Bremsenergie eines Antriebs abbauen und wiederverwerten [Update]

Anwendungen mit Senk- und Bremsbewegungen in den Lastzyklen, seien es Pressen, Portalkräne oder Regalbediengeräte, werden sinnvoll an rückspeisefähiger Antriebselektronik betrieben. Beim Abbremsen oder beim Senken einer Last arbeiten Elektromotoren als Generator. Diese freiwerdende Energie muss über den Umrichter abgeführt werden. Aber: wie und wohin? SEW-Eurodrive bietet hierfür unterschiedliche Lösungen an.

Die traditionelle Lösung, überschüssige Bremsenergie abzuführen, ist ein Bremswiderstand, der an den Umrichter angeschlossen wird (Bild 1). Überschreitet der Umrichter-Zwischenkreis ein vorgegebenes Spannungsniveau, wird über einen elektronischen Schalter, den Brems-Chopper, ein Widerstand zugeschaltet. Er wandelt die überschüssige Energie in Wärme um, die damit verloren ist. Diese Lösung ist jedoch nur bei Applikationen mit geringem generatorischen Energiepotenzial technisch sinnvoll. Typische Einsatzfälle sind zum Beispiel Vorschubantriebe, Rollenbahnantriebe und Heber mit geringer Taktzahl.

Bremswiderstände sind günstig in der Anschaffung, sie verschlechtern jedoch den Gesamtwirkungsgrad. Ein weiteres technisches Problem ist die entstehende Wärme. Abhängig von Branche und Applikation sind die vorherrschenden Umgebungstemperaturen oder Anforderungen an den Brand- und Explosionsschutz in der Anlage zu berücksichtigen, zum Beispiel in der holzverarbeitenden Industrie. Zudem erschwert die Montage des Bremswiderstands auf dem Schaltschrankdach die Leitungsführung. Vor und nach dem Transport eines Schaltschranks zum Endkunden müssen die Bremswiderstände demontiert und erneut installiert werden. Sind Bremswiderstände hingegen in einem Schaltschrank montiert, dann erhitzt ihre Abwärme das Innenleben und belastet die Schaltschrankklimatisierung. Außerdem blockieren sie dort wertvollen Bauraum. In Kühlhäusern erhöht der Wärmeeintrag der Bremswiderstände den Kühlaufwand, egal wo sie montiert sind.

Ebenfalls Stand der Technik und vielfach bewährt ist die Rückspeisung von Energie ins Versorgungsnetz. Vor allem bei großen Energiemengen ist diese Methode wirtschaftlich sinnvoll. Der ROI für die Rückspeiseeinheit hängt von der Nennleistung der Antriebe und der Anzahl der Lastspiele pro Zeiteinheit ab. Hoch ausgelastete Regalbediengeräte zum Beispiel erreichen Amortisierungszeiten von zwei Jahren. Neben technischen und wirtschaftlichen Kenngrößen stellt auch die Reduzierung der Treibhausgase ein lohnendes Unternehmensziel dar.

Je nach den Eigenschaften des Energieversorgungssystems in einer Anlage kann der Betreiber zwischen einer sinusförmigen und einer blockförmigen Netzrückspeisung wählen. (Hier gehts zur Produktseite MOVIDRIVE). Die sinusförmige Netzrückspeisung prägt einen sinusförmigen Strom ein, synchron zum Phasenverlauf der Netzspannung und praktisch oberwellenfrei. So kann bei weicheren Netzen die Netzqualität gesichert werden und weitere, empfindliche Verbraucher werden vor Störeinflüssen bewahrt.

Dagegen erlauben starre Versorgungsnetze auch eine kostenoptimierte Lösung mit blockförmiger Rückspeisung. Sie prägt im Rückspeisebetrieb einen blockförmigen (also oberschwingungsbehafteten) Strom in das Versorgungsnetz ein. Diese Rückspeisung ist einfacher aufgebaut und benötigt weniger Montageraum.

Die Auswahl der Rückspeisemodule erfolgt anhand der Eigenschaften des Netzes und der Anforderungen des Kunden.

Für alle Varianten bietet SEW-Eurodrive passende Lösungen an. Mit den Bremswiderständen der Typenreihe BW (50 W bis 42 kW Dauerleistung, bis 500 kWP Spitzenleistung) steht die passende Option zum generatorischen Betrieb der Umrichter Movidrive MDX60/61B und Movitrac B für preissensitive Applikationen zur Verfügung. Durch einen integrierten Temperatursensor wird der Widerstand auch ohne externe Überwachung geschützt.

Wenn die Gesamtenergiebilanz der Anlage und der Klimaschutz stärker im Fokus des Anwenders stehen, empfiehlt es sich, freiwerdende Energie erneut in der Anlage zu verwenden oder sie ins Versorgungsnetz zurückzuspeisen. Im generatorischen Betrieb können je nach Einsatzfall etwa 40 bis 50 % der eingespeisten Energie zurückgewonnen werden.

Freiwerdende Energie lässt sich am sinnvollsten im eigenen Unternehmen erneut einsetzen, je nach Applikation sogar in derselben Anlage. Ein typisches Beispiel hierfür sind Kräne und Regalbediengeräte (RBG). Hier lässt sich durch die zeitgleich möglichen Hub- und Fahrbewegungen die freiwerdende Energie eines Antriebs unmittelbar für den anderen Antrieb verwenden. Dazu werden mehrere Umrichter über eine intelligente Zwischenkreiskopplung miteinander verbunden. Die Antriebssteuerung stimmt hierbei die Fahr- und Hubbewegungen energieoptimal aufeinander ab. Wenn beispielsweise ein Shuttle abwärts fährt, lässt sich die freiwerdende Energie gleich für den Vorschub des RBG einsetzen. „Je nach Regalgeometrie kann die intelligente Zwischenkreiskopplung den Energieverbrauch des Geräts um bis zu 25 % senken“, erläutert Dr. Meinhard Schumacher, Leiter Business Development Classic bei SEW-Eurodrive. „Für die Hardware sind keine Investitionskosten notwendig. Vielmehr wird der Gesamtaufwand sogar etwas geringer, weil für zwei Antriebe ein Bremswiderstand genügt.“ Der Bremswiderstand ist weiterhin erforderlich, weil die Vergabe der Lagerplätze häufig dynamisch erfolgt und daher die Fahrwege – und somit der Energiebedarf der einzelnen Antriebe – nicht genau vorherbestimmbar sind.

Für sein Mehrachs-Servoverstärkersystem Moviaxis entwickelte SEW das Netzrückspeise-Versorgungsmodul MXR (Bild 2). Es stellt eine konstante Zwischenkreisspannung und Antriebsleistung bereit. Bei Netzenergieentnahme beträgt der Wirkfaktor cos φ ungefähr 1. Je nach den Eigenschaften des Energieversorgungssystems in einer Anlage kann der Anwender zwischen dem Rückspeisemodul MXR80 für sinusförmige Netzrückspeisung und dem Modul MXR81 für blockförmige Netzrückspeisung mit ungeregelter Zwischenkreisspannung wählen. Hierfür gibt es kostenoptimierte Filter und Drosseln als Netzkomponenten. Zudem reduziert sich der erforderliche Montageraum des Gesamtsystems durch die verringerten Abmessungen der Netzkomponenten deutlich. Beide Rückspeisemodule sind in den Leistungsstufen 50 kW und 75 kW für den Mehrachs-Servoverstärker Moviaxis lieferbar. Durch die Überlastfähigkeit von 200 % sind diese Module vor allem für Anwendungen interessant, die eine hohe Peak-Leistung erfordern.

Auch für die Antriebsumrichter Movidrive B und die Frequenzumrichter Movitrac B (ab 5,5 kW) gibt es die Netzrückspeisegeräte der Baureihe Movidrive MDR60A/MDR61B mit 150 % Überlast als optionale Erweiterungen. Ein einzelnes Netzrückspeisegerät kann im Verbund mit mehreren SEW-Frequenzumrichtern genutzt werden (Bild 3). Somit multipliziert sich der Nutzen eines Rückspeisegerätes auf mehrere Antriebsachsen.

Die sinusförmige Netzrückspeisung Movidrive MDR61B ist die zentrale Ein-/ Rückspeisung zur Versorgung der angeschlossenen Umrichter oder Motorwechselrichter mit Energie. Im Grundgerät der Netzrückspeisung sind bereits Taktfrequenzfilter, Stellerdrossel, Netzschütz sowie die automatisierte Vorladung des Zwischenkreises integriert.

Der abgesicherte Netzanschluss kann also ohne die Vorschaltung zusätzlicher, netzseitiger Komponenten erfolgen. Das senkt den Montage- und Installationsaufwand erheblich, speziell bei den erforderlichen Leitungsquerschnitten. Ebenfalls ohne externe Netzfilter wird die EMV-Grenzwertklasse C3 (EN 61800-3) erreicht. Motorseitig sind geschirmte Motorleitungen oder eine Ausgangsdrossel vorzusehen. Durch die geregelte Rückspeisung weist der Frequenzumrichter einen sinusförmigen Netzstrom auf. Der THDi-Wert (Total Harmonic Distortion of Current) liegt unter 5 %.

Auch die blockförmige Netzrückspeisung MDR60A verbindet mehrere Umrichter über einen zentralen Anschluss mit dem Versorgungsnetz. Die sinusförmigen Netzrückspeisungen MDR61B gibt es in den Leistungsklassen 160 kW und 250 kW, die blockförmigen Netzrückspeisungen MDR60A für Leistungen von 15 kW bis 132 kW.

Eine wirtschaftlich besonders interessante Lösung ist die blockförmige 15-kW-Rückspeisung MDR60A0150 (37 kWP). Sie wurde mit der Erweiterungsfunktion „Bremsmodul“ ausgestattet. Dadurch kann sie direkt anstelle eines Bremswiderstandes genutzt werden. In dieser Funktion wird die Netzrückspeisung alleinig mit dem generatorischen Lastfluss von der Applikation zurück in das Versorgungsnetz beaufschlagt. Dadurch ist es möglich, mit diesem Gerät eine Spitzenleistung von 37 kW und eine Dauerleistung von 22 kW ins Netz zurückzuführen.

Die Energieversorgung des Systems erfolgt über die Eingangsstufe des Frequenzumrichters. Somit ermöglicht die Bremsmodul-Funktion die separate Auslegung von Frequenzumrichter und Netzrückspeisung, beispielsweise ein 30-kW-Frequenzumrichter und eine 15-kW-Netzrückspeisung im Verbund. Dabei liegt diese Lösung preislich in derselben Größenordnung wie ein Bremswiderstand. Auch die Nachrüstung in bestehende Anlagen ist problemlos möglich.

Für die Zukunft sind weitere Entwicklungen auf unterschiedlicher technischer Basis zu erwarten, die die Zwischenspeicherung von Energie ermöglichen. In jedem Fall ist die sorgfältige Analyse der Anwendung wichtig, um die passende Lösung zu finden.

(lei)