Generell lässt sich durch die Kopplung mehrerer elektrischer Antriebe über einen DC-Zwischenkreis ein Energieaustausch zwischen motorisch und generatorisch betriebenen Antrieben realisieren. Das heißt, dass man die Bremsenergie eines Antriebs zur Beschleunigung eines anderen nutzen kann. Ein solcher Betrieb lohnt sich z.B. in Anwendungen, bei denen eine bewegte Last geregelt gebremst und anschließend wieder beschleunigt wird. Die physikalische Bewegungsenergie der Last bzw. ihre kinetische Energie lässt sich dann wieder in elektrische umwandeln und geht nicht als Wärme verloren. Wird allerdings mehr Energie erzeugt, als motorisch gleichzeitig benötigt wird, muss sie auch in diesem Fall über Verluste abgebaut werden; die Aufgabe übernehmen dann die Bremswiderstände. Man kann diesen Energieüberschuss aber auch temporär in Puffern speichern; so steht sie zeitversetzt für Beschleunigungsvorgänge zur Verfügung, Bremswiderstände können erheblich kleiner dimensioniert werden. Man braucht sie nur noch, wenn der Puffer keine Energie mehr aufnehmen kann.
Viele Anwendungen können profitieren
Solche Energiepuffer im Zwischenkreis sind in vielen Anwendungen sinnvoll, ganz besonders bei Maschinen mit Hybridantrieb, bei denen ein Verbrennungsmotor einen elektrischen Generator antreibt, der seinerseits dann wiederum meist mehrere Elektromotoren versorgt. Bei solchem \’Inselbetrieb\‘ ist eine Rückspeisung naturgemäß nicht möglich. Hybrid-Fahrzeuge, mobile Arbeitsmaschinen und Krane sind typische Vertreter dieser Klasse. Energiepufferung kann sich in einzelnen Fällen aber auch bei direkt am Netz betriebenen Systemen lohnen, wenn kurzfristige Lastspitzen vermieden werden sollen, z.B. bei vertikalen Fördereinrichtungen. Die Netzeinspeisung wird dann deutlich kleiner und damit preiswerter ausfallen. Für den Betreiber sinken dadurch die Netzanschlusskosten. Es lohnt sich also, sich mit der Thematik \’Energiespeicherung im Zwischenkreis\‘ auseinanderzusetzen, sowohl aus ökonomischen als auch aus ökologischen Gründen. Anwendungen, bei denen sich die Energierückspeisung und Pufferung rechnet (Bild 1), haben jedoch verschiedene Anforderungen an die eingesetzten Komponenten. Es gilt, bei der Realisierung individueller Lösungen subtil die jeweiligen Gegebenheiten zu berücksichtigen. Mit einem breit gefächerten Produktprogramm kombiniert mit jahrelanger Erfahrung und einer gehörigen Portion Know-how hat sich Refu Elektronik, Pfullingen, auf diesem Gebiet einen Namen gemacht. Alle Geräte des renommierten schwäbischen Unternehmens funktionieren auch unter rauen und erschwerten Umgebungsbedingungen zuverlässig und sind als Einzelgerät oder im Schaltschrank verbaut lieferbar. Die wichtigsten Komponenten für den Einsatzbereich \’Energiespeicherung\‘ sind Netzein- und -rückspeisegeräte, DC/DC-Steller, Frequenzumrichter, Wechselrichter und Energiespeichersysteme, die sich sehr individuell entsprechend der jeweiligen Anwendungsanforderungen miteinander kombinieren lassen (Bild 2).
Batteriesysteme und Doppelschicht-Kondensatoren
Für die Energiepufferung im Zwischenkreis (Bild 3) stehen prinzipiell unterschiedliche Möglichkeiten zur Wahl. Als Speichersysteme kommen je nach Anwendungsfall Batteriesysteme oder Doppelschicht-Kondensatoren oder auch eine Kombination aus beiden infrage. Die prinzipielle Funktionsweise ist einfach zu verstehen: Zunächst wird die von den im Generatorbetrieb arbeitenden Antrieben zurückgelieferte Energie im Zwischenkreis über einen DC-DC-Steller an das Spannungspotenzial des Speichersystems angepasst und dort eingespeichert. Die DC-DC-Steller können sowohl im Modus \’Spannungsregelung\‘ als auch im Modus \’Stromregelung\‘ und \’Leistungsgeregelt\‘ betrieben werden. Sie decken den Eingangsspannungsbereich von 300 bis 800V ab, bei Ausgangsspannungen zwischen 75 und 800V. Die Frequenzum- bzw. Wechselrichter sind für Einachsantrieb oder Gruppenantrieb konzipiert. Sie arbeiten im Leistungsbereich von 7,5 bis 250kW bei einer Ausgangsfrequenz von bis zu 700Hz. Die programmierbare interne Steuerlogik macht sie für sehr unterschiedliche Anwendungen tauglich.
Doppelschicht-Kondensatoren, bekannt auch als Supercaps, eignen sich insbesondere für kurzzeitige Speichervorgänge im Bereich einiger Sekunden und häufige Wechsel zwischen Speichern und wieder Abgeben der Energie, da sie sich schnell laden lassen und fast schlagartig die Energie wieder zur Verfügung stellen. Hinzu kommt, dass der Lade- und Entladeprozess ein rein physikalischer Vorgang ist, der nicht zu einer Veränderung der Elektrodenstruktur führt, also verschleißlos arbeitet. Dadurch sind Doppelschichtkondensatoren für Anwendungen mit kurzen und zahlreichen Zyklen geradezu prädestiniert. Für längere Speichervorgänge bieten sich hingegen Batteriesysteme an. Refu hat beispielsweise anschlussfertige Batteriesysteme im Bereich von 2 bis 240kWh im Programm, bestehend aus Lithium-Akkumulatoren. Die Batteriespannungen liegen zwischen 24 und 800V. Die Batterien sind wartungsfrei, sicher, kurzschlussfest und ihre Einbaulage ist beliebig. Außerdem überzeugen sie durch kurze Ladezeiten (Ladestrom bis 1C). Der Entladestrom beträgt bis 3C. Das heißt, die Gesamtkapazität kann innerhalb von 20min entnommen werden. Ein intelligentes Batteriemanagementsystem überwacht die einzelnen Batteriezellen und speichert die Betriebsdaten. Diese können z.B. für Servicezwecke angezeigt werden. Zur Kommunikation stehen CANopen, SAE J 1939 und RS485-Schnittstelle zur Wahl.
Reduzierter Wartungsaufwand und Downsizing
Nicht nur aus Gründen der Energieeinsparung lohnt es sich, über Energierückspeisung und -speicherung nachzudenken. Bei Anwendungen mit dieselelektrischen Generatoren, zum Beispiel bei Kranen oder mobilen Arbeitsmaschinen, kann durch die Verwendung eines Energiespeichers der Antrieb zur Erzeugung der elektrischen Energie eine Baugröße kleiner gewählt werden (\’Downsizing\‘). Gleiches gilt auch für Bremswiderstände und eventuell vorhandene Netzein- bzw. Rückspeisungen. Sich vom Spezialisten im Hinblick auf die eigene Applikation beraten zu lassen, erscheint vor diesem Hintergrund also durchaus sinnvoll.
Schwerpunkt der Firma Refu Elektronik, gegründet 1965, war von Anfang an Entwicklung und Bau von elektronischen Frequenz-Umformern. Bekannt ist das Unternehmen als Pionier für antriebstechnische Lösungen mit höchstem Qualitätsanspruch. Seit den Gründerjahren hatte man sich auf die Techniken der regelbaren Leistungselektronik und des Schaltschrankbaus spezialisiert. Später kamen Produkte wie Energiespeichersysteme und Lösungen für Elektromobilität hinzu. Das Unternehmen beschäftigt rund 130 Mitarbeiter. Die über 4.000m² Produktionsfläche bieten ausreichend Platz für Kleinserien- und Serienfertigung.
