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Energieaustausch in Antriebssystemen Effiziente Mehrachssysteme

14.09.2018

Der Energieaustausch in Antriebssystemen gewinnt an Bedeutung, um Bremsenergie wiederzuverwenden. Mit Mehrachs-Gleichstromverbünden können auch die Anschlussleistung reduziert sowie Netzausfälle überbrückt werden. Voraussetzung ist ein modularer Systemaufbau.

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Aktuelle Mehrachsverbünde bieten nur begrenze Variationsmöglichkeiten. Sowohl der Leistungsbereich als auch die maximale Kapazität im Gleichspannungszwischenkreis sind begrenzt. Nicht alle neuen Wünsche der Anwender können erfüllt werden, da einzelne Schlüsselkomponenten fehlen oder sich nicht in das Antriebssystem einbinden lassen. Anhand eines Lastzyklus einer Maschine wird der Leistungs- und Energiebedarf systematisch analysiert und mögliche Systemoptimierungen diskutiert.

Anforderungen an Mehrachs-Antriebssysteme

Bei der Auslegung von Mehrachs-Antriebssystemen für Produktionsmaschinen ergeben sich vielfältige Anforderungen. Kennzeichnend für die eingesetzten Servoantriebe ist dabei ein großes Verhältnis von Spitzen- zu Bemessungsstrom. Die Leistungsaufnahme jeder Achse ist in der Regel sehr unstetig, wodurch die gesamte Leistungsaufnahme des Mehrachssystems ebenfalls unstetig ist. Da sich die Achsen in ihrer Leistungsaufnahme meist abwechseln, ist die erforderliche mittlere Leistung viel geringer als die Summe der Nennleistung der Einzelachsen.

Bei Mehrachssystemen steht die Systembetrachtung im Mittelpunkt. Für eine optimale Auslegung müssen die Leistungsflüsse des Systems bekannt sein. Dies ist in der Praxis oft nicht der Fall, oder sie werden nicht in geeigneter Weise ausgewertet. Durch eine Analyse der Leistungs- und Energieflüsse im System wird eine maßgeschneiderte Auslegung entwickelt. Durch Systemoptimierungen wie die Erhöhung der Speicherkapazität oder den Einsatz einer rückspeisefähigen Versorgungseinheit können zusätzlich weitere Anforderungen erfüllt werden: die Reduktion der Anschlussleistung, die vollständige Wiederverwendung der Bremsenergie und eine Netzausfallstützung.

Leistungs- und Energieanalyse

Anhand eines beispielhaften Lastzyklus einer Biegemaschine wird der Leistungs- und Energiebedarf analysiert. Die gesamte Leistungsaufnahme aller Antriebe in einem 20-Sekunden-Zyklus wird mit der Bemessungsleistung eines Netzanschlusses mit 22 kW verglichen. Die mittlere Leistungsaufnahme beträgt 9 kW, die Spitzenleistung bis zu 57 kW. Interessant sind die Zeitabschnitte, in denen Bremsleistung auftritt und die Antriebsleistung negativ ist.

Die relevante Bremsenergie wird dabei durch Integration der Leistung < 0 bestimmt. Sie muss lediglich für kurze Zeit gespeichert werden, da die Antriebe die Energie in kurzer Zeit wiederverwenden können. Eben diese Energiemenge ist für die Auslegung der Systemkapazität interessant, sie beträgt in angeführtem Beispiel -1,4 kJ. Die Anwendung wird mit dem Mehrachs-Antriebssystem ServoOne CM von LTI Motion realisiert, zum Einsatz kommen im Zuge dessen Servoachsen mit bis zu 45 A Nennstrom.

Wenn die Anschlussleistung der Maschine reduziert werden soll, werden zusätzlich die Leistungsspitzen betrachtet, in denen die Antriebsleistung größer als die Bemessungsleistung der Versorgungseinheit ist. Die für eine vollständige Vermeidung der Leistungsspitzen notwendige Energiemenge wird ebenfalls durch Integration bestimmt, sie beträgt in diesem Beispiel 2,6 kJ. Für eine Systemoptimierung kommen mehrere Ansätze in Betracht.

Passive Einspeisung und Kapazitätserhöhung

Im einfachsten Systemaufbau versorgt eine passive Einspeisung das Antriebssystem. Da die Einspeiseleistung nicht geregelt werden kann, ergibt sie sich aus der Antriebsleistung und der vorhandenen Zwischenkreiskapazität und ist ähnlich dynamisch. Im Beispielzyklus der Biegemaschine ergibt sich eine Spitzenleistung von 60 kW. Da die Bremsleistung nicht ins Netz gespeist werden kann, steht nur die Speicherkapazität des Zwischenkreises zur Verfügung; ansonsten wird sie an einem Bremswiderstand in Wärme umgewandelt.

Bringen die Komponenten des Antriebssystems nicht genug Kapazität mit, um die Bremsenergie aufzunehmen, wird die Kapazität des Antriebssystems durch passive Kondensatormodule erhöht. Die Auslegung erfolgt mithilfe der ermittelten Energiemenge und dem Spannungsverlauf. Im Beispiel der Biegemaschine sind bereits 12 mF ausreichend. Die maximal zulässige Systemkapazität ist begrenzt. Im ServoOne-System sind je nach Ausbaustufe bis zu 40 mF möglich. Auf die maximale Netzleistung hat diese Kapazitätserhöhung keinen Einfluss, da die Einspeisung ungeregelt ist.

Aktive Einspeisung und Energiespeicher

Durch den Einsatz einer aktiven Einspeisung mit netzseitigem Wechselrichter ergeben sich zahlreiche Vorteile. Die aktive Einspeisung wird mit sinusförmigen Netzströmen betrieben, wodurch die Blindleistungsaufnahme minimiert wird. Durch eine optimierte Regelung in Verbindung mit der Systemkapazität wird die Spitzenleistung aus dem Netz von 270 auf 170 Prozent reduziert. Die Bremsenergie wird zum Großteil im Zwischenkreis gepuffert, ein kleiner Teil wird ins Netz gespeist. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die geregelte Spannung weltweit zueinander identische Systeme eingesetzt werden können.

Als Systemergänzung ist ein aktiver Energiespeicher möglich. Er besteht aus einem Speichermanager, der einen Gleichstromsteller beinhaltet, und einem Speichermodul. Dieses Speichermodul ist der eigentliche Energiespeicher. Je nach Energiemenge und Zeitbereich wird die passende Technologie ausgewählt. Meist bieten Supercaps die beste Kombination aus Energiedichte, Zuverlässigkeit und Wartungsbedarf. Durch eine abgestimmte Regelung in Einspeisung und Speichermanager wird die maximale Einspeiseleistung reduziert und die Bremsenergie gepuffert. Der Gleichstromsteller nutzt die Speicherkapazität dabei optimal aus.

Die Auslegung des Speichermanagers erfolgt nach Leistungsbedarf, das Speichermodul wird nach Energiebedarf ausgewählt. Durch diese Entkopplung ist der Energiespeicher mit einem großen Speichermodul auch als Netzausfallstützung zu verwenden, um bei einem Netzausfall einen Lastzyklus beenden zu können. Der Energiespeicher wird dabei geregelt entladen.

Mehrachssystem ServoOne CM

Um den Anforderungen an ein modulares Mehrachssystem Rechnung zu tragen, ist das Antriebssystem ServoOne CM erweitert worden. Es stehen Versorgungseinheiten von 10 bis 100 kW sowie Achsregler von 1,5 bis 210 A zur Verfügung. Insbesondere durch die Zwei- oder Dreiachsregler sowie durch die Erhöhung des Integrationsgrades ist es deutlich kompakter als vergleichbare Lösungen. Der hohe Integrationsgrad der Elektronik reduziert nicht nur den Platzbedarf, sondern auch den Materialaufwand und damit die Kosten. Die oben beschriebenen Systemvarianten sind gefragt, um die Energie sinnvoll zu nutzen, den Wirkungsgrad zu optimieren und die Produktivität zu erhöhen. Daher bietet der ServoOne CM in seinem System ergänzende Komponenten wie Speichermodule sowie Speichermanager und aktive Versorgungseinheiten.

Für die optimale Systemauslegung mit Energieaustausch in Antriebssystemen müssen Leistungsflüsse und Energien analysiert werden. Durch den modularen Systemaufbau wird auf die individuellen Anforderungen eingegangen. Mit der Auswahl von passiver oder aktiver Netzeinspeisung sowie passiver oder aktiver Speicherlösung wird das System optimiert. Bei immer größer werdenden Gleichstromverbünden ist ein Energieaustausch auch innerhalb Maschinen- oder Anlagenteilen möglich, mit gleichzeitiger Erhöhung der Speicherkapazität.

Diese Gleichstromverbünde hin zu einem offenen DC-Netz zu entwickeln, ist Thema des vom BMWi geförderten Verbundprojekts DC-Industrie. In diesem untersucht LTI Motion mit den Projektpartnern Lösungswege für den herstellerübergreifenden Energieaustausch.

Bildergalerie

  • Das kompakte ServoOne CM Mehrachs-Antriebssystem mit 75 kW Einspeiseleistung sowie 16 Servoachsen zwischen 6 und 45 A auf 88 cm Schaltschrankbreite.

    Bild: LTI Motion

  • Leistung- und Energieanalyse des Lastzyklus einer Biegemaschine (links) und Systemvarianten (rechts). Durch Erhöhung der Systemkapazität wird die gesamte Bremsenergie wiederverwendet. Die aktive Einspeisung reduziert die Spitzenwerte der Einspeiseleistung.

    Bild: LTI Motion

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