mit einem optimierten System zu dem gewünschten Ergebnis führen. So können Lastspitzen oder Umgebungstemperaturen reduziert und gleichzeitig die Energieeffizienz gesteigert werden. Auf Grundlage von Know-how und Erfahrung durch weitgehend wartungsfreie Plug & Play-Systeme mit hoher Zuverlässigkeit stellt Koch die Energieeffizienz von elektrischer Antriebstechnik sicher.

* Chris Liebermann, PR-Büro, Ubstadt-Weiher

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