Bremsenergie zurückgewinnen statt verheizen: MSF-VATHAUER macht regenerative Energie industrieller Antriebe nutzbar

Was technisch notwendig sein kann, ist energetisch jedoch wenig sinnvoll: Die zuvor eingesetzte elektrische Energie wird in Verlustwärme verwandelt und muss anschließend häufig zusätzlich aus dem Schaltschrank abgeführt werden.

Mit dem Energy Recovery System (ERS) bietet MSF-VATHAUER Antriebstechnik eine Lösung, die diesen Energiefluss umkehrt. Das System nimmt die beim Bremsen, Absenken oder generatorischen Betrieb entstehende Energie über den DC-Zwischenkreis angeschlossener Frequenzumrichter auf und speist sie in das elektrische Anlagennetz zurück. So wird aus bisher ungenutzter Bremsenergie wieder nutzbare elektrische Energie.

Ein Elektromotor arbeitet nicht ausschließlich als Verbraucher. Sobald ein Antrieb beispielsweise eine bewegte Masse abbremst oder eine Last absenkt, kann der Motor generatorisch arbeiten. Die Bewegungs- beziehungsweise potenzielle Energie wird dabei in elektrische Energie umgewandelt. Diese Energie gelangt in den DC-Zwischenkreis des angeschlossenen Frequenzumrichters oder des Servoreglers. Bei konventionellen Antriebssystemen wird die überschüssige Energie häufig über einen Bremswiderstand abgeführt. Dabei entsteht Wärme. Das Energy Recovery System von MSF-VATHAUER verfolgt einen anderen Ansatz: Das ERS nutzt die generatorische Energie und führt sie dem elektrischen Anlagennetz wieder zu.

„Bremsenergie ist zunächst einmal Energie. Die Frage ist, ob wir sie als Verlust betrachten oder ob wir sie für die Anlage wieder nutzbar machen“, erklärt Dr. Marc Vathauer, Geschäftsführer von MSF-VATHAUER Antriebstechnik.

Das Energy Recovery System ist für eine Spitzenleistung von bis zu 5 kW ausgelegt. Damit eignet sich die Rückspeiseeinheit insbesondere für industrielle Anwendungen, in denen regelmäßig Brems-, Hub- oder Senkvorgänge auftreten. Der tatsächliche Energiegewinn hängt dabei vom individuellen Maschinenprofil ab. Faktoren wie bewegte Masse, Drehzahl, Bremsdauer, Anzahl der Bremsvorgänge, Lastprofil und Betriebszeit bestimmen, wie viel regenerative Energie tatsächlich zur Verfügung steht. Gerade bei Maschinen mit häufigen Bewegungswechseln kann das Rückgewinnungspotenzial erheblich sein.

Mit einem Wirkungsgrad von bis zu 98 Prozent ermöglicht das ERS eine effiziente Rückführung der regenerativen Energie in das Anlagennetz. Damit wird ein wesentlicher Teil der beim Bremsen entstehenden elektrischen Energie wieder verfügbar. Gleichzeitig kann die thermische Belastung der Anlage reduziert werden, da weniger Energie über Bremswiderstände in Wärme umgesetzt werden muss. Das ist insbesondere für kompakte Schaltschränke interessant, in denen die Verlustwärme von Bremswiderständen zusätzlich abgeführt werden muss.

Bremswiderstände haben eine klare Funktion: Sie verhindern, dass die Spannung im DC-Zwischenkreis beim generatorischen Betrieb unzulässig ansteigt. Energetisch bedeutet der Einsatz jedoch, dass regenerative Energie in Wärme umgewandelt wird. Diese Wärme bleibt nicht ohne Folgen. Sie erhöht die thermische Belastung innerhalb des Schaltschrankes und kann den Einsatz zusätzlicher Kühlmaßnahmen erforderlich machen. Je mehr regenerative Energie zurückgespeist werden kann, desto weniger Energie muss als Wärme abgeführt werden. Damit kann das System nicht nur zur Energieeinsparung beitragen, sondern gleichzeitig die thermischen Bedingungen innerhalb der elektrischen Installation verbessern.

Das Energy Recovery System kann als zentrale oder dezentrale Rückspeiseeinheit eingesetzt werden. Die Anbindung erfolgt über den herausgeführten DC-Zwischenkreis der angeschlossenen Frequenzumrichter. Damit lässt sich das System an unterschiedliche Maschinen- und Anlagenkonzepte anpassen. Bei mehreren Antrieben kann die zentrale Rückspeisung interessant sein, wenn regenerative Energie innerhalb eines gemeinsamen Antriebssystems genutzt werden soll. Bei dezentral aufgebauten Maschinen können dagegen entsprechend konfigurierte Lösungen direkt an der jeweiligen Anlage eingesetzt werden. Dieser flexible Aufbau ermöglicht es, das Rückspeisekonzept auf die vorhandene Infrastruktur abzustimmen.

Das ERS ist für Anwendungen mit Servo- und Standardantrieben geeignet, sofern die verwendeten Frequenzumrichter über einen entsprechend herausgeführten Zwischenkreis verfügen. Nicht die Art des Motors allein entscheidet über das Potenzial, sondern vor allem das Bewegungs- und Lastprofil der Maschine. Immer dann, wenn ein Antrieb regelmäßig generatorische Energie erzeugt, lohnt sich eine Betrachtung der möglichen Energierückgewinnung.

Ein besonderer Vorteil des Energy Recovery Systems ist die Möglichkeit zur Nachrüstung bestehender Anlagen. Viele industrielle Maschinen sind über Jahre oder Jahrzehnte im Einsatz. Die eigentliche Mechanik und Steuerung funktionieren zuverlässig, während gleichzeitig steigende Energiekosten und Anforderungen an die Energieeffizienz den Betreiber vor neue Herausforderungen stellen. Ein kompletter Austausch der Antriebstechnik ist in solchen Fällen nicht immer wirtschaftlich oder technisch sinnvoll. Das ERS bietet die Möglichkeit, bestehende Frequenzumrichter – sofern die erforderlichen Voraussetzungen gegeben sind – um eine Rückspeisefunktion zu ergänzen.

„Retrofit ist für uns ein wichtiger Bestandteil moderner Antriebstechnik. Eine funktionierende Maschine muss nicht zwangsläufig komplett ersetzt werden, wenn sich ihre Energieeffizienz durch eine gezielte technische Ergänzung verbessern lässt“, sagt Dr. Marc Vathauer. Damit kann die Energierückgewinnung auch für Bestandsmaschinen interessant werden.

MSF-VATHAUER bietet das Energy Recovery System in zwei Schutzartvarianten an. Die IP20-Variante ist für die Installation innerhalb eines Schaltschrankes vorgesehen.Sie eignet sich insbesondere für klassische Maschinen- und Anlagenkonzepte, bei denen die elektrische Antriebstechnik zentral im Schaltschrank untergebracht wird. Für Anwendungen, bei denen eine dezentrale Installation außerhalb eines Schaltschrankes gewünscht ist, steht das ERS auch in einer IP54-Ausführung zur Verfügung. Durch die höhere Schutzart kann diese Variante in geeigneten industriellen Umgebungen frei installiert werden. Ein zusätzlicher Schaltschrank ist dadurch für das ERS selbst nicht erforderlich. Gleichzeitig bietet die IP54-Ausführung einen zusätzlichen Schutz gegen Spritzwasser und ermöglicht damit eine flexiblere Integration in die Maschinenumgebung.

Das Energy Recovery System wurde mit Blick auf eine möglichst einfache Integration in bestehende Antriebssysteme entwickelt. Die Rückspeiseeinheit wird an den herausgeführten DC-Zwischenkreis des Frequenzumrichters angeschlossen. Eine aufwendige Anpassung der Maschinensteuerung ist für das grundlegende Rückspeisekonzept nicht erforderlich. Das erleichtert sowohl die Integration in neue Maschinen als auch die Nachrüstung bestehender Anlagen.

„Wir wollen die Energierückgewinnung nicht zu einem zusätzlichen Großprojekt machen. Wenn eine technische Lösung einfach integriert werden kann, steigt auch ihre praktische Attraktivität für den Maschinenbauer und den Betreiber“, erläutert Dr. Marc Vathauer.

Das Potenzial für Energierückgewinnung ist besonders dort interessant, wo regelmäßig große Bewegungsenergien abgebaut oder Lasten abgesenkt werden. Typische Anwendungen sind beispielsweise: Fördertechnik, Hub- und Hebeanlagen, Aufzüge, Verpackungsmaschinen oder Wickel- und Abwickelmaschinen. Auch bei vertikalen Bewegungen kann die Rückgewinnung interessant sein. Beim Absenken einer Last wird potenzielle Energie in elektrische Energie umgewandelt, die über das ERS wieder in das Anlagennetz zurückgeführt werden kann.

Das Energy Recovery System steht gleichzeitig für die Philosophie von MSF-VATHAUER: Technologie entwickeln, Anwendungen verstehen und Lösungen möglichst nah am Kunden realisieren.