Zwischenkreisverbund: Bremsenergie nutzen und Energie sparen

Baumüller legt bereits seit vielen Jahren seinen Fokus verstärkt auf die Entwicklung energieeffizienter Antriebskonzepte. Der effiziente Umgang mit Ressourcen zeigt sich auch bei den b maXX-Servoantrieben, die über einen gemeinsamen Zwischenkreis miteinander verbunden werden können. So kann etwa beim Bremsvorgang die Bewegungsenergie des Systems in elektrische Energie umgewandelt und über den Zwischenkreisverbund auf andere Achsen verteilt werden.

Energie sparen am Zweiwellenzerkleinerer

Bei einem Zweiwellenzerkleinerer lässt sich die rekuperierte Bremsenergie der ersten Schredderwelle für den Antrieb der zweiten Welle nutzen. Dieses Prinzip funktioniert im regulären Betrieb sowie im Reversierbetrieb. Um noch mehr Energie und Kosten zu sparen, kann die eine Schredderwelle zusätzlich beschleunigen, sobald die andere abbremst.

So funktioniert ein Zwischenkreisverbund

Energieeffizienz durch Zwischenspeicherung

Beim Abbremsen eines Motors wird Energie in den Zwischenkreis des Umrichters zurückgespeist. Durch den Zwischenkreisverbund wird die generatorische Energie des abbremsenden Motors somit als motorische für einen anderen Servoantrieb weitergereicht. Dadurch wird insgesamt weniger Energie aus dem Versorgungsnetz benötigt.

Zwischenspeicher spart Bremswiderstände

Um den Servoantrieb vor Überspannung zu schützen, wird die überschüssige Energie über einen Bremswiderstand in Wärme umgesetzt. Die Energie wird dabei „verbrannt“. Durch einen Zwischenkreisverbund kann die überschüssige Energie zwischen zwei oder mehreren b maXX-Servoantrieben verteilt werden. Bremswiderstände können dadurch kleiner ausgelegt werden oder komplett entfallen. Dies spart Platz und senkt die Kosten für Schaltschrank und Energie.

Energiepuffer für ein geregeltes Herunterfahren der Anlage

Der Zwischenkreisverbund punktet auch bei Störungen. So kann die gespeicherte Energie im Falle eines Netzausfalls oder einer Störung genutzt werden, um die Anlage geregelt herunterzufahren. Die Antriebsachsen können somit, in Abhängigkeit der vorhandenen Restenergie und des Energiebedarfs, in eine definierte Position bewegt werden. Damit können Beschädigungen vermieden und ein Wiederanlaufen der Maschine deutlich beschleunigt werden. Diese Funktion ist direkt im Antrieb integriert und kann im Fehlerfall sofort diese Reaktion ausführen, um z.B. Schäden an der Mechanik zu vermeiden.
Neben der Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit, kann der Energiepuffer zudem eine unabhängige Spannungsversorgung unnötig machen.

Wie können Servoantriebe an einen Zwischenkreisverbund angeschlossen werden?

Die Umsetzung eines Zwischenkreisverbundes ist denkbar einfach. Da die Monoeinheiten der Baureihen b maXX 5500 und b maXX 6500 standardmäßig mit integrierten Zwischenkreiskapazitäten (Kondensatoren) ausgestattet sind, müssen beispielsweise die beiden Geräte für zwei Antriebe, lediglich im Schaltschrank mit zwei Kabeln verbunden werden.

Welche Vorteile hat ein Zwischenkreisverbund?

• Energieaustausch zwischen Antrieben: In einem Zwischenkreisverbund können Antriebe, die bremsen, Energie zurück in den Zwischenkreis einspeisen. Diese Bremsenergie kann von anderen Antrieben, die gerade beschleunigen, genutzt werden. Dadurch wird die Effizienz des Gesamtsystems erheblich verbessert, da weniger Energie aus dem Netz zugeführt und weniger Energie in Form von Wärme verschwendet wird.
• Reduzierung des Energiebedarfs: Durch die Wiederverwendung von Bremsenergie kann der externe Energiebedarf verringert werden. Dies führt zu geringeren Betriebskosten und einer besseren Energiebilanz.
• Kosteneinsparung bei der Hardware: Da Bremswiderstände kleiner ausgelegt werden oder komplett entfallen, können Schaltschränke kleiner ausgelegt werden. Dies senkt die Kosten für die notwendige Hardware.
• Höhere Anlagenverfügbarkeit: Dank Energiepuffer kann die Maschine im Fall einer Störung häufig geregelt heruntergefahren werden und ist dadurch wieder schneller einsatzbereit.
• Geringere Netzbelastung: Der Energieaustausch über den Zwischenkreis entlastet das Versorgungsnetz.
• Reduzierung von Energie & Kosten sowie CO₂-Footprint.

Energiesparen auch über den Schredder hinaus

Der Zweiwellenzerkleinerer zeigt das Prinzip besonders anschaulich, beschränkt ist es darauf aber nicht. Überall, wo mehrere Servoachsen zeitversetzt bremsen und beschleunigen, lohnt sich ein Zwischenkreisverbund, etwa in Spindelpressen, Kunststoffmaschinen oder Verpackungsanlagen. Wie Baumüller das komplette Antriebssystem für Zerkleinerer aufbaut, zeigt die Seite zur vollelektrischen High-Torque-Antriebslösung für Schredder. Die technischen Grundlagen dazu vertieft der Grundlagenartikel zum Zwischenkreis.

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Häufige Fragen zum Zwischenkreisverbund

• Was ist ein Zwischenkreisverbund?

  Ein Zwischenkreisverbund koppelt die Zwischenkreise mehrerer Servoumrichter zu einem gemeinsamen Netz. Bremst eine Achse, speist ihr Motor die Bremsenergie in diesen gemeinsamen Zwischenkreis, aus dem eine andere, beschleunigende Achse sie sofort nutzt. Die Energie wird also wiederverwendet statt im Bremswiderstand in Wärme umgewandelt, das senkt den Netzbezug.

• Für welche Maschinen lohnt sich ein Zwischenkreisverbund?

  Ein Zwischenkreisverbund lohnt sich für jede Maschine, deren Servoachsen zeitversetzt bremsen und beschleunigen, denn nur dann kann die Bremsenergie der einen Achse die andere speisen. Typische Anwendungen für einen Zwischenkreisverbund sind Zweiwellenzerkleinerer, Spindelpressen, Kunststoff- und Verpackungsmaschinen.

• Kann ich mit einem Zwischenkreisverbund Bremswiderstände einsparen?

  Ja, es können Bremswiderstände eingespart werden. Da die Bremsenergie zwischen den Achsen verteilt wird, muss weniger Energie über den Bremswiderstand abgeführt werden. Der Bremswiderstand kann kleiner dimensioniert werden oder ganz entfallen, das spart Schaltschrankplatz und Kosten. Der Bremschopper bleibt als Ansteuerung im Gerät, der externe Ballastwiderstand wird nur bei Bedarf bestückt.

• Hilft ein Zwischenkreisverbund bei Lastspitzen und Netzausfall?

  Ein Zwischenkreisverbund wirkt in zwei Situationen. Er senkt Lastspitzen, weil ein Teil der Beschleunigungsenergie aus zurückgewonnener Bremsenergie kommt statt aus dem Netz. Und die im Zwischenkreis gespeicherte Energie dient als Puffer: Bei Netzausfall fahren die Achsen geregelt in eine definierte Position, abhängig von der Restenergie. Das schützt die Mechanik und kann eine separate unabhängige Spannungsversorgung überflüssig machen.

• Wie werden die Servoumrichter an einen Zwischenkreisverbund angeschlossen?

  Der Anschluss an einen Zwischenkreisverbund ist einfach: Bei Monoeinheiten mit integrierten Zwischenkreiskapazitäten, etwa b maXX 5500 und 6500, genügt es, zwei Geräte im Schaltschrank mit zwei Kabeln zu verbinden. Für größere oder gemischte Aufbauten übernimmt das die Anreihtechnik über das Drive Connect System, und ein Zwischenkreis-Koppelmodul verbindet kabelgeführte Geräte normgerecht mit Geräten an einer gemeinsamen Kupferschiene.

• Brauche ich ein separates Einspeise- oder Rückspeisemodul?

  Ein separates Modul ist nicht zwingend erforderlich. In einem Zwischenkreisverbund wird die Rückspeisung ins Netz minimiert oder vermieden, sodass keine zusätzliche Rückspeiseeinheit nötig ist. Ein leistungsstarkes Monogerät kann zugleich als Einspeiseeinheit für den Achsverbund dienen, eine separate Einspeisung entfällt dann. Wo Bremsenergie dauerhaft überschüssig ist und ins Netz zurückgeführt werden soll, bietet Baumüller mit der Baureihe b maXX 5100 rückspeisefähige Ein- und Rückspeiseeinheiten mit sinusförmiger Netzrückspeisung in einem Leistungsbereich von 36 bis 200 kW Zwischenkreisleistung.

• Wie wird der Zwischenkreis vor Überspannung geschützt?

  Überschüssige Bremsenergie treibt die Zwischenkreisspannung nach oben. Klassisch wird die Energie über einen Bremswiderstand in Wärme umgesetzt, um den Antrieb vor Überspannung zu schützen. In einem Zwischenkreisverbund wird diese Energie stattdessen an andere Antriebe weitergereicht oder über eine rückspeisefähige Einspeisung ins Netz zurückgeführt. Das stabilisiert den Zwischenkreis und entlastet den Bremswiderstand.

• Wie wird der Zwischenkreis abgesichert und ausgelegt?

  Beim Zwischenkreisverbund ersetzt eine optional integrierte Zwischenkreis-Sicherung die externe Absicherung. Die Ladeschaltung im Servoumrichter lässt sich als Thyristor-Einspeisung oder Widerstandsladung ausführen. Bei der thyristorgesteuerten Einspeisung kann je nach Anwendung auf die Netzdrossel verzichtet werden. Die konkrete Dimensionierung, also Sicherungswerte sowie Vorlade- und Absicherungsauslegung, ist geräte- und anlagenspezifisch und wird über das Projektierungshandbuch festgelegt.

• Lässt sich ein Zwischenkreisverbund nachrüsten oder mit älteren Baureihen kombinieren?

  Ein Zwischenkreisverbund lässt sich einfach nachrüsten: Geräte mit integrierten Zwischenkreiskapazitäten werden im Schaltschrank verbunden. Der Generationswechsel ist unkritisch, die Firmware der b maXX 6000-Reihe ist voll kompatibel zur Vorgängerfamilie b maXX 5000. Eine Umstellung ist ohne neue Programmierung oder Parametrierung möglich. Ob sich konkrete ältere Servoregler koppeln lassen und wie Ausgleichsströme und Absicherung dabei auszulegen sind, prüft Baumüller im Einzelfall.

• Rechnet sich ein Zwischenkreisverbund?

  Ein Zwischenkreisverbund rechnet sich über drei Effekte: geringerer Energiebezug aus dem Netz, kleinere oder entfallende Bremswiderstände samt kleinerem Schaltschrank und eine geringere Netzbelastung. Wie hoch die Einsparung ausfällt, hängt vom Lastprofil der Maschine ab, also davon, wie oft und wie stark die Achsen zeitversetzt bremsen und beschleunigen. Ein konkretes Einsparpotenzial rechnet Baumüller anhand des jeweiligen Anwendungsfalls.