Welche Strategien gibt es zur Zwischenkreisnutzung?

Alternativ zur Rückspeisung von Bremsenergie ins Netz, gibt es auch immer mehr Ansätze und Lösungen, um die Energie im Zwischenkreis zur Verfügung zu stellen. Welches Angebot findet sich dazu im Portfolio Ihres Hauses und wie unterscheidet es sich von anderen Lösungen auf dem Markt?

Claus-Bernd Thürauf, ABB: ABB bietet mit der ACS880-Multidrive-Produktfamilie den zentralen DC-Zwischenkreis, verschiedene Einspeisekonzepte und den DC/DC-Konverter an. Zusammen mit unseren Kunden projektieren wir das System und optimieren die Komponenten hinsichtlich Leistung und Kosten. Dazu ist das flexible Multidrive-System sehr fein skalierbar. Alternativ haben wir eine Lösung mit Zwischenkreisverbindung von Single Drives im Portfolio.

Andreas Golf, Beckhoff: Wir bieten sowohl kondensatorbasierte Speicherlösungen an sowie eine Rückspeisung, die auch eine Zwischenkreisspeicherung zulässt. Diese universelle Netzrückspeisung AX8820 schlägt damit zwei Fliegen mit einer Klappe. Bei ihr kann das Spannungslevel variabel eingestellt werden, um so viel Energie in den Kondensatoren der Geräte und Kondensatormodulen speichern zu können wie möglich. Damit erhält der Anwender die Möglichkeit, sowohl bei einem Netzausfall die Maschine in einen sicheren Zustand zu fahren als auch eine höhere Dauer-Bremsenergie zurückspeisen zu können. Eine ständige Diagnose der zurückgespeisten Leistung, Warnungen oder Fehlermeldungen ist durch den Ethercat-Anschluss inklusive. Unser universelles Rückspeisemodul ist also die richtige Lösung für die meisten Anwendungsfälle. Eine monetäre Beurteilung über den Einsatz kann sowohl während der Projektierung über unseren Motion Designer als auch während des Betriebs mithilfe unserer Twincat-3-Analytics-Lösungen verifiziert werden.

Steffen Kunkel, Bosch Rexroth: Bosch Rexroth stellt ein breites Portfolio an Soft- und Hardwarelösungen, sowie digitale Werkzeuge bereit, um Maschinen hinsichtlich ihres Optimierungspotenzials bewerten zu können. Zusätzlich bietet Antriebstechnik von Bosch Rexroth eine Vielzahl an Softwarefunktionen, die auf dem zum Energienetz wirkenden Netzwechselrichter implementiert werden. Erstens: bei einer aktiven Blindleistungskompensation ergeben sich folgende Vorteile: Wegfall einer externen Kompensationsanlage, weniger Komponenten, Platzeinsparung und Erhöhung des Systemwirkungsgrads. Zweitens: eine geregelte Zwischenkreisspannung ist unabhängig von der Netzspannung, die Stromaufnahme aus dem Netz erfolgt annähernd sinusförmig und der Drehzahlbereich von elektrischen Maschinen lässt sich besser nutzen. Drittens: der Rückspeisebetrieb ist per Parameter abschaltbar, die Zwischenkreisspannung wird weiterhin geregelt. Viertens: in der Betriebsart ‚Gleichrichterbetrieb, auslastungsabhängig‘ ist die Leistungsendstufe abgeschaltet. Die Regelung der Zwischenkreisspannung ist inaktiv und der Versorger arbeitet als Gleichrichter. Die Höhe der Zwischenkreisspannung entspricht dem Gleichrichtwert der Netzspannung. Zum Schutz der Dioden wird bei größerer Belastung auf Zwischenkreisspannungsregelung umgeschaltet und die Zwischenkreisspannung auf den parametrierten Sollwert geregelt. Ebenso wird zum Schutz vor Überspannung die Netzrückspeisung aktiviert, wenn die Zwischenkreisspannung einen voreingestellten Wert überschreitet. Fünftens: in der Betriebsart ‚Schwebende Zwischenkreisspannung‘ schwebt diese innerhalb eines unteren Sollwerts für die Einspeisung und eines oberen Sollwerts für die Rückspeisung. Innerhalb dieses Bereichs ist die Regelung inaktiv. Besonders bei kurzen Taktzyklen der Achsen kann dadurch Energie eingespart werden.

Timo Geisler, KEB: Mit dem Combivert R6 bieten wir eine kompakte und kostengünstige Ein- und Rückspeiseeinheit. Durch die netzgeführte Technik wird DC-seitig eine ungeregelte, netzabhängige Gleichspannung bereitgestellt. Der R6 kann zur DC-Versorgung mehrerer Drives verwendet werden und ermöglicht hohe Überlast und Rückspeisung im Dauerbetrieb. In Kombination mit unseren Oberschwingungsfiltern lässt sich eine gute Netzqualität und verringerte Blindleistung erzielen. Daneben haben wir mit dem Combivert F6 einen Drive Controller im Portfolio, der Frequenzumrichter und Servoantrieb in einem Gerät vereint und den gesamten Leistungsbereich von 2,2 bis 450kW abdeckt. Die Drives regeln unterschiedliche Motortechnologien, ob geberlos oder mit Geber und – je nach Anwendung – mit skalierbaren Sicherheitsfunktionen. Gleiches gilt für die S6 Servo Drives, die im Buchformat in zwei Gehäusegrößen für einen Nennstrom von 2,6 bis 16,5A verfügbar sind. Neben den Produkten bieten wir aber auch Unterstützung bei der Auslegung der Antriebssysteme an. Gerade beim Thema DC gibt es immer noch Berührungsängste, die wir den Kunden gerne nehmen möchten.

Martin Ehlich, Lenze: Lenzes Wurzeln liegen in der Antriebstechnik und sind seit vielen Jahren auf Antriebe spezialisiert, die im lokalen Zwischenkreisverbund kooperieren. Im aktuellen Portfolio bietet das Mehrachssystem i750 die Lösung für den direkten Energieaustausch. Die Antriebsregler werden einfach über integrierte DC-Stromschienen verbunden, was eine effiziente und unkomplizierte Energieverteilung ermöglicht. Eine besondere Entwicklung ist das Rückspeisemodul, das anstelle eines Bremschoppers im Zwischenkreis angeschlossen wird, wenn die generatorischen Energiespitzen den Bedarf des lokalen Verbunds übersteigen. Der Anwender erhält ein skalierbares Antriebssystem, das an jedes Verhältnis zwischen motorischem und generatorischem Energiebedarf der Maschine anpassbar ist. Diese Flexibilität und Anpassungsfähigkeit machen das System am Markt konkurrenzlos. Bei den Frequenzumrichtern bieten wir die i550-Geräte an, die ebenfalls einen DC-Verbund unterstützen. Diese Lösungen zeichnen sich durch ihre hohe Effizienz und die Möglichkeit zur Integration in bestehende Systeme aus.

Fabian Hofmann, Michael Koch: Wir haben seit 2011 ein streng modulares System aktiver Energiemanagementgeräte aufgebaut, das von klein bis groß ein weites Spektrum von Anwendungen abdeckt und viele wichtige Eigenschaften von Sicherheit bis Zertifizierungen mitbringt. Basis der Modularität sind die Faktoren Leistung und Zeit, weshalb auch unser System Pxt, also P mal t heißt. Bedeutet: Die Ausführung der Leistungselektronik ist abhängig von der geforderten Leistung. Durch Parallelschaltung der Leistungselektronik schaffen wir auch mehrere Hundert kW. Die Speicher sind abhängig von den Energiemengen und der Häufigkeit des Energieflusses. Letztere ist entscheidend für die Auswahl des Speichermediums: Im Sekundenbereich sind es Elektrolytkondensatoren, mittlere Zykluszeiten werden durch Doppelschichtkondensatoren abgedeckt und lange durch Batterien. Wir legen zusammen mit den Kunden aus, machen das Applikationsengineering und am Ende erhält der Anwender ein anschlussfertiges System, gerne auch im Schaltschrank, das keine weiteren Anpassungen bei der Inbetriebnahme braucht.

Hans-Joachim Müller, SEW-Eurodrive: Hardwareseitig ist Movidrive modular aus unserem Automatisierungsbaukasten Movi-C genau dafür ausgelegt. Das ist ein modulares Mehrachssystem mit Zwischenkreisverbund, Ein- und Rückspeisemodulen sowie verschiedenen Achsmodulen. Es lässt sich um intelligente Leistungs- und Energiemanagement-Komponenten aus unserer Produktreihe Power and Energy Solutions erweitern. Ferner umfasst das Portfolio zusätzliche Puffermodule, mit denen die Zwischenkreiskapazität erweitert werden kann sowie DC/DC-Wandler. Diese ermöglichen den Anschluss von zusätzlichen Energiespeichern wie Akkus und Kapazitäten auf anderen Spannungsniveaus oder Energiequellen wie Solaranlagen. Hinzu kommen Schaltnetzteile, womit auch eine stabile 24V-Spannung aus dem Zwischenkreisspeicher entnehmbar ist. Darüber hinaus bieten wir mit unseren Movikit-Softwaremodulen auch Programmbausteine an, die auf einer Steuerung ausgeführt werden. Sie parametrieben und steuern die Geräte entsprechend. Herausragend ist sicherlich unser preisgekröntes Softwaremodul Movikit PowerAndEnergySolutions addon PredictiveChargeControl, das den Ladezustand des Energiespeichers in Abhängigkeit von Lage-, Rotations- und Bewegungsenergie der Anwendung verändert. Darüber hinaus bieten wir Unterstützung bei der Simulation der Energieflüsse mit entsprechender Software und dem nötigen Knowhow sowie langjähriger Erfahrung.

Guido Stöppler, Siemens: Unser Angebot dazu ist vielfältig. Mit dem Frequenzumrichter Sinamics S120 bieten wir ein modulares Mehrachssystem mit geteiltem Zwischenkreis an. Dabei sind auch die unterschiedlichen Bauformen von Chassis und Booksize im Zwischenkreis kombinierbar. Je mehr Antriebe sich einen Zwischenkreis teilen, desto mehr Energieausgleich kann stattfinden. Unsere Frequenzumrichter können dabei auf verschiedene Weise mit Speichern ergänzt werden, entweder durch Capacitor Modules aus dem Siemens-Portfolio oder durch Module anderer Hersteller. Unsere Fachleute unterstützen bei der Auslegung der Anwendungen mit Hilfe simulativer Methoden sowie bei der Erstellung von spezieller Software für das Zwischenkreis-Management. Meistens wird der Speicher über einen DC/DC-Steller an den Zwischenkreis angebunden. Die Engineered DC-DC Converter bieten dabei den Vorteil enormer Flexibilität mit Strömen von 6 bis 1.000A und Zwischenkreisspannungen von 510 bis 1.080V. Mit Hilfe des im Internet frei zugänglichen Siemens Product Configurators wird der Anwender Schritt für Schritt durch die Konfiguration der modularen Lösung geführt. Einfacher in der Anwendung sind die kompakten DC/DC-Steller Sinamics DCP als Ready-To-Go-Gerät mit einer Leistung von 30 bis 250kW.

Welche weitere Entwicklung erwarten Sie hier? Welche Herausforderungen sehen Sie noch? Welches Potenzial ergibt sich gegebenenfalls durch die verschiedenen Anstrengungen der Branche in Richtung DC-Industrie?

Claus-Bernd Thürauf, ABB: Das ABB Multidrive-Konzept ist schon heute für DC-Konzepte geeignet, muss aber häufig aufgrund der Komplexität der unterschiedlichsten DC-Netz-Anforderungen angepasst werden. Hier dürfte eine höhere Standardisierung der DC-Netze in Zukunft einfachere Nutzbarkeit bringen.

Andreas Golf, Beckhoff: Eine wichtige Entwicklung sehe ich in der Kombination aus sinnvollem Speichern und Rückspeisung. Beide Lösungen haben ihre Berechtigung. Wenn es für den Anwender bereits bei der Projektierung möglich ist, je nach Applikation flexibel auf die eine oder andere Lösung zurückzugreifen, wird das zu einer weiteren Effizienzsteigerung führen. Tatsächlich ist es schließlich so, dass der Maschinenbauer mehr investieren muss, damit der Endanwender von der höheren Effizienz profitieren kann. Einen Mehrpreis dafür erreicht der Maschinenbauer oftmals nicht. Sollte er aber direkt bei der Verkaufsverhandlung die Möglichkeiten aufzeigen und dem Kunden direkt den monetären Vorteil einer Rückspeisung oder DC-Pufferung darlegen können, ist es für ihn einfacher, auch einen Mehrpreis dafür zu generieren. DC-Industrie zeigt genau das auf, was wir eigentlich alle wissen: Jede Umwandlung kostet Effizienz: Netzteile in allen Geräten wandeln AC- in DC-Spannung um, Solarmodule produzieren eine DC-Spannung, die durch einen Wechselrichter in eine AC-Spannung umgewandelt wird – alles mit Aufwand und einer Reduzierung des Wirkungsgrads verbunden. Darauf verzichtet DC-Industrie und hat bereits einige vielversprechende Projekte realisiert. Im Grunde genommen wird hier der Zwischenkreis zur Verfügung gestellt und alle Verbraucher bedienen sich direkt und ohne ein eigenes Netzteil daraus und speisen direkt dort wieder ein. Ganze Maschinen können damit mit einer Gleichspannung versorgt werden; Kondensatormodule und kinetische Energiespeicher lassen sich sehr einfach integrieren und der Materialeinsatz wird damit deutlich reduziert.

Steffen Kunkel, Bosch Rexroth: Weitere Lösungsansätze ergeben sich z.B. aus dem bereits abgeschlossenen Förderprojekt DC-Industrie des ZVEI, 21 Unternehmen, darunter Bosch Rexroth, und vier Forschungsinstituten. In dem vom BMWK geförderten Projekt wurde die industrielle Versorgung über Gleichspannungsnetze beleuchtet. Jetzt gilt es, diese erarbeiteten Konzepte in realen Produktionseinrichtungen umzusetzen. Unter Nutzung erneuerbarer Energien, etwa Photovoltaikanlagen und Brennstoffzellen, können die oben aufgeführten Konzepte auf ganze Produktionshallen ausgeweitet werden und so einen wichtigen Beitrag zu mehr Energie- und Ressourceneffizienz leisten. Durch die kontinuierliche Entwicklung und Optimierung dieser Technologien kann die Industrie erhebliche Fortschritte bei der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit erzielen. Die Zusammenarbeit zwischen Forschungseinrichtungen, Unternehmen und Regulierungsbehörden wird entscheidend sein, um diese Herausforderungen zu meistern und das volle Potenzial der DC-Industrie auszuschöpfen.

Timo Geisler, KEB: In den beiden Verbundforschungsprojekten DC-Industrie und DC-Industrie2 wurde durch die intensive Kooperation von Industrieunternehmen und Forschungsinstituten ein Grundstein für eine standardisierte DC-Versorgung von Industrieanlagen gelegt. Herstellerproprietäre DC-Verbundsysteme gibt es bereits seit über 20 Jahren, die im Zweifel jedoch untereinander nicht kompatibel sind. In DC-Industrie konnten wir demonstrieren, dass ein herstelleroffenes DC-Netz funktioniert – wenn sich alle Teilnehmer an bestimmte Spielregeln halten. Die aktuelle Herausforderung ist, diese Erkenntnisse auch in offizielle Standards und Normen zu überführen. Hier sprechen wir aber von nationalen und internationalen Gremien mit unterschiedlichen Interessensvertretern, weswegen dieses Vorhaben noch Zeit in Anspruch nehmen wird. Da wir rein technisch jedoch von DC überzeugt sind, richten wir unsere Produkte bereits jetzt schon immer mehr danach aus – und freuen uns, wenn dies auf der Anwenderseite zu positiver Resonanz führt.

Martin Ehlich, Lenze: Im dezentralen Bereich gilt die direkte Rückspeisung der Bremsenergie ins Netz als Meilenstein. Sie reduziert den Aufwand für die Dimensionierung und Platzierung von Bremswiderständen. Auch entfällt das Engineering für den kompletten DC-Zwischenkreis, der einiges an technischem Wissen erfordert. Zukünftig wird es einfacher sein, DC-Schaltgeräte zu beschaffen, was die Implementierung weiter erleichtert. In Zukunft erwarten wir, dass Antriebsregler einer Maschine oder Anlage nicht nur untereinander energetisch gekoppelt werden, sondern dass ein DC-Mikronetz als Backbone einer kompletten Produktionslinie oder ganzen Fabrik fungiert. Es wird weiterhin eine Verbindung zum AC-Netz des Energieversorgers geben, das DC-Mikronetz wird aber eigene Energieerzeuger und Speicher integrieren, die über hocheffiziente DC/DC-Wandler verbunden sind. Solaranlagen auf dem Hallendach oder an der Gebäudefassade übernehmen die Energieversorgung, während Speicher je nach Größe die notwendige Energie puffern, um Lastspitzen zu minimieren und Netzunterbrechungen zu überbrücken. Das erhöht die Effizienz, Autarkie und Resilienz der Produktionsanlage, während Kosten und Aufwand deutlich sinken. Zudem entsteht ein neuer Markt für Halbleiter-basierte Schalt- und Schutztechnik, Spannungswandler und DC-pure Antriebe, die um mindestens 25 Prozent kleiner bauen als heutige AC-Antriebe. In der ODCA arbeiten weltweit mehr als 60 Komponentenhersteller, Maschinenbauer und Anlagenbetreiber an der Standardisierung und Realisierung von DC-Netzen. Lenze zielt darauf ab, mit passenden Produkten die Gleichstromfabrik zu fördern.

Fabian Hofmann, Michael Koch: Wir sind optimistisch, dass die Rekuperation von Bremsenergie in Verbindung mit weiteren positiven Eigenschaften des aktiven Energiemanagements an Bedeutung zunimmt, auch bei den kleineren Einheiten – ich meine kleiner im Vergleich zu den großen Containerlösungen -, auf die wir spezialisiert sind. Der allgemeine Trend zur Elektrifizierung unterstützt das zusätzlich. Es wird für die diversen Einsatzfälle Optimierungen geben, also die klassische Weiterentwicklung. Das Projekt DC-Industrie bzw. die ODCA, wie sie jetzt heißt, trägt sicher dazu bei, die Thematik bekannter zu machen und aufzuzeigen, dass es durchaus noch viel Potential für Effizienzsteigerung gibt. Für uns gilt, dass wir mit unserem System schon jetzt international einsatzfähige, intelligente Energiepuffer für Gleichstrom anbieten, die den Energiehaushalt elektrischer Antriebe oder von Gleichstromnetzen professionell optimieren, und zwar herstellerunabhängig, also neutral und frei.

Hans-Joachim Müller, SEW-Eurodrive: Verschiedene Trends deuten auf eine langanhaltende Entwicklung in diesem Bereich. Die Speichertechnologie kann die Industrie auf dem Weg zur Erreichung nachhaltiger Entwicklungsziele unterstützen. Spannend ist die Verbindung mit anderen Trendtechnologien, z.B. wenn maschinelles Lernen in Anlagen eingesetzt wird, um sie hinsichtlich Energieeinsparung zu optimieren – ähnlich unserem erwähnten Softwaremodul zur prädiktiven Ladezustandssteuerung. Es ist offensichtlich, dass die Anlagen durch die Optimierung hinsichtlich bestimmter Parameter komplexer werden, dabei darf der Mensch nicht vergessen werden. Nicht selten muss der Nutzen mit Blick auf zusätzliche Investitionen herausstellbar und erklärbar sein. Hierfür bedarf es Expertise und Erfahrung. Ebenso muss das System leicht bedienbar und optimal aufeinander abgestimmt sein, damit eine Inbetriebnahme nicht ausartet und während des Betriebs kontrollier- und steuerbar bleibt.

Guido Stöppler, Siemens: Ob nun der Stromkrieg zwischen Edison (DC) und Westinghouse (AC) neu entschieden werden muss, wird die Zukunft zeigen. Das enorme Potenzial der DC-Verteilung liegt zum einen in der höheren Energieeffizienz von rund fünf bis zehn Prozent, und zum anderen gestaltet sich die Anschaltung von DC-Speichern natürlich wesentlich einfacher, beispielsweise für das Peak-Shaving. Auch Photovoltaik ist einfacher an ein DC-Zwischenkreis anbindbar. Demgegenüber stehen auch Herausforderungen: Spezielle DC-Sicherungen sind aktuell noch im Entwicklungsstadium und müssen sich am Markt technisch und kommerziell noch beweisen.

bitte mit QR-Code – Link auf den Teil 1 im SPS9

Steffen Kunkel

Product Manager ctrlX Drive Cabinet IP20

Bosch Rexroth

Fabian Hofmann

Geschäftsführer Michael Koch GmbH

Hans-Joachim Müller

Marktmanager SEW-Eurodrive

Claus-Bernd Thürauf

Product Management Project Sales

ABB Motion Deutschland

Andreas Golf

Senior Produktmanager Antriebstechnik Beckhoff Automation

Timo Geisler

Produktmanager Drives KEB Automation

Martin Ehlich

Expert for Mechatronics im Bereich Technology, Innovation and Research Lenze

Dr. Guido Stöppler

System Manager Drives Siemens Digital Industries