Mehr für weniger Strom

Umrichter - Jede Komponente eines Automatisierungssystems wirkt auf die Energieeffizienz der gesamten Maschine. Kaum zu glauben, wie stark rückspeisefähige Umrichter den Energieverbrauch einer Maschine senken können.

09. November 2006

Die Strompreise steigen. Das macht energieeffiziente Automatisierungssysteme wieder attraktiver. Beim Verkauf dieser Komponenten und Systeme muss der Vertrieb stets eine psychologische Hürde im Kopf des Kunden nehmen: »Man muss eindeutig darlegen, wo die Einsparpotenziale liegen. Dann werden die höheren Anschaffungskosten auch gerne mit in die gesamte Kalkulation der total cost of ownership einbezogen«, sagt Marcus Finkbeiner, Marketingleiter bei Baumüller. Einsparpotenziale energieeffizienter Systeme reichen vom Stromverbrauch bis hin zu geringerem Wartungsbedarf. Der Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.?V (ZVEI)) ermittelte für das Jahr 2004 einen Energieverbrauch von 165 TWh durch elektrische Antriebe bzw. elektromotorisch angetriebene Systeme. Rund 27,5 TWh und damit 16,9 Millionen Tonnen CO2 könnten durch energieeffiziente elektrische Antriebstechnik eingespart werden.

Die Regelung von Antriebssystemen spielt dabei eine große Rolle zur Energieoptimierung: Laut ZVEI kann der Einsatz von elektronischen Drehzahlreglern vier Fünftel, also 22,4 TWh, sparen, da durch eine präzise Regelung der Maschine nur soviel Energie zugeführt wird, wie sie gerade für den Prozess benötigt. Verfahrprofile der Antriebe können also genau angepasst werden.

Seit 20 Jahren entwickelt der Nürnberger Antriebsspezialist Baumüller Regler, die Energie nicht in Wärme umwandeln. Beim Bremsen des Motors muss die in der Mechanik gespeicherte kinetische Energie abgebaut werden. Oftmals geschieht dies durch die Umwandlung in Verlustwärme mit einer Widerstandsbremsung im Umrichter.

Baumüller setzt nicht auf Bremswiderstände, sondern auf rückspeisefähige Umrichter: Mit den universell einsetzbaren Active Front-End Geräten der Serie ›b maXX 4100‹ ist die Energierückspeisung in jedem System möglich. Die Ein- und Rückspeiseeinheiten b maXX 4100 ergänzen die b maXX Baureihe 4400. Sie versorgen ein oder mehrere Leistungsmodule und speisen Bremsenergie ins Netz zurück.

Die Energierückspeisung ins Netz führt vor allem bei großen Leistungen zu Einsparungen. Die b maXX 4100 können für Leistungen zwischen 35 kW und 180 kW eingesetzt werden. Läuft eine Maschine im Reversierbetrieb, wird sie also regelmäßig stark beschleunigt und wieder abgebremst, macht sich ein rückspeisefähiges System besonders bezahlt. Die geforderte Dynamik resultiert zunächst im hohen Energiebedarf. Die b maXX 4100 führen die beim Einspeisen erzeugte Energie beim Bremsen ins Netz zurück, sodass die Regler nur noch den entstehenden geringfügigen Energieverlust ausgleichen müssen. Der Anwender profitiert vom Verzicht auf Bremswiderstände, der durch die Energierückspeisung ins Netz möglich ist. Zunächst einmal resultiert daraus - abhängig von der Leistungsfähigkeit der einzusetzenden Widerstände - eine eventuell extreme Platzersparnis innerhalb oder außerhalb des Schaltschranks. Wenn die Energie ins Netz zurückgespeist wird, entsteht zudem keine Verlustwärme, die die elektronischen Leistungsteile im Schaltschrank gefährden könnte. So kann eine weniger leistungsstarke oder sogar überhaupt keine Kühlung eingesetzt werden. Letztlich ist die Anschaffung von Bremswiderständen eine Preisfrage und sollte in der Berechnung der Lebenszykluskosten der Maschine berücksichtigt werden.

Beschleunigen, bremsen, sparen

Sinnvoll ist der Einsatz der rückspeisefähigen Umrichter b maXX 4100 in großen Werkzeug- oder Schleifmaschinen. Die Betriebsart dieser Maschinen erfordert eine dynamische Bewegungsführung durch die Antriebstechnik: Durch das stetige Beschleunigen und Bremsen - regelmäßig nötig bei einem Werkstückwechsel in Drehmaschinen - steigt die Kostenersparnis durch rückspeisefähige Umrichter besonders.

Die b maXX 4100 verfügen über Module zur Überwachung der Ladeschaltung und der Hauptschütze sowie zur Aufsynchronisation auf die Frequenz des Versorgungsnetzes. Gegenüber der Widerstandsladung weist die stromgeregelte Vorladung der b maXX 4100 einige Vorteile auf: So wird beim Einschalten des Geräts die Ladezeit überwacht, Störungen werden erkannt und gemeldet. Eine Fehlerbehebung kann dadurch noch vor Anlaufen der Maschine erfolgen. Somit wird verhindert, dass Schäden an der Maschine oder am Antrieb entstehen. Durch den geregelten Ladestrom ist der Umrichter sicher vor Kurzschlüssen, auch bei Hauptschützfreigabe erfolgt kein unkontrollierter Stromstoß. Für die Schaltschrankmontage sind keine externen Ladewiderstände notwendig. Hieraus ergeben sich nahezu dieselben Vorteile wie beim Verzicht auf Bremswiderstände. Da nur Ladeschütz und Sicherung benötigt werden, kann die Anzahl externer Bauteile im Ladekreis minimiert werden. Der Installationsaufwand für den b maXX 4100 verringert sich dadurch.

Auch auf eine Anpassung an die Höhe der Zwischenkreiskapazität kann verzichtet werden. Für den Anwender ist es theoretisch irrelevant, wie viele Achsen er an einem b maXX 4100 betreibt und damit wie hoch der Wert der Zwischenkreiskapazität an der Ladeschaltung ist. Die gefürchteten Stromspitzen beim Einschalten, die durch die hohe Zwischenkreiskapazität verursacht werden können, werden durch die geregelte Vorladung verhindert. In einem breiten Netzfrequenzbereich von 45 bis 65 Hz synchronisiert sich der b maXX 4100 automatisch auf die aktuelle Netzfrequenz auf.

In ›b maXX 4100‹ ist eine Netzfrequenzüberwachung integriert. Damit wird überprüft, ob der Wert der Netzfrequenz innerhalb des zulässigen Frequenzbereichs von 45 bis 65 Hz liegt. Ist der Wert niedriger oder höher, generiert der Regler eine Fehlermeldung. Der b maXX 4100 wird sofort stillgesetzt. Dasselbe gilt, wenn die Netzfrequenzänderungen während des Betriebs zu extrem sind. Aus Sicherheitsgründen muss in der Regel bei Eingreifen eines Maschinenbedieners in die Anlage die Leistungselek­tronik schnellstmöglich spannungslos geschaltet werden. Der Umrichter kann durch seine integrierte Schnellentladung innerhalb von fünf Sekunden den Zwischenkreis auf unter 50 V entladen und der Maschinenbediener ist vor Elektroschlag sicher.

Karlheinz Wirsching, Claudia Dürr, beide Baumüller

Erschienen in Ausgabe: 08/2006