Bremsenergie puffern und wieder verwenden statt verheizen

In der elektrischen Antriebstechnik wird die Bremsenergie entweder verheizt oder ins Netz zurückgespeist. Der Energiespeicher ist eine neue Möglichkeit.

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Bislang stehen der elektrischen Antriebstechnik zwei Möglichkeiten für den Umgang mit Bremsenergie zur Verfügung: Entweder wird sie in Bremswiderständen in Wärme umgewandelt oder ins Netz zurückgespeist, wenn es technisch sinnvoll ist und sich kaufmännisch rechnet. Mit dem dynamischen Energiespeicher DES 2.0 präsentiert Antriebsexperte Koch eine dritte Möglichkeit für die Verarbeitung von Brems-energie. Und zwar ohne Netz. Mit einem Gerät, das an fast allen Umrichtern der Spannungsklasse zwischen 400 und 460 VAC genutzt werden kann. Für eine ganze Reihe von Applikationen eröffnet sich damit eine Chance zur Erhöhung der Energieeffizienz, die Ressourcen, Nerven und dazu auch noch das Stromnetz schont.

Das elektrische Puffermodul DES 2.0 bietet in seiner Standardausführung eine Speicherkapazität von rund 2 kJ und eignet sich damit für viele Anwendungen in der elektrischen Antriebstechnik. Konstruiert für Umrichter mit Anschlussspannungen zwischen 400 und 460 VAC, die über einen direkten Zwischenkreisanschluss verfügen, ist der dynamische Energiespeicher mit jedem gängigen Umrichtertyp einsetzbar. Dabei regelt sich der Speicher von Beginn an selbständig ein. Das Spannungsniveau im Zwischenkreis und die geforderte Anfangsleistung ermittelt das Gerät selbständig und stellt sich darauf ein.

Der Energiespeicher DES muss so einfach wie ein Bremswiderstand einsetzbar sein und als Black Box funktionieren, d.h. der Puffer passt für alle Umrichter und stellt sich selbst ein: anschließen, vergessen und elektrische Energie sparen. Die Universalität ist die wichtigste Vorgabe für die Entwicklung des dynamischen Energiespeichers gewesen. Deshalb kommt das Gerät ohne jegliche Tasten, Anzeigen oder sonstige Bedienelementen aus. Die einzige Ausnahme: Eine kleine Leuchtdiode auf der Oberseite des Geräts zeigt an, ob der Speicher noch Energie geladen hat. Das ist sicherheitsrelevant. Ansonsten funktioniert das Gerät ohne Schnittstelle. Für die Schaltschrankmontage in Schutzart IP 20 ausgeführt, spielt das Gerät seine Vorteile ohne besondere Einstellungen primär bei Anwendungen mit kurzen Zykluszeiten aus.

Die Arbeitsweise – keinerlei Netzrückwirkungen

Das Gerät hat keine revolutionäre Hardware, sondern besitzt serienmäßig einen großen Elektrolytkondensator mit 20.000 µF. Bei Anwendungen mit geringerem Energieaufkommen wird der DES problemlos mit einen kleineren Kondensator bestückt. An den Zwischenkreis des Umrichters ist der Speicher über einen Tiefsetz-/Hochsetzsteller angeschlossen. An sich also alles Stand der Technik, aber dennoch etwas Besonderes. Aus vielerlei Gründen, die in der Folge beschrieben sind.

Entgegen einer direkten Erweiterung der Kapazität des Gleichstrom-Zwischenkreises hat der aktive DES keinerlei Kontakt mit dem eingangsseitigen Stromnetz. Der DES wird nur im Fall der Bremsung bestromt und geladen. Der große Speicher des DES erhält seine Energie also nicht durch Ladung aus dem Stromnetz, sondern ausschließlich vom Antriebsmotor als Ergebnis der kinetischen Bremsenergie. Eine der wichtigsten Konsequenzen aus dieser Besonderheit: Der DES verursacht keinerlei Netzrückwirkungen. Seinem Funktionsprinzip entsprechend wirkt der DES als Stabilisator des Zwischenkreises und wird nur dann aktiv, wenn dieser eine bestimmte Spannungshöhe erreicht, die eine Verbindung zum eingangsseitigen Stromnetz ausschließt. Und diese Spannungshöhe wird vom Energiespeicher selbständig ermittelt und dann für die Zeit bis zur Abschaltung der Maschine festgelegt.

Der DES stellt eigenständig fest, wann der Bremsfall eintritt und er Energie aus dem Zwischenkreis herausnehmen muss. Genauso erkennt er, wann die Energie in den Zwischenkreis zurückzupumpen ist. Dies erfolgt dadurch, dass der Brems-Chopper-Anschluss als Signalgeber fungiert: Bei der allerersten Bremsung steigt die Zwischenkreisspannung des Umrichters so hoch, bis der Brems-Chopper schaltet. In diesem Moment misst der DES die Spannungshöhe und legt seinen Arbeitsspannungspegel einige Volt darunter. Alle Energie, die dazu führen würde, dass die Spannung des Zwischenkreises über diesen Pegel steigt, nimmt der DES auf. Umgekehrt pumpt der DES die Energie immer dann in den Zwischenkreis zurück, wenn der Pegel unterschritten wird, der Umrichter also antreibt und normaler Weise elektrische Energie aus dem Netz ziehen würde. Das ist der entscheidende Moment der Energieeinsparung.

Sinkt das Energieniveau im DES-Kondensator durch die Energieabgabe in den Zwischenkreis unter die dynamisch festgelegte Ladungsspannung, beendet der DES seinen Einsatz und wartet auf die nächste Bremsung, mit deren Energie er seinen Kondensator wieder lädt. Ladung, Entladung, Ladung usw. kann in Sekundenbruchteilen passieren, ohne jegliche Netzrückwirkung. Schließlich ist der Umrichter bei beschaltetem DES durch seinen Eingangsgleichrichter grundsätzlich vom Netz getrennt.

Eigenständige Einstellung auf Bremsleistung

Bei erster Bremsung legt der DES zudem die Höhe der Ladungsspannung seines Speicherkondensators fest. Sie ist möglichst niedrig zu halten, denn die Vorladung geht zu Lasten des Speichervolumens. Andererseits ist sie entscheidend dafür, ob der DES die maximale Bremsleistung überhaupt aufnehmen kann; auch das eine wichtige Komponente der Dynamik. So muss sie beim DES bei 3 kW Spitzenbremsleistung mindestens rund 90 V betragen, bei 5 kW 145 V und bei 10 kW gar 290 V. In diesen Fällen stehen bei 90 V Vorladung bei serienmäßiger Ausstattung des Speichers mit über 2.000 Joule über 96%, bei 145 V mit 1900 Joule über 90% und selbst bei 290 V mit rund 1300 Joule noch gut 60% des Speichervolumens zur Verfügung. Diese Zahlen belegen die Bedeutung und Wichtigkeit der Dynamik der Selbsteinstellung des DES.

Sollte das Speichervolumen nicht ausreichen, kommen Erweiterungsmodule zum Einsatz. Die Geräte EM 2.0 und EM 4.0 bieten weiteres Speichervolumen von jeweils rund 2000 Joule bzw. 4000 Joule. Sie lassen sich über Kabel mit verpolungssicheren Steckern einfach mit dem dynamischen Energiespeicher verbinden. Abhängig vom Strom können sehr viele Speichermodule angeschlossen werden, deren Ladung und Entladung ebenfalls keinerlei Netzrückwirkungen verursachen. Den Möglichkeiten der Erweiterung scheinen keine Grenzen gesetzt. Mit den verpolungssicher anschließbaren Erweiterungsmodulen lässt sich die Kapazität des DES vervielfachen. Und sollte der Maximalstrom eines DES nicht reichen, lassen sich mehrere DES parallel anschließen. Die Applikation entscheidet also, der DES passt sich an.

Erwartete und unerwartete Spannungsspitzen

Im Energiespeicher ist zudem ist noch ein kleiner Bremswiderstand eingebaut, der erwartete aber auch unerwartete Spitzen abfangen kann. Die erwartete Energiespitze ist der erste kurze Impuls der ersten Bremsung, die das System als Trigger zur Messung der Brems-Chopper-Einschaltschwelle benötigt. Unerwartete Spitzen können sich bei Veränderung des Einsatzprofils des Antriebssystems ergeben. Sollte der DES die anfallende Bremsenergie nicht komplett aufnehmen können, wird der Überschuss auf den integrierten Bremswiderstand abgeführt. Als Bremswiderstand ist ein PTC-Bremswiderstand eingebaut, der bei dauerhafter Überlastung hochohmig wird, ohne zerstört zu werden. Die Folgen bleiben harmlos, DES und Umrichter werden nicht beschädigt, es erfolgt letztlich nur die Störungsmeldung „Überspannung“ des Umrichters.

In Arbeit sind sinnvolle Kombinationen aus sicheren Bremswiderständen und dem dynamischen Energiespeicher, die kurzzeitige Spitzen abfangen können, dabei kaum Energie abgreifen aber die Vorladespannung des Speichers niedrig und somit das Speichervolumen hoch halten können. Es wird auch beim DES ein Baukastensystem angeboten werden, das für alle Fälle ein Kosten-Nutzen-Optimum bietet. Eine Individualisierung des Energiespeichers selbst ist schon bei kleinen Stückzahlen möglich, sodass in Summe trotz des kleinen Marktsegments eine wirtschaftliche Produktion entsteht.

Einsetzbar ist der DES außerdem bei Einachs- wie auch bei Mehrachssystemen. Sind mehrere Antriebe über einen Zwischenkreis miteinander gekoppelt, arbeitet der DES in gleicher Weise wie bei einem Einachssystem. Immer wenn der Zwischenkreis die Einschaltspannung des DES erreicht, wird die überschüssige Energie in den DES geladen. Wird Energie gebraucht, hält der DES wie beim Einzelantrieb die Zwischenkreisspannung solange stabil, bis er sich auf seine Vorladespannung entladen hat. Auch bei Mehrachssystemen braucht es nichts mehr als die drei Anschlüsse Zwischenkreis Plus und Minus und Brems-Chopper-Ausgang.

Keine Einsparung ohne vorherige Investition

Die Einsparung elektrischer Energie ist der große Vorteil des Gerätes. Dieser ist auch zur Amortisation der höheren Investition notwendig. Bei kurzen Zykluszeiten und Dreischichtbetrieb kann der Amortisationszeitraum aufgrund der möglichen Einsparung von mehreren Tausend kWh pro Jahr aber überschaubar kurz sein. Und bei den zu erwartenden steigenden Energiekosten verbessert sich das Ergebnis laufend zugunsten des DES.

Für eine weitere Anwendung wird es den DES demnächst in der Version DEV geben. Statt in möglichst kurzen Zyklen als Bremswiderstandsersatz zu fungieren, wird er in der Variante DEV (dynamische Energieversorgung) zur Erhaltung kontinuierlicher Prozesse eingesetzt. Der DEV wird dabei kurzzeitige Netzunterbrechungen überbrücken und somit auf andere Weise kostensparend wirken als sein Schwestergerät. Deshalb sind auch Hard- und Software der Geräte nicht komplett deckungsgleich.

Trotz der einfachen Anwendung seines dynamischen Energiespeichers und deutlichen Energieeinsparungen sieht der Hersteller aufgrund seiner Erfahrung mit Bremswiderständen in beiden Einsatzbereichen bislang nur ein kleines Marktsegment, das für große Hersteller nicht lukrativ genug ist. Es wird davon ausgegangen, dass sich der ein oder andere Große der Antriebstechnik der DES-Technik bedienen wird. //KU

* Chris Liebermann ist Techn. Berater für Koch Antriebstechnik

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