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Grundlagen: Der Zwischenkreis

Matthias Beetz, Baumüller Nürnberg GmbH

Lesedauer ca. min.

Zwischenkreis

Der Zwischenkreis ist ein zwischen mehrere Netze geschaltetes Element, das diese sowohl koppeln, als auch als Zwischenspeicher für elektrische Energie fungieren kann. In der Praxis wird er z. B. verwendet, um Frequenzen verschiedener Netze zu synchronisieren. In der Industrie ist die Anwendung in elektrischen Antrieben mit weiteren Vorteilen verbunden, weil damit Energie gespart werden kann. Da der Zwischenkreis als Energiespeicher fungieren kann, kann er auch generatorisch betrieben werden, um beispielsweise Bremsenergie zu speichern und anderweitig nutzbar zu machen. Außerdem können damit Leistungsspitzen abgedämpft werden.

Folgender Glossar-Artikel beinhaltet:

Definition – Was ist ein Zwischenkreis?

Der Zwischenkreis bezeichnet ein elektrisches Modul, in dem Energie zwischengespeichert werden kann. Das kann mehrere Zwecke erfüllen: Einerseits lassen sich darüber mehrere elektrische Netze koppeln, indem jeweils ein- und ausgehende Umrichtereinheiten (von Servo- und Frequenzreglern) um den Zwischenkreis platziert werden und dieser quasi als adaptive Zwischenebene fungiert. Andererseits kann dort aber auch Energie zwischengespeichert und auf Abruf zur Verfügung gestellt werden. Diese kann direkt im Prozess entstehen. Ein Beispiel ist der Servomotor: Hier kann die in Bremsvorgängen entstehende Energie in einer entsprechenden Kapazitätseinheit zwischengespeichert werden, um sie anschließend in Beschleunigungsvorgängen wieder freizusetzen.

Zusammenhängende Begrifflichkeiten

  • Zwischenkreisspannung: Das ist die im Zwischenkreis vorherrschende Spannung. Sie schwankt durch den stetigen Energieein- und ausgang und wird über die anliegenden Umrichter jeweils angepasst.
  • Zwischenkreiskondensator: Hierbei handelt es sich um den eigentlichen Energiespeicher.
  • Vorladeschaltung: Im Zwischenkreis besteht diese aus elektrischen Widerständen. Sie werden bei vollständiger Ladung der Zwischenkreiskondensatoren überbrückt.  

Praxisbeispiele im Industriebereich

In der Industrie kann beim Einsatz elektrischer Antriebe, wie beispielsweise Servomotoren, durch Zwischenkreise die Kosteneffizienz verbessert werden. Hier folgen im Regelfall kurzintervallige Brems- und Beschleunigungsprozesse schnell aufeinander. Die Bremsenergie kann aufgenommen und in neue Beschleunigung eingespeist werden. Das Gesamtsystem wird dadurch energieeffizienter und damit kostengünstiger. Je nach Bauweisen ergeben sich auch zahlreiche weitere Vorteile.

Potenzial zur Einsparung von Kosten am Anwendungsbeispiel

Zwischenkreis-Kapazitätseinheit für b maXX 5000-Serie

Um die konkreten Vorteile im Betrieb zu verdeutlichen, soll hier eine konkrete Zwischenkreis-Einheit dargestellt werden. Die Baumüller Zwischenkreis-Kapazitätseinheit für die Servoregler der b maXX 5000-Serie sorgen für eine Zwischenspeicherung der Bremsenergie, die im Betrieb des Servomotors aufgewendet werden muss. Anschließend kann diese wieder für neue Beschleunigungsvorgänge freigesetzt werden. Das senkt den Energieverbrauch im Gesamtprozess und spart damit ganz konkret Kosten. Dazu kommen weitere Vorteile, wie beispielsweise:

  • Nivellierung der Spitzenlast: Das hat einen erheblichen Kostenvorteil. Der Grund sind die mit dem Energieversorger in der Regel geschlossenen Rahmenverträge. Diese werden durch hohe Verbrauchsspitzen verteuert. Durch die Verwendung von Zwischenkreisen, kann Energie zum Abfedern der Spitzenlasten vorgehalten werden. Im Verhältnis mit dem entsprechenden Stromversorger werden dadurch Kosten gesenkt.
  • Geringere thermische Abstrahlung: Auch durch erhöhte Raumerfordernisse entstehen Kosten. Durch die gesenkte Hitzeentwicklung, können Kühleinheiten kleiner dimensioniert werden und es wird Platz gespart.
  • Weitere Raumersparnis: Auch der Schaltschrank und die Einspeiseeinheit können kleiner konzipiert werden, was zusätzlich Raum freigibt. 

Außerdem ermöglicht die im Zwischenkreis gespeicherte Energie ein geregeltes Herunterfahren der Anlage bei Störungen wie z. B. Stromausfällen. Hierdurch wird keine unabhängige Spannungsversorgung (USV) mehr benötigt, die im Notfall Schäden durch plötzliche Ausfälle vermeidet. Das bedeutet, dass in der Gesamtschau auch an dieser Stelle nochmal Kosten eingespart werden können.

Zusammenfassung

Die Nutzung eines Zwischenkreises im Rahmen elektrischer Antriebe birgt ein gewaltiges Sparpotenzial. Zum einen steigt die Energieeffizienz, weil ohnehin z. B. in Bremsvorgängen anfallende Energie generatorisch verwendet und zwischengespeichert werden kann, um anschließend wieder zur Beschleunigung freigegeben zu werden. Außerdem wird durch weniger Platzbedarf für Schaltschrank, Einspeiseeinheit und Kühlgerät effektiv Raum eingespart. Zusätzlich kann durch die zwischengespeicherte Energie im Notfall ein geregeltes Herunterfahren der Anlage gewährleistet werden, um Schäden zu verhindern. Eine zusätzliche unabhängige Spannungsversorgung für Stromausfälle kann zudem auch entfallen.

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Matthias Beetz
Training Engineer Academy I Baumüller Nürnberg GmbH

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