Elektrische Antriebe sollen dynamisch und hochgenau auf Basis komplexer Fahrprofile mit der richtigen Geschwindigkeit in eine bestimmte Richtung drehen. An sich ändernde Geschwindigkeiten ist der Energiefluss bzw. Energiehaushalt nachhaltig positiv anzupassen. Das ist eine Aufgabe des Applikations-Engineerings. Der Artikel beschreibt die Möglichkeiten, den Energiehaushalt eines Systems mit dem sicheren Bremswiderstand von Michael Koch individuell zu optimieren.
Inhalt
Der Energiehaushalt eines elektrischen Antriebs ist anwendungsoptimiert zu gestalten – angefangen mit der Verarbeitung von Bremsenergie bis hin zur Reduktion von Netzlastspitzen oder der unterbrechungsfreien Energieversorgung bei Netzausfall.
Um die dynamischen Eigenschaften eines Drive Controllers nutzen zu können, muss die beim 4Q-Betrieb eines Drives Controllers anfallende Bremsenergie gezielt verarbeitet werden. Durch die Bremsenergie steigt die Spannung im Gleichstromzwischenkreis des Antriebsreglers recht schnell auf schädigende Werte für die Elektronik. Eine gängige Lösung um einen Schaden abzuwenden ist, dass vor Erreichen der kritischen Spannungshöhe ein Bremstransistor bzw. Bremschopper auf einen Bremswiderstand schaltet. Das Applikationsengineering startet mit folgenden Fragestellungen:
Die Formel zur Bestimmung des Widerstandswertes lautet:
R = U/I. (Ohmsches Gesetz).
Jetzt wird zur Bestimmung des Bremswiderstands noch die Energie benötigt, die aufzunehmen ist, sprich die Leistung über die Zeit:
E = P x t.
Eine weitere Dimension zur richtigen Bestimmung des Bremswiderstands ist die Zykluszeit mit ihren Bremszeit-Anteilen und der Ruhezeit. Bei komplexen Fahrprofilen kann ein Zyklus mehrere Bremsungen unterschiedlicher Stärke beinhalten. Das beeinflusst die Dimensionierung ebenfalls. Auch die Stromtragfähigkeit des Bremstransistors ist zu beachten.
Leistungsstärkere Regler haben in der Regel Bremstransistoren mit höherer Stromtragfähigkeit. Dadurch können Bremswiderstände mit Widerstandswerten im einstelligen Bereich eingesetzt werden. Bei leistungsschwächeren Drive Controllern ist darauf zu achten, dass trotz gewünschter kurzer Bremszeit der Widerstandswert des sicheren Bremswiderstands ausreichen groß gewählt wird. Die Formel hierfür lautet:
I = U/R.
Bremswiderstände können üblicherweise bis zur 35-fachen Nominalleistung aufnehmen – abhängig von Zykluszeit und Einschaltdauer. In manchen Anwendungen reicht daher für eine Bremsenergie von 3 kWs ein Bremswiderstand mit einer Nominalleistung von nur 100 W aus.
Bremswiderstände gibt es in vielen Typen, darunter klassische Drahtwiderstände, die oft auf Keramikträgern in Röhrenform gewickelt sind. Diese sind in verschiedenen Schutzarten wie IP00 oder IP20 verfügbar, was direkten Kontakt des Widerstandsdrahts mit der Umgebungsluft ermöglicht. Bei Temperaturen von mehreren 100 °C kann dies vor allem in staubigen Umgebungen riskant sein.
Als sichere Alternative empfehlen sich die kompakten Bremswiderstände der Michael Koch GmbH im Aluminiumgehäuse. Sie bleiben auch bei dauerhafter Überlastung sicher und unterbrechen den Stromfluss risikofrei, ohne Kurzschluss oder Brand zu verursachen. Selbst bei dauerhafter Über-Last bleibt der sichere Bremswiderstand in Form. Er funktioniert wie eine Sicherung, trennt den Stromfluss ohne negative Folgen für das Umfeld: Kein Kurzschluss, kein Körperschluss, kein Brand. Der geringfügig höhere Aufwand für diese sicheren Widerstände ist eine lohnende Investition.
Für kleine Nominalleistungen gibt es eine Variante, die nach Überlastung sogar noch weiter funktioniert. Auf der Basis von Halbleitern aufgebaut funktioniert der Bremswiderstand durch die Eigenschaft von PTC Widerständen, die bei höheren Temperaturen hochohmiger werden. Ab einer definierten Sprungtemperatur steigt ihr ohmscher Widerstand so hoch, dass der Bremswiderstand keine weitere Energie aufnimmt. Damit schützt sich der Bremswiderstand selbst. Bis 140 W Nominal- bzw. Dauerleistung kann ein solcher PTC-Bremswiderstand aufnehmen. Eingesetzt in kleinen Servoantrieben oder sogenannten Huckepackumrichtern spielt er seine Temperaturabhängigkeit besonders aus.
Bei Maschinen mit mehreren Motoren kann oft die Verbindung der Gleichstromzwischenkreise durch Drive Controller realisiert werden. In diesem Verbund speisen Antriebe beim Bremsvorgang Energie ein, während beschleunigende Antriebe daraus Energie ziehen. Bei optimal abgestimmten Fahrzyklen der Motoren wird die Bremsenergie effektiv genutzt, da die Spannung im Zwischenkreis unter der Bremschopper-Spannung bleibt.
Mehrachssysteme bieten den konstruktiven Vorteil, dass ein einzelnes Netzteil mehrere Achsmodule auch bei Volllast versorgen kann. Die Komponenten sind typischerweise in einem Gehäuse integriert oder über Schienensysteme miteinander verbunden. Hierbei erfolgt eine zentrale Regelung aller Achsen. Trotzdem ist eine perfekte energetische Abstimmung selten möglich, oft operieren die Achsen parallel, was den energetischen Vorteil eines gekoppelten Zwischenkreises schmälert.
In Mehrachssystemen wird gelegentlich ein zusätzliches Kondensatormodul verwendet, um die Kapazität des Gleichstromzwischenkreises passiv zu erhöhen. Diese Methode erweitert einfach die bestehende Kapazität, setzt jedoch voraus, dass die Ladeschaltung des Netzteils die zusätzliche Stromlast bewältigen kann. Aufgrund der begrenzten energetischen Kapazität und der eingeschränkten Spannungsdifferenz zwischen normaler Zwischenkreisspannung und Bremschopper-Spannung, bleibt der Nutzen einer solchen passiven Erweiterung limitiert.
Im Gegensatz dazu ermöglichen aktive Zwischenkreiserweiterungen, wie die Energiemanagementlösungen von Koch, einen wesentlich höheren Spannungshub und können risikolos mit nahezu unbegrenzten Kapazitäten erweitert werden. Das bietet dem Applikationsengineering weitreichende Gestaltungsmöglichkeiten.
Bisher ging es in diesem Artikel um die kleineren und mittleren Lasten. Bei hohen Nominalleistungen, insbesondere in Notfallsituationen oder für spezifische Anwendungen wie Windenergieanlagen, sind Stahlgitterwiderstände oft die bevorzugte Wahl. Diese Widerstände werden verwendet, um Windturbinen mit bis zu 10 MW in Störfällen kurzzeitig vom Netz zu trennen. Obwohl das Windrad weiterläuft, muss die generierte Energie sicher in Form von Wärme über einen groß dimensionierten ohmschen Belastungswiderstand abgeleitet werden.
In diesen Fällen wird die kinetische Energie der Motoren oder Maschinen in thermische Energie umgewandelt. Das ist jedoch mit Energieverlusten verbunden. Dies stellt die Energieeffizienz dieser Systeme in Frage, besonders im Kontext des Klimaschutzes, wo eine maximale Energieausnutzung angestrebt wird.
Mit der Forderung nach geringen Energieverlusten und hoher Energieeffizienz wird das Applikationsengineering stets konfrontiert. Doch die Antwort auf die Frage nach Wirtschaftlichkeit lautet häufig: "Es kommt darauf an."
Betrachten wir etwa einen 5,5 kW starken Elektromotor, der 1x/min von der maximalen Drehzahl auf Null innerhalb 1 s bremst: Dies führt zu einem Energieumsatz von etwa 2,75 kJ/min. Berücksichtigt man übliche Systemverluste des Motors, die oft ein Drittel betragen, verbleiben effektiv nur etwa 1,8 kJ am Bremswiderstand. Um 1 kWh zu erreichen – oft mit 10 Eurocent kalkuliert – muss der Antrieb 2000 Mal bremsen. Das dauert mehr als 33 h.
In Fällen, wo Bremswiderstände nur sporadisch, etwa im Not-Aus-Fall, genutzt werden, ist die Investition in einen hochwertigen Bremswiderstand unumgänglich. Sicherheit steht hierbei im Vordergrund, eine Anforderung, die sichere Bremswiderstände von Michael Koch durch ihre durchdachte Konstruktion und Materialwahl erfüllen.
Ändern wir Anwendung so, dass der Motor alle 2 s bremsen und wieder beschleunigen muss, wird die kWh bereits nach etwas mehr als 66 min erreicht. Abhängig von der Betriebsdauer des Antriebs sollten Überlegungen dazu führen, die anfallende Bremsenergie zu erhalten. Hierbei spielen auf der einen Seite energetische Überlegungen eine Rolle. Das ständige Auf und Ab der Spannung im Gleichstromzwischenkreis des Antriebsreglers über teilweise mehrere 100 V belastet vor allem die verhältnismäßig kleine Zwischenkreiskapazität im Drive Controller sehr stark. Ungeplante Ausfälle des Drive Controllers sind beinahe zwangsläufig die Folge. Man muss also über die Effizienzsteigerung hinaus Mittel und Wege finden, die das Gerät schonen und die ganze Anlage vor ungeplanten Stillständen schützen.
Eine mögliche Option zur Nutzung der Bremsenergie ist die Netzrückspeisung, wobei die Energie ins Stromnetz zurückgeführt wird. Dies geschieht, sobald im Gleichstromzwischenkreis des Drive Controllers ein Spannungsniveau erreicht wird, das unter der Bremschopperspannung liegt. Die Netzrückspeiseeinheit aktiviert sich dann und überführt die elektrische Energie mit der für das Netz erforderlichen Frequenz und Spannung. Allerdings stellt dieser Prozess, insbesondere wenn alle 2 s etwa 1,8 kJ ins Netz eingespeist werden, eine technische Herausforderung für das Rückspeisegerät und eine Belastung für das Stromnetz dar. Diese Problematik verschärft sich, wenn mehrere Antriebe gleichzeitig und in kurzen Intervallen Energie ins Netz zurückführen. Das kann die Stabilität des Netzes potenziell beeinträchtigen.
Bei langanhaltenden generativen Stromflüssen, die zu großen Energiemengen führen, bietet sich die Netzrückspeisung als effiziente Lösung an. Das Stromnetz dient hierbei als ein nahezu unbegrenzter Speicher, der keine zusätzlichen Kosten verursacht und bei geeigneten Bedingungen sogar den Stromzähler rückwärtslaufen lässt.
Trotz dieser Vorteile ist die Stabilität und ständige Verfügbarkeit des Stromnetzes für die elektrische Antriebstechnik essenziell. Fällt das Netz aus, muss die generative Energie zum Schutz der Drive Controller dennoch sicher abgeleitet werden. In solchen Fällen ist ein adäquat dimensionierter Bremswiderstand unerlässlich, der als Sicherheitsmechanismus fungiert.
Auch für kurze generative Energieflüsse hat Michael Koch eine Lösung: Hierfür bieten sich die netzunabhängigen, aktiven Energiemanagement-Lösungen des Spezialisten für Bremsenergie an, wie die Geräte und Systeme der Pxt-Serie. Die aktiven Energiemanagementsysteme sind die Problemlöser bei schwachen Netzen.
Angela Struck ist Chefredakteurin des developmentscouts und freie Journalistin sowie Geschäftsführerin der Presse Service Büro GbR in Ried.