Was kennzeichnet eine ­intelligente Versorgung?

Versorgungsgerät im Kommunikationsverbund: Die horizontale und vertikale Vernetzung der Automatisierungskomponenten und des IT-Systems über offene Schnittstellen schafft neue Möglichkeiten, die Energieeffizienz zu steigern.

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Ein intelligentes Versorgungsgerät zeichnet sich durch einen Netzwechselrichter, hohe Flexibilität in der Parametrierung, der Sollwertvorgabe und der Auswahl von vordefinierten Betriebs­arten (zum Beispiel Zwischenkreisspannungsregelung, schwebend oder Gleichrichterbetrieb) aus. Mit einer ­integrierten frei programmierbaren SPS oder einer zyklischen Sollwertvorgabe über eine übergeordnete Steuerung kann man auch besonderen Anforderungen der jeweiligen Maschine gerecht werden. Zu den Grundfunktionen sollten zudem Blindleistungskompensationsfunktion und geeignete Diagnose- und Analysewerkzeuge gehören.

Blindleistung entsteht, wenn Strom und Spannung zueinander eine Phasenverschiebung aufweisen. Eine Umwandlung in mechanische Leistung ist nicht möglich, wodurch die Blindleistung immer zwischen Energieversorgung und Verbraucher pendelt und nur Verluste verursacht. Um die dadurch erforderlichen größeren Leitungsquerschnitte zu verhindern, schreiben Energieversorgungsunternehmen eine Kompensation der Blindleistung vor oder lassen sich die Kosten abhängig vom Bedarf bezahlen.

Durch ein intelligentes Versorgungsgerät mit Netzwechselrichter ist eine Kompensation der eigenen wie auch einer externen Blindleistung möglich. Hierbei spielt die Netzstromregelung, die neben der Zwischenkreisspannungsregelung bei einem Netzwechselrichter üblicherweise vorhanden ist, eine zentrale Rolle. Analog zum Motorwechselrichter bildet der Stromregelkreis die unterste Kaskade.

Leistungsverlauf Transfersystem: Die Funktion Smart Energy Mode passt das Energieniveau im Zwischenkreis abhängig von Brems- und Beschleunigungsenergie dynamisch an indem es Leistungsspitzen kappt und den mittleren Energieverbrauch senkt.

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Allerdings ist dieser Stromregelkreis nicht in drehmoment- und flussbildenden Anteil, sondern in wirk- und blindstrombildenden Anteil aufgeteilt. Während die Zwischenkreisspannungsregelung nur auf den wirkstrombildenden Anteil wirkt, kann über den 90° verschobenen Anteil ein Blindstrom vorgegeben oder aber eine Blindleistungskompensation aufgebaut werden. Hierdurch ist neben der Kompensation der Blindanteile der Netzanschaltung (Netzfilter und -drossel) die Kompensation externer Komponenten – zum Beispiel von Hilfsantrieben – möglich. Dies wird dadurch erreicht, dass das Versorgungs-gerät beispielsweise kapazitiv wirkt und damit induktiv wirkende Antriebe am gleichen Netz kompensiert. Bezüglich des Gesamtsystems ist damit ein cos φ ≈ 1 erreichbar.

Die Flexibilität eines intelligenten Versorgungsgerätes lässt sich also für die Reduzierung der Leistungsaufnahme aus dem Netz und der Verluste einsetzen. Hauptziel ist dabei, unnötige Ein- und Rückspeisevorgänge hoher Leistung des Versorgungsgeräts zu vermeiden, da hierbei neben der erhöhten Netzbelastung auch die Verluste aufgrund der Energieumwandlung steigen. Zur Erhöhung der Energieeffizienz des Gesamtsystems liegt es deshalb am  Maschinenbauer – denn nur er kennt die Bewegungsprofile seiner Anlage –, die Zwischenkreiskapazität so auszulegen, dass möglichst viel Energie im Zwischenkreis gehalten werden kann.

Wird die Regelung der Zwischenkreisspannung träge konfiguriert und der Stromfluss zum Netz begrenzt, so kann sich die Zwischenkreisspannung in einem weiten Bereich bewegen. Dies hat ein flexibles Energieniveau zur Folge, welches sich abhängig von Bremsenergie und Beschleunigungsenergie dynamisch anpassen kann. Hierdurch werden der mittlere Energieverbrauch gesenkt und Spitzenlasten auf der Netzseite ­vermieden. Das spielt insbesondere in Ländern mit Netzen hoher Innenimpedanz eine Rolle, weil es zur Netzstabilisierung beiträgt. Versorgungsgeräte der Indradrive-Familie von Rexroth beispielsweise stellen dem Anwender hierzu mit der Software-Funktion Smart Energy Mode ein einfaches Hilfsmittel zur richtigen Konfiguration der Regelkreise zur Verfügung.

Besonders gute Erfolge sind dabei beispielsweise bei Stanzmaschinen oder Querschneidern erzielbar, bei denen kurzzeitig hohe Spitzenleistungen und hohe Beschleunigungen beziehungsweise Verzögerungen auftreten und ein zyklischer Start-Stopp-Betrieb stattfindet. Bei einer Stanzmaschine mit 1060 Hüben/Minute konnte bei gleichbleibender Performance die mittlere Anschlussleistung auf diese Weise von 7,3 auf 5,1 kW abgesenkt werden, was einer Einsparung von 30 % entspricht. Bei der Maximalleistung der Stanzmaschine ließ sich sogar eine Einsparung von 58 % erreichen, da eine Senkung von 53 auf 22 kW möglich war.

Kinetic Buffering senkt ­Spitzenlasten

Eine zusätzliche Methode zur Senkung von Spitzenlasten ist der Einsatz von Kinetic Buffering. Hierbei wird die Energie über einen zusätzlichen Motor mit Schwungmasse in Bewegungsenergie umgewandelt, die im weiteren Prozess neben der Energie in den Zwischenkreiskapazitäten wieder zur Verfügung steht. Wie sich hierdurch die Spitzenlast effektiv reduzieren lässt, zeigt das Beispiel zweier Transfersysteme für den Teiletransport bei Pressen mit einer Spitzenleistung von je 120 kW.
Beide Systeme sind an einen gemeinsamen Zwischenkreis mit einem Versorgungsgerät angeschlossen. Zur Senkung der Spitzenleistung wurden zusätzliche Kapazitätsmodule am Zwischenkreis montiert.

Weiterhin wurde ein 89-kW-Buffer-Antrieb am Zwischenkreis angeschlossen, wodurch die Anwendung mit einem Versorgungsgerät mit einer Spitzenleistung von nur 162 kW realisiert werden konnte. Mithilfe von optimierten Parameterwerten der Regelkreise ließen sich die Leistungsspitzen im Einspeisebetrieb um 57 % und im Rückspeisebetrieb um 100 % verringern.  Eine weitere Energieeinsparung durch Reduzierung der Verluste ist beispielsweise dadurch möglich, dass das Versorgungsgerät gezielt ein- und ausgeschaltet wird. Hierfür ist eine dynamische Umschaltung der Betriebsarten einsetzbar. Abhängig vom Produktionsprozess der Maschine wird in diesem Fall gezielt Energie in den Zwischenkreis eingespeist oder ins Netz zurückgespeist. Dies hebt die Zwischenkreisspannung und damit das Energieniveau vorausschauend an oder senkt beides ab.

Zentrale und dezentrale Energiekonzepte möglich

Ist kein Energieaustausch zwischen Versorgungsnetz und Zwischenkreis erforderlich – etwa wenn ausreichend Pufferenergie im Zwischenkreis vorhanden ist –, kann die Endstufe des Netzwechselrichters deaktiviert werden. Mit dieser Maßnahme lässt sich die gesamte Verlustleistung des Netzwechselrichters einsparen, welche rund 34 % der Nenn-Verlustleistung ausmacht. Wird im Produktionsprozess dem Zwischenkreis hingegen zwischenzeitlich nur geringe motorische Leistung entnommen, so kann in den Gleichrichterbetrieb übergegangen werden. Somit ist eine Reduktion der Verlustleistung um 27 % möglich, wenn der Netzwechselrichter nicht aktiv angesteuert wird.

Das erforderliche intelligente Energiemanagement, mit den Kenntnissen des Produktionsprozesses, lässt sich mithilfe einer Steuerung realisieren. Abhängig davon, wo sich die Steuerung befindet, sind zentrale wie auch dezen­trale Energiekonzepte realisierbar. Wird ein zentrales Energiekonzept verfolgt, so werden die Sollwerte über die Führungskommunikation in Echtzeit an das Versorgungsgerät übertragen. Mit diesem Ansatz sind auch maschinenübergreifende Energiekonzepte umsetzbar.

Stehen in der übergeordneten Steuerung nicht genügend Ressourcen zur Verfügung, so ist es Stand der Technik, dass bei modernen Antriebssystemen die antriebsintegrierte SPS Teilaufgaben übernimmt. Mithilfe von herstellerseitig bereitgestellten, standardisierten Funktionsbausteinen sind die Grundfunk­tionen direkt verfügbar. Damit wird die Realisierung eines dezentralen Energiekonzepts auf dem Versorgungsgerät möglich.

Damit eine Vernetzung mit allen gängigen Steuerungen realisierbar ist, sollte das intelligente Versorgungsgerät über eine multiprotokollfähige Hardware verfügen. Hierdurch können die Ethernet-basierten Protokolle wie beispielsweise Sercos, Profinet, Ethernet/IP, Powerlink oder Ethercat flexibel ausgewählt und konfiguriert werden. Die Übertragung der Daten von der Steuerung zum Feldgerät erfolgt analog zum Antrieb abhängig von den Fähigkeiten des Feldbusses entweder bedarfsorientiert, zyklisch oder taktsynchron.

Hierdurch können Soll- und Istwerte wie beispielsweise Netzströme, Zwischenkreisspannung oder Blindleistung des Versorgers zyklisch geschrieben und gelesen werden. Weiterhin ist ebenfalls der Zugriff auf Status- und Steuerwort, Diagnose-Daten, Kennwerte des Versorgungsnetzes, Regelkreisparameter, Betriebsarteneinstellungen und lokale Ein- und Ausgänge möglich. Durch den Zugriff auf die Daten und Dienste des Versorgungsgerätes durch ein übergeordnetes System ist letztlich eine einfache vertikale Integration in das IT-System des Produktionsbetriebes umsetzbar – zum Beispiel im Hinblick auf ein produktionsanlagenübergreifendes Energiemanagement, welches zur Optimierung des Energieverbrauches beziehungsweise zur Erhöhung der Ressourceneffizienz im gesamten Betrieb grundlegend ist. Das Versorgungsgerät ist damit ein wichtiger Baustein eines cyber-physischen Systems und eine Basis für die Realisierung von Industrie 4.0 respektive einer Smart Factory.

Autor: Dr.Heiko Peter ist Entwicklungsingenieur bei Bosch Rexroth in Lohr am Main.