Leistungselektronik & Robotics – Energieversorgung eines FTS während des Betriebs (Teil 3/5)
Ein automatisierter Materialfluss mittels FTS, sogenannten „Fahrerlosen Transportsystemen“, ist mit hohen Anschaffungskosten verbunden. Um eine rasche Amortisierung dieser Investition zu erreichen, muss für eine maximale Auslastung der Fahrzeuge gesorgt werden. Dies wird zum einen durch eine optimal auf die Rahmenbedingungen ausgelegte Lösung des Lagersystems sowie durch eine intelligente Softwaresteuerung realisiert. Zum anderen muss aber auch dafür gesorgt werden, dass die FTS durch einen möglichst effizienten Betrieb wenig Standzeiten aufgrund von Lade- oder Servicevorgängen aufweisen. Im Folgenden werden verschiedene Möglichkeiten der Effizienzsteigerung betrachtet und deren Auswirkungen auf das Design von FTS beleuchtet.
Die Entladung des Energiespeichers während dem Betrieb
Abhängig von verschiedenen Rahmenbedingungen kann die Entladung eines Energiespeichers während des Betriebs variieren. So nehmen beispielsweise die Nutzlast, die Beschleunigung und Geschwindigkeit verschiedener Tätigkeiten sowie das Streckenprofil Einfluss auf den Energieverbrauch. Intelligente Steuerungen können das Energiemanagement optimieren, indem sie den Energieverbrauch analysieren, FTS effizient zwischen ihren Einsatzorten navigieren, und die Tätigkeiten entsprechend dem Ladezustand auf verschiedene Fahrzeuge verteilen. Voraussetzung hierfür ist aber eine präzise und valide Erfassung von verschiedenen Informationen sowie deren Übermittlung an die Steuerung in Echtzeit.
Messwerterfassung und -übermittlung
Auf Grundlage erfasster Temperatur-, Strom- und Spannungswerten können bzw. müssen applikationsspezifische Entscheidungen getroffen werden. Daher ist es wichtig, die gewonnen Daten richtig zu interpretieren. So spielen z.B. die thermische Trägheit bei der Temperaturmessung, der Spannungsabfall über den ohmschen Widerstand von Leitungen bei der Spannungsmessung oder die hochfrequenten Überlagerungen beim Betrieb von Elektromotoren bei der Strommessung eine wichtige Rolle. Neben hardwareseitigen Möglichkeiten, wie Sense-Leitungen bei der Erfassung von Spannungen, können auch die Abtastrate und mathematische Filter helfen, valide Werte zu erhalten.
Werden die zur Ablaufsteuerung relevanten Daten von einer zentralen Energiemanagementeinheit in Form eines DC/DC-Wandlers erfasst, kann die Buslast bei der Kommunikation mit der Steuereinheit reduziert, ein einheitlicher Zeitstempel gewährleistet und auf kritische Betriebsbedingungen sofort reagiert werden.
Die Versorgung der Antriebe
Die Versorgungsspannung von Elektromotoren beeinflusst deren Drehmoment und Drehzahl. Auch der Wirkungsgrad des Antriebs hängt von der angelegten Spannung ab, da der Motor in der Regel so ausgelegt ist, dass er bei einer bestimmten Nennspannung optimal arbeitet. Aus diesem Grund ist für eine hohe Effizienz eine geregelte Versorgungsspannung sinnvoll, da die Klemmspannung von Energiespeichern je nach Typ und chemischer Zusammensetzung über den Ladezustand und den Strombedarf variiert.
Um eine stabile Spannungsversorgung auch bei schwankenden Lastverhältnissen zu gewährleisten, ist ein entsprechend ausgelegter DC/DC-Wandler, wie zum Beispiel der DDL4848-48, erforderlich. Auch hier kann je nach Länge der Leitungen zum Antrieb eine Kabelkompensation, also eine Anhebung der Spannung in Abhängigkeit des Stromflusses sinnvoll sein.
Effizienzsteigerung durch Rückspeisung
Wie Anfangs beschrieben, ist die Betriebszeit der FTS ausschlaggebend für die Effizienz und Amortisationsdauer des Lagers entscheidend. Daher ist es sinnvoll, Energie bei Brems- oder Absenkvorgängen nicht über Widerstände zu verheizen, sondern in den Energiespeicher zurückzuführen. Voraussetzung hierfür ist, dass der verbaute DC/DC-Wandler in der Lage ist, Energie bidirektional, also in beide Richtungen, zu transferieren. Beim Rekuperieren, also dem Rückspeisen, fungieren die Elektromotoren des Fahrzeuges als Generatoren, und verhalten sich entsprechend als Spannungsquelle. Ein geeigneter Gleichspannungswandler erkennt dies, und wechselt daraufhin die Energieflussrichtung zurück in den Energiespeicher. Je nach Ausführung und Betrieb der Fahrzeuge kann hierdurch eine Effizienzsteigerung und somit Laufzeitverlängerung bis zum nächsten Ladestopp von bis zu 40% erreicht werden.
Ein weiterer positiver Aspekt bei der Energierückspeisung ist eine geringere Wärmeentwicklung im Fahrzeug, da die Bremsenergie nicht in Wärme, sondern in elektrischer Energie umgewandelt wird.
Fazit
Insgesamt bietet die Rekuperation mittels bidirektionalem DC/DC-Wandler in AGVs eine Win-Win-Situation, indem sie die Energieeffizienz verbessert, Betriebskosten senkt, die Umweltbelastung reduziert und die Leistungsfähigkeit der Fahrzeuge optimiert.
