Antriebstechnik Energierückgewinnung in der Produktion

Bild 5. Der Schwungmassenspeicher
Bild 5. Der Schwungmassenspeicher

Energieeinsparung und Spitzenlastreduktion für Produktionsmaschinen sind entscheidende Wettbewerbsfaktoren für Unternehmen. Das Fraunhofer IFF hat ein Energierückgewinnungs- system entwickelt, mit dem die Bremsenergie der Maschinen für den späteren Bedarf zwischengespeichert werden kann.

Für produzierende Unternehmen ist Energieeffizienz ein entscheidender Wettbewerbsfaktor. Der Energiebedarf mehrachsiger Produktionsmaschinen (Sondermaschinen, Roboter, Werkzeugmaschinen) wird in hohem Maße durch ständige Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge bestimmt. Daraus resultieren kurzzeitige Aufnahmen und Abgaben von Spitzenleistung, die sich in einer entsprechend hohen Anschlussleistung dieser Maschinen äußert. Die Installation und der Betrieb der benötigten Infrastruktur sind Kostenfaktoren, die reduziert werden sollen.

An ein Produktionssystem, welches aus Produktionsmaschine und Steuerung besteht, wird ein Schwungmassenspeicher mit einem neuen Ener­giemanagementkonzept angeschlossen. Der Schwungmassenspeicher nimmt die Bremsenergie der Maschine auf und speichert diese zur Unterstützung von Beschleunigungsphasen zwischen. Das Energiemanagement wird an die Maschinensteuerung gekoppelt und übernimmt die Regelung des Energiespeichers. Es umfasst eine virtuelle Steuerung mit einem gekoppelten mechatronischen Simulationsmodell.

Der Schwungmassenspeicher

Zu einem Zeitpunkt können einige Antriebe der Produktionsmaschine Energie benötigen, andere dagegen können Bremsenergie abgeben. Die Ankopplung eines Energiespeichers ist deshalb nur über den gemeinsamen Zwischenkreis der Maschine sinnvoll. Moderne Schwungmassenspeichersysteme können kostengünstig und auf kleinem Bauraum hinreichend große Energiemengen speichern. Der kompakte Aufbau und die Wirkungsweise von Schwungmassenspeichern ermöglichen wesentliche Vorteile gegenüber Akkumulatoren. Die Speicherkapazität und die Nennleistung lassen sich unabhängig voneinander festlegen und verschlechtern sich nicht im Laufe der Zeit. Das Herzstück eines Schwungmassenspeichers ist das sich drehende Schwungrad, welches aus Kohlefaserverbundringen oder aus Stahl gefertigt wird. Der im Energiespeicher integrierte Elektromotor kann elektrische Leistung in mechanische Leistung des Schwungrades umwandeln und umgekehrt.

Simulationsmodell

Produktionstechnische Mehrachsmaschinen führen in aller Regel statische Abläufe wiederholt aus, die selbst aus sukzessiven Bewegungsabschnitten bestehen. Dabei sind die nachfolgenden Zielpositionen der Achsen a priori bekannt. Während einer Bewegung ändert sich der Leistungsbedarf der Maschine stark nichtlinear; der Schwungmassenspeicher soll aber demnach geregelt werden. Der Verbrauch der Maschine muss deshalb mit einem Simulationsmodell für jeden Zeitpunkt einer anfallenden Bewegung vorberechnet werden. Um eine gute Realitätsnähe zu erreichen, wird hierfür ein mechatronisches Berechnungsmodell benötigt.

In der jüngeren Vergangenheit hat sich die Sprache Modelica zur multiphysikalischen Beschreibung technischer Systeme weltweit etabliert. In Modelica kann das detaillierte dynamische Gesamtmodell einer Produktionsmaschine, die aus Mechanik, Antriebsmodellen und Zwischenkreismodell besteht, domänenübergreifend beschrieben werden. Dieses Modell wird genutzt, um realistische Verbrauchswerte für eine anstehende Maschinenbewegung zu ermitteln.

Um den Modellbildungsprozess im Bereich Produktionsmaschinen und Sondermaschinen zu beschleunigen, wurde im Fraunhofer IFF ein teilautomatisierter Workflow geschaffen. Das Werkzeug VINCENT (Virtual Numeric Control Environment) ermöglicht eine teilautomatisierte Modellgenerierung aus STEP-CAD-Daten. Dabei wurde ein praktischer Weg gefunden, Konstruktionsinformationen samt relevanten Masseneigenschaften wie Schwerpunkt, Masse und Trägheitsmoment in ein Mehrkörpersystemmodell (MKS) zu überführen. Die Gelenke des MKS-Modells werden mit Antrieben verknüpft, die von einem gemeinsamen Zwischenkreis mit Energie versorgt werden.

Die mechatronische Modellierung im Bereich der Antriebstechnik wird von Modelica-Komponentenbibliotheken unterstützt. Dabei können Asynchron- und Synchronmaschinen zusammen mit ihren regelungstechnischen Komponenten modelliert werden. In einem Antriebsmodell werden neben dem Getriebe auch elektrische, magnetische und thermische Vorgänge mit berücksichtigt (Bild 2). Der Zusammenhang zwischen dem elektrischen Strom und dem Magnetfeld wird im Motormodell beschrieben.

Das Drehmoment des Motors wird typisch auf Basis der feldorientierten Regelung (FOC) mit Hilfe virtueller Stromsensoren geregelt. Thermische und elektromagnetische Effekte, z.B. Erwärmung der Wicklungen, Oberwellen, Sättigung, Stromverdrängung, werden auch berücksichtigt. Bei der Parametrierung des Modells können Informationen direkt aus den Datenblättern realer Antriebe übernommen werden.

Jeder Antrieb des virtuellen Maschinenmodells wird über einen DC/AC-Umrichter am gemeinsamen Zwischenkreismodell angeschlossen (Bild 3). Dort wird die Einspeisung aus dem dreiphasigen Stromnetz mit einer Diodenbrücke und dem Pufferkondensator physikalisch korrekt modelliert. Die elektrische Leistung, die während einer Bewegung aus dem Versorgungsnetz bezogen wird, wird hier mit Spannungs- und Stromsensoren ermittelt. Durch die zeitliche Integration der berechneten Gesamtleistung lässt sich der Verbrauch von simulierten Bewegungen berechnen.