Effizienter und leistungsstärker mit Zwischenkreisverbund
Ein mächtiger Hebel zur Steigerung der Energieeffizienz von elektrischen Maschinen ist die intelligente Nutzung von Bremsenergie. Baumüller verbindet seine b maXX-Servoantriebe über einen gemeinsamen Zwischenkreis. Dadurch macht der Antriebsexperte Bremsenergie nutzbar, Systeme kostengünstiger und kann damit sogar die Leistung der elektrischen Antriebe steigern.
Was ist ein Zwischenkreisverbund?
Ein Zwischenkreis verteilt Energie innerhalb eines einzelnen Umrichters. Von einem Zwischenkreisverbund spricht man, wenn sich mehrere Antriebe einen Zwischenkreis teilen. Der Zwischenkreisverbund kann auch als Zwischenspeicher für elektrische Energie fungieren. Er kann elektrische Energie bereitstellen, puffern oder zwischen mehreren Antrieben austauschen. Damit kann der DC-Verbund Bremsenergie speichern und anderweitig nutzbar machen, zum Beispiel um Leistungsspitzen abzudämpfen.
Ein Zwischenkreisverbund ist der Zusammenschluss mehrerer Antriebe in einem gemeinsamen Zwischenkreis.
Wann macht ein Zwischenkreisverbund Sinn?
Besonders energieintensive Anwendungen mit mehreren Antrieben oder Maschinen mit hohen Leistungsspitzen profitieren von einem Zwischenkreisverbund. Außerdem Maschinen, bei denen viel Bremsenergie anfällt.
Mit dem Zwischenkreisverbund können verschiedene Herausforderungen gemeistert werden:
- Hoher Energieverbrauch
- Kostendruck
- Hohe Leistungsanforderung
Welche Vorteile haben Systeme mit Zwischenkreisverbund?
Reduzierter Energiebedarf
Ein zentraler Vorteil des Zwischenkreisverbundes ist die intelligentere Nutzung von Energie durch die Speicherung und Rekuperation von Bremsenergie.
So funktioniert Rekuperation: Im normalen Betrieb treibt Strom den elektrischen Motor an. Bei der Rekuperation wird dieses Prinzip umgedreht: Bremst ein Motor ab, so erzeugt die Trägheit des Systems kinetische Energie. Der Motor funktioniert nun generatorisch, das heißt das Magnetfeld im Motor induziert in den Spulen Strom. Aus der mechanischen Bewegung wird damit elektrische Energie. Diese Energie kann im Zwischenkreisverbund gespeichert und auf andere Achsen verteilt oder ins Netz zurückgespeist werden. Ohne Zwischenkreis geht diese Energie in Form von Wärme verloren.
Geringere Netzbelastung
Durch den Energieaustausch im System wird die Netzbelastung verringert und die Netzqualität verbessert.
Ohne Zwischenkreisverbund zieht jede Achse einzeln den benötigten Strom aus dem Netz. Beschleunigen mehrere Antriebe gleichzeitig, kommt es zu Lastspitzen. Bei rückspeisefähigen Systemen sind auch die Rückwirkungen auf das Netz oft stark schwankend. Mit Zwischenkreisverbund wird die Energie im System verteilt. Dadurch kommt es zu einer stabileren Netzbelastung, das heißt, kurzzeitige Schwankungen und Peaks werden nicht direkt ans Netz weitergegeben, sondern vom Zwischenkreis gepuffert. Das führt auch zu geringeren Anschlussleistungen und damit niedrigeren Life-Cycle-Costs beim Betreiber.
Kosteneinsparungen
Systeme mit Zwischenkreisverbund ermöglichen niedrigere Initialkosten.
Im Zwischenkreisverbund teilen sich mehrere Achsen ein Einspeisemodul, so kann Hardware gespart werden. Es geht weniger Energie in Form von Wärme verloren, so dass die Kühlgeräte kleiner ausfallen können. Außerdem sind die Schaltschränke kleiner und es muss keine unabhängige Spannungsversorgung eingerichtet werden, da im Störfall die zwischengespeicherte Energie für ein geregeltes Herunterfahren zur Verfügung steht. Rekuperationsenergie kann im Zwischenkreisverbund von anderen Achsen genutzt werden, es wird also weniger Energie ins Netz zurückgespeist, so dass auf Rückspeiseeinheiten verzichtet werden kann.
Höhere Leistung
Durch den Zwischenkreisverbund mit Netzwechselrichter kann der Motor in einem größeren Drehzahlbereich betrieben werden.
Netzwechselrichter entkoppeln die Maschine vom Versorgungsnetz und erhöhen die Spannung von 540 V auf 760 V. Die höhere Spannung erweitert den Drehzahlbereich des Motors und steigert die verfügbare Leistung. Dadurch lassen sich Prozesse beschleunigen oder Antriebe kleiner auslegen. Das senkt die Investitionskosten und steigert die Performance.
Die verschiedenen Antriebsarchitekturen mit Zwischenkreisverbund
Systeme mit Zwischenkreisverbund können mit unterschiedlichen Hardwarekomponenten umgesetzt werden. Jede Topologie erfüllt andere spezifische Anforderungen und bringt eigene Vorteile mit sich.
Anreihtechnik
Eine Einspeisung teilt sich mit mehreren Achsen einen Zwischenkreis. Die Geräte sind mit dem Drive-Connect-System verbunden, eine extra Verdrahtung ist nicht nötig.
Die Geräte: Einspeiseeinheiten b maXX 5000, Achsmodule b maXX 5300, Achsmodule b maXX 6300
Genau richtig, wenn: kleine bis mittlere Antriebe und mehr als drei Achsen zum Einsatz kommen und nur wenig Bremsenergie anfällt.
Das machen wir, weil: diese Antriebstopologie kompakt und besonders energieeffizient ist und geringeren Verdrahtungsaufwand bereitet als die Umsetzung mit Standalone-Geräten.
Anwendungsbeispiel
Hochleistungs-Schiffchenstickmaschine MVD75 der Firma Lässer AG:
Präzision, Dynamik und Zuverlässigkeit standen bei der Stickmaschine der Lässer AG im Vordergrund. Mit über 700 Stichen in der Minute veredelt die MVD75 24/7 Textilien aller Art.
Die hochdynamischen Servomotoren der Baureihe DSD2 von Baumüller erfüllen die hohen Anforderungen an Beschleunigungsvermögen und Start-Stopp-Qualitäten und weisen ein exzellentes Drehmoment-Massenträgheitsverhältnis auf. Dies sorgt für höchste Dynamik, also schnelles und präzises Fertigen von Stickereien. Die DSD2-Antriebe sind hochgenau synchronisiert und ermöglichen im Zusammenspiel mit den anreihbaren b maXX Servoreglern von Baumüller eine hohe Positions- und Geschwindigkeitsgenauigkeit für maximale Qualität. Die Achsen sind mit der Einspeiseeinheit im Zwischenkreis verbunden und arbeiten so besonders energieeffizient. Die zusätzliche Zwischenkreis-Kapazitätseinheit speichert Energie beim Bremsvorgang der Servomotoren zwischen. Diese nutzt die Stickmaschine für die erneute Beschleunigung und spart somit Energie ein. Die Servoregler sind besonders kompakt mit reduziertem Platzbedarf im Schaltschrank und geringem Verdrahtungsaufwand.
Netzwechselrichter
Mehrere Achsen, die mit dem Netzwechselrichter im Zwischenkreis verbunden sind. Die Geräte sind mit dem Drive-Connect-System verbunden, eine extra Verdrahtung ist nicht nötig.
Die Geräte: Ein- und Rückspeiseeinheiten b maXX 5100, Achsmodule b maXX 5300, Achsmodule b maXX 6300
Genau richtig, wenn: im kleinen und mittleren Leistungsbereich generatorische Energie anfällt und diese ins Netz zurückgespeist werden soll.
Das machen wir, weil: es die Energieeffizienz verbessert und der Netzwechselrichter die Spannung im Zwischenkreis und damit den Drehzahlbereich des Motors erweitert.
Anwendungsbeispiel
Handlingeinheit zum Abführen von Bauteilen aus einer Spritzgussanlage
Die große Herausforderung bei der Umsetzung der Entnahmeeinheit war die hohe Dynamik des Systems und die Zuverlässigkeit. Auch bei Netzausfall, müssen alle Teile sicher aus der Anlage abtransportiert werden, um eine Beschädigung der Spritzgusseinheit zu verhindern.
Durch die hohe Dynamik fällt beim Abbremsen der Handlingachsen viel kinetische Energie an. Diese kann von den Achsen im Spritzgussprozess genutzt oder ins Netz zurückgespeist werden. Bei Netzausfall steht im Zwischenkreisverbund immer genug Energie für ein geregeltes Abbremsen und Leerfahren zur Verfügung. Durch die Umsetzung mit Netzwechselrichter und damit geregelter Zwischenkreisspannung, verbesserte sich die Regelgüte der Motordrehzahl, ein großer Vorteil für diese hochdynamische Anwendung mit unterschiedlichen Lastmassen.
Standalone-Einheit mit Anreihtechnik
Standalone-Einheiten mit mehreren Achseinheiten ohne separates Einspeisemodul.
Die Geräte: Standalone-Geräte b maXX 5500, Standalone-Geräte b maXX 6500, Achseinheiten b maXX 5300, Achseinheiten b maXX 6300
Genau richtig, wenn: ein großer und mehrere kleine Antriebe im Einsatz sind. Häufig auch bei seriellen Bewegungen.
Das machen wir, weil: wir mit dieser Lösung das Prinzip der Anreihtechnik auch bei Anwendungen im hohen Leistungsbereich umsetzen können und damit ein wirtschaftliches und energieeffizientes Antriebssystem bieten.
Anwendungsbeispiel
Reprocicating Blasformmaschine URH der Firma Uniloy
Auf dem Weg zu einer fortschreitenden Elektrifizierung seiner Blasformmaschinen, ist Uniloy eine Partnerschaft mit Baumüller eingegangen. Die Blasformmaschine URH wurde mit Servomotoren DSD2, Torquemotoren DST3 und Servoumrichtern der Familie b maXX 5000 umgesetzt. Dabei werden Standalone-Einheiten b maXX 5500 mit Achseinheiten b maXX 5300 im Zwischenkreisverbund betrieben. Der Antrieb der Plastifiziereinheit versorgt über den gemeinsamen Zwischenkreis auch die beiden Einspritzachsen. Damit ist für den Einspritzvorgang keine separate Einspeisung nötig, das spart Kosten und das Antriebssystem ist flexibel um weitere Achsen erweiterbar. Dadurch entsteht ein wirtschaftliches, energieeffizientes und platzsparendes System.
Standalone-Einheiten
Mehrere Standalone-Einheiten im Zwischenkreis verbunden.
Die Geräte: Standalone-Geräte b maXX 5500, Standalone-Geräte b maXX 6500
Genau richtig, wenn: zwei oder mehr Achsen im hohen Leistungsbereich betrieben werden sollen.
Das machen wir, weil: auch hier die Vorteile des Energie-Sharings zum Tragen kommen.
Variante: Die Standalone-Geräte b maXX 6500 sind auch ohne Einspeisung verfügbar. Sie dienen dann als Achseinheiten für große Leistungen. Reicht die Einspeiseleistung eines Standalone-Gerätes aus, dann können die übrigen Geräte kostengünstiger ohne Einspeisung umgesetzt und über den Zwischenkreisverbund mitversorgt werden.
Netzwechselrichter mit Achseinheiten für große Leistungen
Ein Netzwechselrichter mit einer oder mehreren Achseinheiten für große Leistungen im Zwischenkreis verbunden. Achseinheiten für große Leistungen sind Standalone-Geräte ohne eigene Einspeisung.
Die Geräte: Ein- und Rückspeiseeinheiten b maXX 5100, Standalone-Geräte b maXX 5500, Standalone-Geräte b maXX 6500
Genau richtig, wenn: große Leistungen benötigt werden und große Mengen an generatorischer Energie gespeichert oder zurückgespeist werden sollen.
Das machen wir, weil: im hohen Leistungsbereich Energie ins Netz zurückgespeist werden soll. Die Vorteile der höheren Zwischenkreisspannung genutzt werden können.
Anwendungsbeispiel
Servospindelpresse zur Metallbearbeitung der Firma synchropress
Hochsynchrones Antriebssystem für Servospindelpresse b maXX Servoantrieben, DSD2 Servomotoren und DST2 Torque-Motoren.
Vorteile:
- Netzseitiges Entkoppeln durch höhere Zwischenkreisspannung ermöglicht das Speichern höherer Energiemengen in Zwischenkreiskapazitäten
- Höhere Zwischenkreisspannung erweitert den Drehzahlbereich der Motoren
- Einsatz eines Netzwechselrichters ermöglicht das Rückspeisen von Energie in das Versorgungsnetz
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FAQ
Häufig gestellte Fragen rund um den Zwischenkreisverbund von Baumüller
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Was ist ein Zwischenkreisverbund?
Motoren und Umrichter teilen sich im Zwischenkreisverbund einen Zwischenkreis. Das bedeutet, dass der Motor nicht direkt an das Stromnetz angeschlossen ist. Zwischen dem Motor und dem Netz befindet sich der Umrichter. Sind nun weitere Antriebe mit diesem Zwischenkreis verbunden, spricht mach von einem Zwischenkreisverbund. Der Zwischenkreisverbund kann zwei oder mehr Antriebe umfassen. Im Zwischenkreis kann Energie gespeichert, gepuffert und verteilt werden. Das ermöglicht Energie-Sharing, also das effiziente Verteilen von Energie unter mehreren Antrieben.
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Wann kann ein Zwischenkreisverbund Vorteile bringen?
Ein Zwischenkreisverbund macht vor allem dann Sinn, wenn im System viel Bremsenergie anfällt. Diese Bremsenergie kann im Zwischenkreisverbund für das Antreiben weiterer Achsen genutzt werden.
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Warum steigert eine Architektur mit Netzwechselrichter den Drehzahlbereich des Motors?
Der Netzwechselrichter entkoppelt den Zwischenkreis vom Versorgungsnetz. Dadurch kann die Spannung im Zwischenkreis von 540 V auf 760 V erhöht werden. Der Motor kann oberhalb der Nenndrehzahl weiter betrieben werden, bevor die Feldschwächung einsetzt. Dadurch wird der Drehzahlbereich des Motors gesteigert.
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Was bedeutet Anreihtechnik?
Als Anreihtechnik bezeichnet Baumüller den Verbund von einer Ein- bzw. Ein- und Rückspeiseeinheit mit mehreren Achsen, verbunden über das Drive Connect System. Das Drive Connect System ist eine Anschlusstechnik für die Achseinheiten b maXX 5300 und b maXX 6300. Es ermöglicht das schnelle und unkomplizierte Kombinieren von Achs- und Einspeiseeinheiten über eine Schiene und verringert den Verdrahtungsaufwand erheblich.
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Warum reduziert ein Zwischenkreisverbund mit Netzwechselrichter die Blindleistung?
Ein Zwischenkreisverbund mit Netzwechselrichter reduziert die Blindleistung, weil, durch den Einsatz des Netzwechselrichters der Zwischenkreis vom Netz entkoppelt wird. Dadurch wird der Strom geregelt aus dem Netz entnommen. Der Strom fließt damit gleichmäßig und nicht stoßweise, Spannung und Strom verlaufen nahezu gleich und der Cosinus-Phi geht nahe 1. Dadurch wird fast nur Wirkleistung und kaum Blindleistung aus dem Netz entnommen.
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Welche Geräte können in einem Zwischenkreisverbund verbunden werden?
Alle Geräte der b maXX 5000 und b maXX 6000 Familie können an einen Zwischenkreisverbund angeschlossen werden.
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Bringt ein Zwischenkreisverbund auch Nachteile?
Wurde sorgfältig abgewogen, ob die Vorteile des Zwischenkreisverbundes in der jeweiligen Applikation zum Tragen kommen, ergeben sich keine wesentlichen Nachteile.
