Effizienz und Sicherheit

Antriebstechnik

Energiemanagement – Zwei elementare Aufgaben der elektrischen Antriebstechnik sind die Maximierung der Energieeffizienz sowie die Absicherung gegen Netzprobleme. Drei innovative Geräte lösen beide Aufgaben auf verblüffend einfache Weise.

22. Juli 2013

Eine wesentliche Voraussetzung für die industrielle Produktion ist eine sichere Versorgung der Wirtschaft mit elektrischer Energie zu günstigen Preisen. Entscheidend wichtig sind deshalb einerseits der effiziente Einsatz der Energie sowie andererseits der Schutz vor Spannungsschwankungen oder unterbrechungen.

In besonderem Maße gilt dies für den Betrieb von Motoren an Umrichtern, die den Netzstrom im Dauerbetrieb so umsetzen, dass die angeschlossenen Motoren in der passenden Drehrichtung und Geschwindigkeit rotieren. Fällt die Spannung ab oder wird sie unterbrochen, trudelt der Motor aus, und die Anwendung kommt unkontrolliert zum Stillstand.

Benötigt die Anwendung einen Wechselbetrieb, also Änderungen von Geschwindigkeit und/oder Drehrichtung, wird der Motor außerdem kurzzeitig zum Generator, mit der Folge, dass die Spannung im System steigt und die Energie abgeführt werden muss. Dies geschieht meist über einen Bremswiderstand oder über eine Netzrückspeisung mit unklaren Folgen für die Netzqualität.

Eine überraschend einfache Lösung für alle diese Aufgabenstellungen bieten drei Geräte, die der Bremsenergiespezialist Michael Koch GmbH mit Sitz im badischen Ubstadt-Weiher entwickelt hat: der Dynamische Energiespeicher DES, die Dynamische Energieversorgung DEV sowie eine neu vorgestellte Kombination mit der Typenbezeichnung DEK.

Der Dynamische Energiespeicher DES ermöglicht eine intelligente Nutzung der Bremsenergie und kombiniert die einfache Handhabung eines Bremswiderstands mit der Effizienz einer Netzrückspeiseeinheit. Das Speichermodul arbeitet als Stabilisator des Zwischenkreises ohne Kontakt zum eingangsseitigen Stromnetz.

Bei einem Anstieg der Zwischenkreisspannung über einen bei der ersten Bremsung ermittelten Grenzwert hinaus nimmt das Gerät die überschüssige Energie auf, speichert sie und gibt sie wieder in den Zwischenkreis zurück, sobald die Zwischenkreisspannung einen automatisch festgelegten Mindestpegel erreicht – noch bevor Energie aus dem Netz geholt wird. Die Bremsenergie wird somit nicht wie bei einem klassischen Bremswiderstand in Form von Wärme abgeführt, sondern effizient für den Wiederanlauf des Antriebs eingesetzt.

Alles automatisch

Der Energiespeicher DES 2.0 regelt sich komplett selbstständig. Zur Inbetriebnahme genügt es deshalb, das Gerät mit drei Litzen an den Bremschopperausgang des Umrichters anzuschließen, über den es die relevanten Spannungswerte im Gleichstromzwischenkreis des Umrichters ermittelt.

Das aktive Puffermodul arbeitet mit jedem Umrichter mit einer Zwischenkreisspannung bis 800 Volt DC, entsprechend dem gängigen Netzanschluss von 400 Volt AC, die einen direkten Zwischenkreisanschluss besitzen. Mit einer Speicherkapazität von rund 1,6 Kilojoule in der Standardausführung eignet sich das Gerät für viele Anwendungen in der elektrischen Antriebstechnik.

Als Kurzzeit-Stromversorgung für Antriebsumrichter und Servoregler fungiert dagegen das Gerät mit der Bezeichnung DEV. Diese dynamische Energieversorgung erweitert aktiv die Kapazität des Gleichstromzwischenkreises der Umrichter und hält eine entsprechend der technischen Auslegung festgelegte Energiemenge vor, die bei einem Netzausfall das Spannungsniveau des Zwischenkreises ohne Störung überbrückt oder genügend Zeit lässt, um die Maschine zum definierten Stillstand zu bringen. Ziel ist in jedem Fall, dass der Antrieb die Netzunterbrechung entweder gar nicht bemerkt oder in einen definierten Zustand kommt, von dem aus ein Neustart ohne Aufwand möglich ist.

In der Baugröße 2.0 bietet die DEV in der Standardausführung eine Speicherkapazität von rund zwei Kilojoule und eignet sich damit für viele Anwendungen in der elektrischen Antriebstechnik. Wie der DES arbeitet auch die DEV mit jedem Umrichter mit einer Zwischenkreisspannung bis 800 Volt DC und einem direkten Zwischenkreisanschluss und erfordert keinerlei zusätzliche Parametrierung: Zur Inbetriebnahme genügt es, das Gerät mit zwei Litzen am Umrichter anzuschließen.

Kombinierte Lösung

Eine Kombination beider Geräte ist das Modell DEK, das auf der vergangenen Hannover Messe 2013 erstmals vorgestellt wurde. Das Gerät optimiert den Energiehaushalt direkt im Gleichstromzwischenkreis aller gängigen Umrichter oder Servoregler mit Leistungen im einstelligen Kilowattbereich, ohne dass dafür aufwendige Konfigurationen oder Inbetriebnahmen notwendig wären. Auch hier genügt es zur Inbetriebnahme, das Gerät über drei Litzen anzuschließen.

Die DEK kann sowohl Bremsenergie puffern als auch Spannungsschwankungen bis hin zur Netzunterbrechung ausgleichen. Möglich macht dies die Aufteilung des Energiespeichers von standardmäßig 2.000 Wattsekunden in getrennte Bereiche für die Bremsenergie und für die Versorgung der Kurzzeit-USV, wobei der USV-Bereich mindestens die Hälfte des Energiespeichers zugeteilt bekommt.

Die genaue Aufteilung der zur Verfügung stehenden Energiemenge ist dabei das Ergebnis des Applikationsengineering. Wenn es zum Beispiel gilt, im Fall einer Bremsung 500 Joule Energie zwischenzuspeichern, werden die restlichen zur Verfügung stehenden 1.500 Joule für den USV-Fall vorgehalten. Eine Überwachungsschnittstelle gewährleistet eine zuverlässige Funktion als Energielieferant bei einer Netzunterbrechung.

Bei allen Geräten lässt sich das Speichervolumen durch Erweiterungsmodule in Zwei-Kilojoule-Schritten ausbauen, die einfach über Kabel mit verpolungssicheren Steckern mit der Dynamischen Energieversorgung verbunden werden.bt z

Erschienen in Ausgabe: 05/2013