Einfach, aber (energie)effizient

Manchmal kann eine einfache Lösung die beste sein. Das gilt auch im Bereich der Energieeffizienz. Ein Beispiel ist der Crossbar Roboter 4.0 von Schuler. Das auf einem Kuka-Sechsachs-Roboter basierende Gerät wurde durch einen relativ simplen Kniff um gut 20 % effektiver: Die Ingenieure in Gemmingen verbauten im Zwischenkreis dynamische Energiespeicher (DES) der Michael Koch GmbH. Diese nehmen die kinetische Energie während des Bremsvorganges auf und geben sie wieder ab, wenn der Roboter sich weiter bewegt.

"Mit dem DES wird bei umrichtergespeisten Antrieben ohne Konfigurations- und Inbetriebnahmeaufwand schlicht und einfach elektrische Energie gespart“, erklärt Koch-Prokurist Ulrich Piaszinski. "Letztlich wirkt der DES aber als Spannungsstabilisator im Gleichstromzwischenkreis. Bei richtiger Auslegung fallen strapazierende Spannungsspitzen weg, was schonend auf den Umrichter des Antriebssystems wirkt.“ Laut Pia­szinski ist der DES für alle Umrichter bis zu 800 VDC mit direktem Zwischenkreisanschluss geeignet. "Es müssen lediglich drei Litzen angeschlossen werden und der DES ist betriebsbereit.“ Die Regelung des Speichers erfolgt selbstständig, als Referenz werden Energieaufnahme und -abgabe des Bremschopperausganges des Umrichters genutzt.

Die Funktionsweise des DES ist laut Piaszinski relativ einfach: "Bremst der Antrieb, steigt die Zwischenkreisspannung“, erklärt er. Übersteige diese den Grenzwert, der bei der ersten Bremsung als Referenz ermittelt wurde, werde die überschüssige Energie  gespeichert und erst wieder abgegeben, wenn die Spannung den unteren Schwellenwert erreicht. "Das ist der Moment, in dem Energie gespart wird.“

Der Speicher des DES entlade sich bis auf den zuvor automatisch festgelegten Mindestpegel und wartet auf die nächste Bremsung. Die Abfolge von Ladung und Entladung des verbauten Kondensators könne in Sekundenbruchteilen ohne Netzrückwirkung erfolgen. "Das Speichermodul arbeitet als schonender Stabilisator des Zwischenkreises und hat – anders als bei einer direkten Erweiterung der Kapazität des DC-Zwischenkreises – keinerlei Kontakt mit dem eingangsseitigen Stromnetz“, sagt Piaszinski. Der DES werde nur im Fall der Bremsung bestromt und geladen.

Eine der wichtigsten Konsequenzen aus dieser Besonderheit: Der DES verursacht keine Netzrückwirkungen. Die Höhe seiner Einsatzspannung wird vom Energiespeicher selbständig ermittelt. Alle Energie, die dazu führen würde, dass die Spannung des Zwischenkreises über diesen Pegel steigt, nimmt der DES auf. Umgekehrt pumpt der Speicher Energie zurück, wenn der Pegel unterschritten wird, der Umrichter also antreibt und elektrische Energie aus dem Netz ziehen würde.

Im Crossbar Roboter führte der Einsatz dazu, dass nicht nur gut 20 % Energie eingespart werden konnte, sondern sich auch die Anzahl der Hübe pro Minute auf bis zu 15 erhöhte. "Im Zusammenspiel mit der Halbierung des Gewichts ergibt sich eine Steigerung der Dynamik des Roboters um rund 50 % gegenüber dem Vorgängermodell“, erklärt Ulli Mayer, bei Schuler in Gemmingen zuständig für Elektrokonstruktion. Die Traglast blieb bei 90 kg.

Die Zusammenarbeit von Schuler und Koch kam laut Piaszinski per Zufall auf der SPS IPC Drives 2012 zustande: "Ein Schuler-Mitarbeiter lief an unserem Stand vorbei und sah, dass wir aus der Nähe kommen.“ Ubstadt-Weiher und Gemmingen liegen nur rund 35 km entfernt. "So kamen wir ins Gespräch.“

Üblicherweise werden ähnliche Effizienzlösungen durch netzsensible Rückspeiseeinheiten oder Ballastwiderstände realisiert. "Der DES kombiniert die Vorteile der beiden genannten bisherigen Lösungen zur Verarbeitung der Bremsenergie“, erklärt Piaszinski. Er spare elektrische Energie wie die Rückspeiseeinheit, arbeitet aber wie ein Bremswiderstand gänzlich ohne Netzrückwirkungen. "Immer dann, wenn der DES arbeitet, ist aufgrund des erhöhten Spannungsniveaus im Gleichstromzwischenkreis der Umrichter vom Netz getrennt. Ähnlich wie bei einer Rückspeiseeinheit entsteht im Betrieb relativ wenig Verlustleistung.“

Eine der Maßgaben für die Entwicklung des DES war auch die Handhabung. "Das Gerät kann einfach in den Zwischenkreis gehängt werden“, erklärt Piaszinski. So wurde es auch bei der Steuerung des Roboters gehandhabt: Neben der fast im Original belassenen Steuerung wurden die drei DES-Systeme im Schrank verbaut und angeschlossen. "Mehr Arbeit sollte es nicht sein“, erklärt der Koch-Prokurist.

Auch für Mayer war Simplizität ein Kriterium. "Dazu kam, dass es wirtschaftlicher ist, die Bremsenergie zu nutzen, statt sie verpuffen zu lassen.“
Allerdings haben die DES auch Grenzen: Wird die Bremsenergie zu hoch, können die Kondensatoren sie nicht mehr speichern. Die maximale Leistung liegt pro Gerät bei 18 kW. Bei höherer Leistung sind die Geräte parallel verschaltbar. Koch hat inzwischen zwei Modelle auf dem Markt: Der DES 2.0, der bei einem Fahrzyklus von einer Sekunde rund 800 Ws speichern und ausliefern kann, und das Modell 3.0, das etwa 1 200 Ws schafft. Der Energiespeicher hat bei beiden Geräten eine Kapazität von rund 1 600 Ws.