Nichts geht verloren

Industrieelektronik

Energiespeicher – Mit intelligenten Energiespeichersystemen inklusive aktiver Rückspeisung sollen Pressenbetreiber und andere Anwender mehr Energieeffizienz erzielen und die Umweltbilanz verbessern.

27. August 2012

Es erfordert enorm viel Energie, Metall umzuformen oder mit Werkzeugen zu bearbeiten. Darum ist Energieeffizienz gerade auch in der Metall verarbeitenden Industrie ein Thema, an dem kein Anwender vorbeikommt. Neben den Kosten rückt auch der Klimaschutz immer mehr in den Fokus. Es gilt Ressourcen zu schonen, CO2-Emissionen zu reduzieren und die Produktion effizienter zu gestalten – und das bei sinkenden Betriebskosten.

Oft sind Aggregate überdimensioniert oder Laufzeit und Wirkungsgrad nicht optimal den Produktionsprozessen angepasst. Die Wahl der richtigen Technik und geeignete Komponenten sind aber der Schlüssel zum Erfolg. Dabei ist die Energierückgewinnung ein vielversprechender Lösungsansatz: Regenerative Antriebsmodule führen dabei die Bremsenergie an einen Energiespeicher ab. Überschüssige Energie steht so dem Produktionskreislauf wieder zur Verfügung.

Mit dem Unidrive SP hat die Schweizer Niederlassung von Control Techniques in Birmenstorf ein effizientes Energiespeichersystem mit aktiver 4Q-Rückspeisung entwickelt. Eine Maschine soll so möglichst kontinuierlich Energie aus dem Netz ziehen und hohe Verbrauchsspitzen aus einem eigenen Speicher abdecken können.

Ein Kunde von Control Techniques zum Beispiel wollte dies in seiner Metallpresse verwirklichen. Kennzeichnend waren die vielen Stop-und-Go-Verläufe, in denen Antriebe mit viel Energie immer wieder zum Stehen gebracht und erneut beschleunigt wurden. Eine weitere Problematik waren die hohen Spitzenbezüge vom Netz und eine überdimensionierte Auslegung bis hin zum Transformator, um die Lastspitzen überhaupt aufbringen zu können.

»In unseren Überlegungen setzten wir daher auf Servomotoren, die im Vergleich zu Asynchronmotoren einen viel höheren Wirkungsgrad bei deutlich weniger bewegter Masse aufweisen können«, schildert Urs Deiss, Leiter Technik bei Control Techniques in Birmenstorf. Zudem konzipierte das Engineering-Team einen Energiespeicher, der möglichst kontinuierlich Energie aus dem Netz ziehen kann und so hohe Spitzenlasten aus dem eigenen Speicher abdeckt.

Modularer Antrieb

Technisch betrachtet, arbeitet das System mit einer Standard-Einspeiseeinheit. »Diese ist am Netz angeschlossen und liefert die Zwischenkreisspannung«, erklärt Deiss. An dieser Spannung hängt der eigentliche Motorantrieb der Maschine, das Antriebskonzept ist dabei modular aufgebaut. Deiss: »Wir verwenden immer den identischen Drive – ob für Einspeisung oder Motorantrieb. Für Letzteren werden diese parallel geschaltet, weil wir genau dort den Spitzenstrom aufbringen müssen, um die erforderliche Spitzenleistung für den Motor aufzubringen. In unserem Konzept reichte bereits die Hälfte der Leistung.«

Zur netzgeführten Rückspeisung lädt sich eine Zwischenkreis-Batterie kontinuierlich auf und kann sofort Energie bereitstellen. Wenn in der Applikation keine Energie gefordert ist, wie beim Absenken der Werkzeuge der Fall, speichert das System die Absenkenergie in den Kondensatoren. Wenn der Arbeitsprozess beginnt und Energie erforderlich ist, wird Energie aus den Kondensatoren entnommen. Gespeichert und verwendet wird zudem überschüssige Energie beim Abbremsen.

Bedarf automatisch erkennen

»Die Intelligenz in der Einspeiseeinheit gehört zu den speziellen Herausforderungen unserer Lösung«, sagt Urs Deiss. Der Zwischenkreisspeicher kann dazu abhängig von der Last vor- und entladen. »Da wir vorher nicht wissen, welche Prozesse auf der Maschine laufen, erkennt unser System den Energiebedarf automatisch, der Speicher wird dann just in time entsprechend vorgeladen. Das ist unsere Stärke.«

Das System misst Netz- und Zwischenkreisspannung und bestimmt anhand von Drehzahlen, wie hoch der Zwischenkreis abhängig vom Lastfall geladen werden und wie viel Energie darin gespeichert werden soll. Die Rückspeiseeinheit »spricht« mit der Antriebseinheit, um Daten auszutauschen und ist laut Deiss sogar lernfähig.

In der Praxis zeigten Messungen in einer bestehenden Maschine unter Last dann auch deutliche Stromeinsparungen. »Wir konnten die Einspeiseseite um den Faktor 2 reduzieren«, freut sich Verkaufsleiter Andreas Graf. Mit weiteren Optimierungen hält er es für realistisch, das Verhältnis von Spitzenstrom zu Endstrom um den Faktor 4 zu reduzieren. »Außerdem konnten wir belegen, dass bei einem Notausfall die gesamte Energie im Speicher aufgenommen werden kann.«

Die Module für die Kondensatoren werden kundenspezifisch gefertigt. »Aus unseren ersten Projekten haben wir gesehen, welche Größe vorteilhaft ist«, schildert Graf. Je nach Bedarf werden zwei, drei oder vier Module parallel platziert. »Diese sind so optimiert, dass sie unter bestmöglicher Ausnutzung des vorhandenen Platzes einfach in einen Standard-Schaltschrank eingebaut werden können.«

Control Techniques legt Wert auf Energie- und Kosteneffizienz bis in die Kabel. Die Absicherung ist so ausgelegt, dass der Anwender sehr dünne Kabel einsetzen kann, weiß Technikleiter Deiss: »Wir brauchen keine teuren Kupferleitungen oder -schienen mit 210 Ampere, uns reichen 130 Ampere völlig aus.«

Erfolgreiche Einführung

Sein Energiespeichersystem mit aktiver Rückspeisung bietet Control Techniques bereits seit einiger Zeit am Schweizer Markt an – bei einem sehr guten Preis-Leistungs-Verhältnis, davon ist Verkaufsleiter Graf überzeugt: »Unser System wird immer auf Kundenbedürfnisse spezifisch angepasst, egal ob Einspeiseeinheit, Motorregler oder Kondensatorenbank – je nachdem, wie viel Kraft der jeweilige Prozess braucht und wie der Hub ist.« Gut angekommen sei im Markt auch die große Flexibilität des Systems, die verschiedene Einspeisegrößen in Bezug zu unterschiedlichen Motorumrichtern und Permanentmagnetmotoren möglich macht. Graf: »Bei großen Leistungen bis 800 Ampere Spitzenstrom finden sich in der Schweiz nicht viele Anbieter.«

Geliefert wird, was der Kunde braucht, seien es nur Komponenten oder auch ein komplettes System mit Schaltschrank, Engineering, Schema und Konzept. »Bewährt hat sich bereits unser favorisiertes System der Modulbauweise«, erzählt Andreas Graf. »Damit bietet Control Techniques etwas Spezielles im Bereich der Leistungselektronik.«

Für Rückspeiseeinheit und Motoreinheit verwendet der Anbieter immer die gleiche Hardware. »Das ist vorteilhaft für die ganze Auslegung, Beschaffung und Ersatzteilhaltung und macht die Logistik deutlich einfacher«, zieht der Verkaufsleiter von Control Techniques Resümee.

Erschienen in Ausgabe: 06/2012