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Antriebstechnik Energiemanagementsystem bringt Skifahrer sicher auf den Berg

Redakteur: Ute Drescher

Nicht nur das Design der neuen 6er-Sesselbahn in Graubündens größtem Schneesportgebiet Arosa Lenzerheide beeindruckt die Gäste. Auch die Technik in der Talstation macht die Sesselbahn ganz besonders. Frequenzumrichtergespeiste Antriebe sorgen für geschmeidige Übergänge. Mit dabei ist ein aktives Energiemanagementsystem.

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Kommt es beim Sesselbahnfahren zum Netzausfall...
Kommt es beim Sesselbahnfahren zum Netzausfall...
(Bild: Arosa Tourismus, Nina Mattli)

Graubündens größtes Schneesportgebiet Arosa Lenzerheide hat eine weitere Attraktion: Seit dem 21. Dezember 2019 befördert die neue, rund 8 Mio. SF teure 6er-Sesselbahn die Ski-Gäste nicht nur schneller, sondern auch bequemer auf den 2.444 m hohen Gipfel Brüggerhorn. Von dort aus können die Skifahrer die Abfahrt auf den Panoramapisten von Arosa starten.

Kurz vor ihrem 50-jährigen Jubiläum wurde die 49 Jahre alte 2er-Sesselbahn Brüggerhorn im schweizerischen Arosa am 7. April 2019 verabschiedet. Mit dem Kultcharakter der nostalgischen Bahn ging auch die Ära «Genussfahrten» zu Ende. Der Abbau startete umgehend nach der letzten Fahrt am 7. April. Unmittelbar danach begann der Bau der neuen, innovativen 6er Sesselbahn im Porsche Design. Es ist nicht nur das Design der Stationen und Sessel, sondern auch die Technik, die in der Talstation eingebaut ist und die neue Sesselbahn ganz besonders macht. Dort werden die Sessel vom Zugseil getrennt und durch so genannte Förderer erst zum bequemen Einstieg abgebremst und nach der Kehre wieder auf die Geschwindigkeit des Zugseils beschleunigt. Frequenzumrichtergespeiste Antriebe sorgen dabei für geschmeidige Übergänge. Mit dabei ist ein aktives Energiemanagementsystem der Michael Koch GmbH.

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Elektrisch betriebene Förderer arbeiten schneller und energieeffizienter

Für die neue Sesselbahn sprach einerseits die schnellere Beförderung der Fahrgäste und andererseits das Ziel der Betreiber, eine höhere Energieeffizienz der Anlage zu erzielen. Die Bremsenergie die beim Abbremsen der Sessel in der Talstation entsteht, kann nämlich sinnvoll genutzt werden. Dies passiert auf erstaunlich einfache Weise mit den aktiven Energiemanagementgeräten von Koch, die die Bremsenergie aufnehmen und bei Bedarf direkt wieder an die Anlage zurückgeben. Energieeffizienz ist ein aktuell wichtiges Thema, und zwar in allen Bereichen: Einerseits schont sie den eigenen Geldbeutel und andererseits wird durch ihre Steigerung auch der Umwelt etwas Gutes getan. Eine Win-win Situation für Mensch und Maschine sozusagen.

Im Winter befördern die 42 neuen, bequemen 6er-Sessel bis zu 1.600 Personen pro Stunde mit einer Geschwindigkeit von 5 m/s in knapp 5 min Fahrzeit auf das Brüggerhorn. Vorher konnten in einer Stunde nur 800 Personen in 12 min bei 2,7 m/s befördert werden. Die maximale Motorenleistung der Gesamtanlage der neuen Bahn mit einer Gesamtstrecke von 1.337 m in schräger Lage mit einer Höhendifferenz von 430 m beträgt 470 kW. Das Förderseil der Anlage ist 2,7 km lang, wiegt 21 t und ist satte 46 mm dick. Die Bahnanlage wurde darüber hinaus für die Nachtfahrtauglichkeit ausgerüstet. Damit sind die Voraussetzungen gegeben, die Sesselbahn für abendliche Anlässe wie Vollmond-Skifahren zu nutzen.

Besonderes Augenmerk lag auf dem Fall des Stromausfalls

Die Erbauer der Anlagensteuerung, die schweizerische Sisag AG, legte bei der Auslegung der Antriebssysteme der Sesselbahn mit dem neuen System der Förderer in der Talstation besonderes Augenmerk auf den Fall eines Stromausfalls. Was passiert dann mit der Anlage und den Fahrgästen? Zwei Ziele standen im Vordergrund: Bei einem Stromausfall während des Betriebs soll ein gesteuertes Abbremsen der Sessel in der Talstation erreicht werden und zwar ohne Frequenzumrichter-Fehler, durch die die Motoren der Förderer sofort drehmomentlos werden würden. Denn ein abrupter Stopp würde bei den Umrichtern aufgrund Überspannung zu einer Notabschaltung führen, die Antriebe würden austrudeln. Das zweite Ziel war, die generatorische Energie der einzelnen Förderer im Regelbetrieb der Anlage nicht durch Bremswiderstände zu vernichten, sondern diese zu rekuperieren und damit nutzbar zu machen.

Früher üblich war der Einsatz eines einfachen Bremswiderstandes für das Abbremsen in Kombination mit einer wartungsintensiven unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) auf der Drehstromseite. Wird die USV technisch nicht korrekt ausgelegt und gepflegt, steigt das Risiko der Fehlfunktion und die Förderanlage kommt im Fall einer Stromunterbrechung zu einem unsanften Stopp.

Das muss auch besser gehen, meinte ein findiger Sisag Mitarbeiter und suchte nach passenden Lösungen, die er auf der Homepage der Michael Koch GmbH aus Ubstadt-Weiher in Deutschland fand. Er nahm den Hörer in die Hand und wurde über die Zentrale direkt zum richtigen Ansprechpartner weitergeleitet. Nach einem kurzen, fachmännischen Gespräch und einem internen Applikationsengineering legte Koch Sisag eine anlagenindividuelle Energiemanagementsystem-Lösung vor, die nach einer ersten internen Prüfung bei Sisag optimiert und für gut befunden wurde. Der Einsatz in der neuen Brüggerhorn Sesselbahn war beschlossene Sache. Tritt nun während des Bahnbetriebs ein Netzausfall ein, ist dies mit dem direkt auf die Frequenzumrichter wirkenden aktiven Energiemanagementsystem von Koch kein Problem mehr.

Kontrollierter Stopp und problemloser Wiederanlauf

Fällt die Stromversorgung aus dem Netz aus, benötigt die Förderanlage der Talstation, die antriebstechnisch in keinem direkten Zusammenhang mit dem Hauptantrieb des Zugseils steht, unmittelbar für eine kurze Zeit die höchste Leistung. Beim Applikationsengineering ging Koch vom Worst-case-Szenario aus und berechnete für den Verbund der eingesetzten Frequenzumrichter eine Spitzenleistung von 19 kW. Die benötigte Energie beträgt 26,2 kWs für einen kurzen Zeitraum von 1,4 s, um die Sesselbahn auch in der Förderanlage in einen kontrollierten Stopp zu fahren - und zwar so, dass es sowohl für Anlage und die sich darin befindlichen Personen reibungslos abläuft.

Das aktive Energiemanagementsystem von Koch besteht in dieser Anwendung aus einem Dynamischen Speicher-Manager DSM 4.0 und fünf Doppelschichtkondensator-Modulen, auch Supercap-Module genannt, als Speichermedien. Mit dieser Lösung stellt Koch sicher, dass die benötigte Energie von 26,2 Kilowattsekunden ständig verfügbar ist. Des Weiteren führt das aktive Energiemanagementsystem von Koch zu einer Energieeinsparung von rund 3,6 Kilowattstunden pro Tag, da die anfallende generatorische Bremsenergie beim Beschleunigungsvorgang der Sessel in die Bahn wieder zur Verfügung gestellt wird. Bei Anlagen, zum Beispiel bei Gondelbahnen, mit denen Passagiere auch abwärtsfahren und somit mehr Tallast entsteht, kann noch deutlich mehr Energie eingespart werden.

Trotz fehlender Stromversorgung werden im Falle eines Netzausfalls alle Förderanlagen-Antriebe der Sesselbahn dank des DSM 4.0 von Koch weiter mit der benötigten Energie versorgt. Nachdem der Strom aus dem Netz wieder zur Verfügung steht, kann die Anlage sofort wieder problemlos in Betrieb gesetzt werden. Gleichzeitig wird das aktive Energiemanagementsystem von Koch für den nächsten Stromausfall wieder schonend aufgeladen, um die Ladeschaltung des Frequenzumrichtersystems nicht zu überlasten.

Verbindung zwischen Speicher und Frequenzumrichter hergestellt

Frequenzumrichter oder Servoregler sind in der elektrischen Antriebstechnik die befehlsgebende Instanz in einem elektrischen Antriebsystem. Da solche Geräte den Wechselstrom aus dem Netz erst in Gleichstrom und diesen dann in den passenden Wechselstrom für den Motor umwandeln, werden sie Frequenzumrichter genannt. In der Folge erzeugt dann dieser „umgerichtete Wechselstrom“ im Antrieb die gewünschte Richtung und Geschwindigkeit. Für die Funktionalität des Umrichters ist daher das Management des Energieniveaus bzw. -haushalts von großer Bedeutung. Genau hier setzt das aktive Energiemanagementsystem von Koch an: Es steuert den Energiehaushalt des Stations-/Fahrzeugförderer der Talstation.

Das aktive Energiemanagementsystem liefert Koch auf Wunsch des Kunden als komplette Turnkey-Schaltschranklösung, die mit dem Kürzel KTS bezeichnet wird. Der DSM 4.0 ist jedoch das Herz des ganzen Systems und die aktive Verbindung zwischen elektrischen Speichern und dem internen Gleichstromnetz des Umrichters. Was auch immer der Energiehaushalt des Umrichters dem DSM 4.0 an Aufgaben stellt, der Dynamische Speicher-Manager führt sie so schnell aus, dass es für die Maschine quasi unbemerkt abläuft. Der DSM 4.0 sorgt in jeder Situation dafür, dass die optimale Leistung über die Zeit zur Verfügung steht. Und zwar in beide Richtungen: Antreibend oder bremsend.

Die Applikation entscheidet über Speichermedium und Auslegung

Wenn der Frequenzumrichter wegen des Netzausfalls nicht mehr ausreichend mit Energie versorgt wird, übernimmt der DSM 4.0 diese Funktion und hält den Antrieb gemäß der definierten Vorgabe aus seinen Speichern heraus am Laufen. Im beschriebenen Anwendungsfall sind Supercaps als Speichermedium wegen der hohen Energiedichte und kurzen Lade-/Entladezeiten am besten geeignet. In anderen Fällen können auch Speichermedien wie Batterien oder Elektrolytkondensatoren zum Einsatz kommen. Es entscheiden die Applikationsanforderungen in Sachen Leistung und Zeitdauer. Der Dynamische Speicher-Manager DSM 4.0 beherrscht die energetischen Aufgaben und die entsprechenden Speichertypen gleichermaßen.

Der DSM 4.0 neutralisiert Spannungsschwankungen sowie ungeplante oder auch geplante Netzunterbrechungen. Die aktiven Energiemanagementsysteme von Koch stellen somit in der beschriebenen Anwendung überraschend einfach sicher, was die elektrische Sesselbahn zur Erfüllung ihrer Aufgaben auch im Fall eines Spannungseinbruchs braucht: Die stets passende notwendige Energiemenge. Eine relativ kleine Investition in ein aktives Energiemanagementsystem lohnt sich angesichts der vermeidbaren Ausfälle in kurzer Zeit.

Die konkrete technische Auslegung erfolgt über Simulationen der realen Belastungsprofile in der konkreten Systemumgebung. Koch bietet hierfür ein Tool an, das im Internet frei verfügbar ist. Nach Eingabe einiger weniger Anwendungsparameter ermittelt das Tool einen ersten Lösungsvorschlag, der dann Grundlage für die weitere Definition des passenden Systems darstellt. Anwendungsspezifisch stellt Koch durch sein erfahrenes Vertriebsteam die Konfiguration zusammen und liefert komplett mit Speicher und Absicherung aus. In enger Zusammenarbeit mit dem Kunden wird dabei auf der Grundlage eines Worst-case-Szenarios, das ausgiebig untersucht und analysiert wird, die endgültige System-Konfiguration festgelegt. Im konkreten Fall wird die Bedingung, dass die Sesselbahn bei Netzunterbrechung zum kontrollierten Stillstand kommt und danach wieder problemlos anfährt, in jeder Situation erfüllt.

Plug & Play im besten Sinn

Die einzelnen Geräte und Komponenten von Koch werden in Bezug auf den definierten Einsatzfall konfiguriert und die Parameter schon direkt ab Werk abschließend eingestellt. Eingängige Tests der einzelnen Produktionsschritte und eine umfassende Abschlussprüfung vor der Auslieferung gewährleisten ein sicher funktionierendes aktives Energiemanagementsystem. In dieser Art ausgeliefert, braucht es vor Ort bei der Montage nur noch elektrisch angeschlossen werden und schon ist das System aus Dynamischen Speicher Managern DSM 4.0 und Doppelschicht-Kondensatormodulen betriebsbereit. Es ist also weder eine aufwändige Inbetriebnahme noch Programmieraufwand notwendig. Kurz: Echtes Plug & Play!

Nach der Montage und elektrischer Verbindung kann es direkt losgehen. Die Projektrealisierung erfolgt mit minimiertem Aufwand. Es ist eine sehr konkret auf die Anwendung zugeschnittene Lösung, oder mit anderen Worten eine Realisierung zu optimierten Kosten. Dazu kommt, dass der Betrieb der aktiven Energiemanagementsysteme von Koch wartungsfrei ist. Sollte sich doch unerwarteter Weise ein Problem im System oder bei einer Komponente ankündigen, dann meldet sich der DSM 4.0 und weist Industrie 4.0-tauglich auf mögliche kommende Risiken hin.

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