Dynamische Energieversorgung So bleiben Netzausfälle ohne Folgen für die Fertigung

Störungen im Energienetz sind für Fertigungsbetriebe oft folgenreich, denn die Maschinen fallen in einen unkontrollierten Zustand. Mit den Systemen DES, DEV und DEK lassen sich Risiken ausschließen.

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Versorgungssicherheit und günstige Preise für elektrische Energie, eine der wichtigsten Säulen unserer Wirtschaft, sind Voraussetzung für die Industrie. Beides steht aktuell unter hohem Risiko, und so sind Energieeffizienz auf der einen Seite sowie der Schutz vor Spannungsschwankungen oder gar -unterbrechungen auf der anderen nicht nur im Steuerungsbereich,sondern auch auf der Antriebsebene ein wichtiges Thema. Durch eine neuerliche Erweiterung der DES-Serie sind die dynamischen Energiespeicher DES nun komplett. Mit ihnen können der Energiehaushalt von Umrichtern und Servoreglern optimiert und bestehende Risiken minimiert werden.

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Im Dauerbetrieb setzt ein Umrichter den Netzstrom kontinuierlich so um, dass der angeschlossene Motor in der passenden Richtung und Geschwindigkeit rotiert. Fällt die Spannung ab oder wird sie gar unterbrochen, trudelt der Motor aus. Benötigt die Anwendung einen Wechselbetrieb, also Geschwindigkeits- und/oder Drehrichtungsänderungen, kommt Bremsenergie mit ins Spiel, d.h. der Motor wird kurzzeitig zum Generator mit dem Effekt, dass die Spannung im System steigt und die Energie abgeführt werden muss. Dies geschieht über einen Bremswiderstand oder über eine Netzrückspeisung mit unklaren Folgen für die Netzqualität. Mit den Produkten DES (Dynamischer Energiespeicher), DEV (Dynamische Energieversorgung) und einer neu entwickelten Kombination der beiden, DEK bezeichnet, werden die Risiken vermieden.

Ein cleverer Energiespeicher für den Antrieb

Die Entwicklungsvorgaben für den Energiespeicher DES waren: in der Handhabung so einfach wie ein Bremswiderstand und in der Effizienz vergleichbar mit einer Netzrückspeiseeinheit. In seiner Standardausführung besitzt das aktive Puffermodul eine Speicherkapazität von rund 1,6 Kilojoule und eignet sich damit für viele Anwendungen in der elektrischen Antriebstechnik.

Ausgelegt für Umrichter mit Zwischenkreisspannungen bis 800 VDC (was dem gängigen Netzanschluss von 400 VAC entspricht), die über einen direkten Zwischenkreisanschluss verfügen, ist das Speichermodul mit jedem gängigen Umrichtertyp einsetzbar. Dabei gilt: Auspacken, mit drei Litzen anschließen und Energie sparen – mehr Arbeitsschritte sind für den Nutzer nicht erforderlich. Der Speicher regelt sich von Beginn an selbständig. Referenzgeber für die Energieaufnahme und Energieabgabe ist der Bremschopper-Ausgang des Umrichters. Der DES ermittelt darüber die relevanten Spannungsebenen im Gleichstromzwischenkreis des Umrichters und stellt seine Arbeitsparameter darauf ein.

Bremst der Antrieb, steigt die Zwischenkreisspannung. Übersteigt sie den bei der ersten Bremsung ermittelten Grenzwert, nimmt der DES die Energie auf. Die Energie wird hier solange gespeichert, bis die Spannung den unteren Schwellenwert erreicht. Dann wird die gespeicherte Energie wieder in den Zwischenkreis zurückgegeben, noch bevor Energie aus dem Netz geholt wird. Dies ist der entscheidende Moment der Energieeinsparung. Der Speicher des DES entlädt sich bis auf den zuvor automatisch festgelegten Mindestpegel und wartet auf die nächste Bremsung. Die Flexibilität in Bezug auf seine Einsatzfähigkeit und seine Selbständigkeit verleihen dem Gerät das Attribut „dynamisch“.

Das Netz schonen und die Anlage schützen

Das Speichermodul arbeitet als Stabilisator des Zwischenkreises und hat keinerlei Kontakt mit dem eingangsseitigen Stromnetz. Die Energie zur Ladung des Kondensators erhält das Gerät ausschließlich aus der elektrischen Bremsenergie vom Antriebsmotor und nicht aus dem Stromnetz. Netzrückwirkungen und damit verbundene mögliche Netzirritationen sind sowohl während der Ladephase des dynamischen Energiespeichers als auch während der Rückspeisung in den Gleichstromzwischenkreis ausgeschlossen.

Die stabilisierende Funktion führt auch dazu, dass bei kurzen Zykluszeiten und energiereichen Bremsungen wie bei großen Handhabungsrobotern die Kapazität im Zwischenkreis des Drive Controllers geschont wird. Denn durch den DES fallen die Spannungshübe bei weitem nicht mehr so häufig und hoch aus, sodass die Kondensatoren weniger belastet, also geringer erwärmt werden. Dies führt ganz konkret dazu, dass die Lebensdauer der Kapazitäten und damit des Drive Controllers deutlich verlängert wird.

Ein kleiner PTC-Bremswiderstand auf der Rückseite des Gerätes hilft, erwartete aber auch unerwartete Spitzen abzufangen. PTC steht für Positive Temperature Coeffizient (Kaltleiter). Bei Kaltleitern steigt der Widerstandswert ab einer bestimmten Temperatur bis hin zur Hochohmigkeit. Durch diese Hochohmigkeit versiegt der Stromfluss und das Bauteil bleibt unversehrt. Das Bauteil schützt sich im Fall des DES aber nicht nur selbst, sondern auch das Gerät sowie im Extrem die gesamte Anlage, an der das Speichermodul installiert ist. Das bedeutet: Ein Bauteil – drei Schutzfunktionen. Wesentlich ist jedoch, dass dadurch Auslegungsfehler verzeihbar gemacht werden.

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