Dynamischer Energiespeicher DES: Das Puffermodul mit rund 2 kJ Speichervolumen braucht nur an den DC-Zwischenkreis der Antriebsumrichter angeschlossen zu werden.

Dynamischer Energiespeicher DES: Das Puffermodul mit rund 2 kJ Speichervolumen braucht nur an den DC-Zwischenkreis der Antriebsumrichter angeschlossen zu werden. Koch

Eine bessere Energieeffizienz ist noch immer ein Thema, das Interesse weckt. Bei schnell laufenden Robotersystemen kann das auf sehr einfache Art und Weise durch den Einsatz von Energiespeichersystemen funktionieren. Die Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften hat dies in einer Studie nachgewiesen. Doch Effizienzsteigerung ist dabei nur ein Aspekt, wie das Beispiel eines dynamischen Roboters beweist.

Am Standort Wolfenbüttel der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften wurde der Dynamische Energiespeicher (DES) der Michael Koch GmbH getestet. Ziel der Untersuchung war dessen Einsparpotenzial bei Robotern zu ermitteln. Über einen Zeitraum von drei Monaten wurden Versuche an einem gängigen Industrieroboter am Institut für Produktionstechnik durchgeführt. Eingesetzt wurde ein DES von Koch mit einer Speicherkapazität von rund 2 kJ. Die Testmessungen wurden an einem Handling-­Roboter mit einem Werkzeuggewicht von 140 kg durchgeführt.

Nachweis unter Praxisbedingungen erbracht

Der Sechs-Achs-Handling-Roboter absolvierte in den Dauerversuchen drei Bewegungsabläufe, die in der Automobilindustrie Tagesgeschäft sind. Um möglichst nahe an der Realität zu sein, wurden dazu original Geoschweiß-, Klebe- und Handling-Programme aus dem Karosseriebau abgearbeitet. Insgesamt waren 20 verschiedene Programmzyklen im Einsatz. Bei jedem Programmzyklus wurden jeweils mit und ohne den Einsatz des dynamischen Energiespeichers die Verbrauchswerte gemessen und dann verglichen. Das Ergebnis war eindeutig: Die Energieeinsparungen mit DES lagen bei durchschnittlich 15,1 % – mit bemerkenswerten 21 % als Maximum. Kommen weitere Argumente hinzu, beispielsweise wenn sich die Produktivität nachweislich erhöht, dann tritt sogar die Energieeffizienz in den Hintergrund.

Handling-Roboter des Pressenherstellers Schuler belegen die Effizienzsteigerung durch die Energiespeicher: Die Handling-Roboterserie von Schuler ist für das Materialhandling bei großen Pressen konzipiert. Der ‚Crossbar-Roboter 4.0‘ basiert auf einem sechsachsigen Industrie-Roboter, den Schuler um eine Fahr- sowie eine weitere Schwenkachse ergänzt hat. Damit kann er mit mehr Bewegungsspielraum Teile innerhalb einer Pressenlinie transportieren.

Abspecken – Voraussetzung für mehr Dynamik

Crossbar-Roboter Generation 4.0 von Schuler

Crossbar-Roboter Generation 4.0 von Schuler Schuler

Voraussetzung und hilfreich für die Dynamisierung der Roboteraktionen ist das verringerte Gewicht des Roboterarms. Insgesamt konnte gegenüber dem Vorgängermodell das Gewicht von 2 800 auf 1 400 kg halbiert werden – ohne die maximale Traglast inklusive Tooling zu beeinträchtigen. Unterm Strich steigert allein die massive Gewichtsreduzierung die Energieeffizienz, Geschwindigkeit und Performance. Schnellere Zyklen bedeuten eine höhere Dynamik der Antriebe: Beschleunigungs- und Bremsvorgänge werden deutlich härter, was teils extreme Belastungen für die Antriebsumrichter bedeutet. Und häufigere Bremsvorgänge bedeuten mehr Bremsenergie, was die Energiebilanz nicht gut aussehen lässt, wenn sie nicht genutzt wird.

Beide Problembereiche lösen dynamische Energiespeicher DES 3.0. Einerseits wird die Antriebselektronik geschont, wodurch andererseits noch höhere Taktraten möglich sind, ohne negative Folgen für die Elektronik. Mithilfe des dynamischen Energiespeichers kann Schuler im Normalbetrieb seine Crossbar-Roboter mit 15 Takten pro Minute fahren, was einer Steigerung der Produktivität der Pressenlinie um rund ein Fünftel entspricht.

Elektronik geschont und Energie gespart

Energieeinsparungen anhand realer Roboterprogramme nachgewiesen.

Energieeinsparungen anhand realer Roboterprogramme nachgewiesen. Koch

Der dynamische Energiespeicher schont die Drive-Controller, weil er die heftigen Spannungsspitzen in deren Gleichstromzwischenkreis reduziert. Bei jedem Beschleunigungsvorgang sinkt die Spannung auf das DC-Netzniveau, bei jeder Bremsung schnellt sie auf Brems-Chopperniveau hoch. Dieser Spannungshub von mehreren hundert Volt in kurzer Abfolge belastet die Kondensatoren der Antriebselektronik massiv. Dazu kommen noch die zwar deutlich geringeren, aber hochfrequenten Spannungssprünge auf den beiden Extremen, der netzseitigen Eingangsspannung und beim Brems-Chopper während der Bremsvorgänge.

Mit dem DES gelingt es, diese Spannungshübe weitgehend zu glätten: Bremst der Roboter, übernimmt der Energiespeicher ab einem bestimmten Spannungsniveau die zugeführte Bremsenergie. Dadurch bleibt die Spannung des DC-Zwischenkreises stabil; die belastenden Spitzen und die hochfrequenten Spannungssprünge des Choppers bleiben dem Drive-Controller damit erspart. In Summe sinkt der Effektivstrom, was die Lebensdauer des Umrichters erhöht. Schuler wiederum nutzt einen Teil dieser Lebensdauerverlängerung zur Erhöhung der Taktrate bis zur mechanisch möglichen und sinnvollen Grenze.

Bremsenergie bei Beschleunigung genutzt

Messungen der Lastzyklen machen die Energieeinsparungen transparent.

Messungen der Lastzyklen machen die Energieeinsparungen transparent. Koch

Beschleunigt der Roboter, würde die Spannung im Gleichstromzwischenkreis einbrechen. Die benötigte Energie speist jetzt der dynamische Energiespeicher zurück. Die Spannung bleibt im Zwischenkreis so lange auf dem Ausgangsniveau, wie der DES Energie bereitstellt. Erst wenn sie zur Neige geht, holt sich der Antrieb die notwendige Energie aus dem Netz, wobei die Spannung auf die gleichgerichtete Netzspannung fällt. Diese Spannungshübe sind jedoch sehr viel seltener und geringer als ohne DES.

Bei der Beschleunigung spielt der dynamische Energiespeicher seinen zweiten Trumpf aus: Die aktive Rückführung der Bremsenergie verbessert die Energieeffizienz. Abhängig von der Zyklusanzahl pro Minute, kann der Stromverbrauch der Crossbar-Roboter um bis zu 30 % gesenkt werden. Um diese Einsparungen zu erzielen, ist nur ein geringer Implementierungsaufwand notwendig: Der DES wird lediglich über Kabel an den Gleichstromzwischenkreis angeschlossen. Alles andere, zum Beispiel die Spannungsschwelle ab welcher der DES arbeiten soll, erledigt der Speicher selbst. Es sind also weder Konfigurations- noch Inbetriebnahme­arbeiten notwendig.

Manager für DC-Lastkreise

Dynamischer Speicher-Manager DSM4.0

Dynamischer Speicher-Manager DSM4.0 Koch

Auf der Hannover Messe stellt der Hersteller den dynamischen Speicher-Manager DSM4.0 vor. Das Gerät ermöglicht es, Gleichstromkreise bis 800 V DC auszugleichen, also überschüssige Energie zwischenzuspeichern und fehlende Energie zu ersetzen. Das Schwestergerät KSM4.0 deckt den Spannungsbereich von 170 bis 500 V DC ab. Die Regeleinheit lässt sich mit verschiedenen Speichertypen kombinieren: Elektrolyt-Kondensatoren, Doppelschicht-Kondensatoren sowie Batterien. Außerdem kann ein DSM4.0 auf mehrere Speicher gleicher Technologie zugreifen, die Energiemenge also flexibel anpassen. Ebenso können mehrere Regler gleichzeitig auf einen einzigen, großen Speicher zugreifen und die benötigte Energie abrufen beziehungsweise einspeisen. Die Regler beherrschen die Pufferung von Bremsenergie, die Überbrückung von Netzausfällen sowie Spannungsschwankungen. Abhängig vom Einsatzfall gibt es Varianten für verschiedene Lastzyklen und Energiemengen: Über 100 Millionen Zyklen sind ebenso möglich (Anwendung: Pufferung von Bremsenergie) wie Schaltspiele im vierstelligen Bereich (Energiemengen im kWh-Bereich). Die dritte Variante ist für mittlere Energiemengen und bis zu etwa eine Million Zyklen konzipiert. Die jüngste Entwicklung von Koch kommuniziert dabei mit dem Drive-Controller oder einer übergeordneten Steuerung.

Hannover Messe 2016: Halle 14, Stand J15