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Energiepuffer

Energiepuffer für Drive Controller

Elektromotoren beschleunigen und bremsen fast ständig. Statt überschüssige Energie nutzlos in Bremswiderständen verpuffen zu lassen, kann der Zwischenkreisspeicher KTS von Koch nicht nur die Energieeffizienz der Antriebe erhöhen, sondern auch die Lastspitzen reduzieren.

02. Oktober 2018
Das Energiemanagementsystem KTS der Michael Koch GmbH ist komfortabel zu bedienen und löst viele Anforderungen auf elegante Art und Weise. In Verbindung mit elektrischer Antriebstechnik findet es seinen Einsatz in vielen Branchen. (Bild: © Michael Koch)

Im Zyklus eines Produktionsprozesses beschleunigen und bremsen Elektromotoren fast ständig, in vielen Fällen wie etwa in Mehrachs-Knickarmrobotern ändern sie auch häufig ihre Drehrichtung. Elektrische Energie wird aus dem Netz angefordert, aber auch immer wieder bei Geschwindigkeitsreduzierung vom Motor erzeugt. Im Gleichstromzwischenkreis des Drive Controllers pulsiert die Spannung über mehrere Hundert Volt hinweg. Neben Bremswiderständen oder einer Netzrückspeisung gibt es bei Überspannung die Möglichkeit der aktiven Erweiterung der Zwischenkreiskapazität. Diese hat den Vorteil gegenüber anderen Technologien, dass sie über die Verarbeitung generatorischer Energie noch weit mehr leisten kann.

Die Erhöhung der Energieeffizienz elektrischer Antriebssysteme hat globale Bedeutung. Allein in Deutschland beträgt der Anteil der in der Industrie für elektrische Antriebe eingesetzten Energie rund 70 Prozent. Beim aktuellen Erzeugermix hilft jeder reduzierte Prozentpunkt, die Ursachen des menschlichen Anteils am Klimawandel zu bekämpfen. Die Krux dabei: Der elektrische Strom ist schlicht zu billig, als dass die Reduzierung der Stromrechnung allein für die Industrie von Interesse wäre – die Amortisationszeiten der Investitionssumme sind dafür oft zu lang. Also muss eine technische Lösung zumindest bei relativ kurzen, zyklischen Produktionsprozessen noch weitere geldwerte Nutzen stiften, um zum Zug zu kommen. Die dynamischen Energiespeicherlösungen der Michael Koch GmbH liefern diese, und zwar von schuhschachtelgroßen Geräten bis schaltschrankgroßen Systemen.

Erhöhung der Energieeffizienz alleine reicht nicht

Erhöhung der Energieeffizienz alleine reicht nicht

In der Regel werden deshalb neben dem Management von Brems- oder generatorischer Energie, also der direkten Erhöhung der Energieeffizienz, drei weitere Haupteinsatzfälle diskret oder auch in Kombination nachgefragt. Diese sind die Reduzierung von Lastspitzen für das Versorgungsnetz, das Management von Spannungsschwankungen bis hin zu Netzausfällen sowie als weiterer Fall das Ermöglichen eines weitgehend netzunabhängigen Betriebs an sich. Die kompakten Einzelgeräte von Koch auf Kondensatorbasis können all diese Anforderungen genauso erfüllen, wie die Systeme, die auf dem Dynamischen Speicher-Manager DSM 4.0 aufbauen.

Der DSM 4.0 ist die aktive Verbindung zwischen elektrischen Speichern und dem Gleichstromzwischenkreis des Drive Controllers. Er bedient sich ebenfalls großer Elektrolytkondensatoren, aber auch Superkondensatoren oder Batterien.

Anschaulich wird die Auswahl, Flexibilität und Leistungsfähigkeit der dynamischen Energiespeicherlösungen von Koch anhand des folgenden Beispiels: Für einen Produktionszyklus von drei Sekunden in der Spitze benötigt eine Maschine 53 Kilowatt Leistung, im Mittel über die Zeit rund 25 Kilowatt, also eine Energiemenge von 75 Kilojoule pro Zyklus. Die Forderungen sind also dreifaltig: 1. Lastspitzenreduzierung: Die regelmäßige Leistungsaufnahme aus dem Netz soll 25 Kilowatt nicht übersteigen. 2. Erhöhung der Energieeffizienz durch die Zwischenspeicherung generatorischer Energie sowie 3. das Abfangen von Netzstörungen: Ein Produktionszyklus soll bei Ausfall der Stromversorgung noch zu Ende gebracht werden. Alle drei Forderungen sind Aufgaben, die das modulare Energiespeicher- bzw. Energiemanagementsystem KTS der Michael Koch GmbH erledigen kann.

Kaskadierbares modulares System

Die Lösung der Aufgabenstellungen erfolgt mit Hilfe eines umfangreichen Systems von Einzelmodulen, die applikationsspezifisch zusammengestellt und dann komplett konfiguriert und anschlussfertig im Schaltschrank ausgeliefert werden. Eingängige Tests der einzelnen Produktionsschritte und eine umfassende Abschlussprüfung vor der Auslieferung gewährleisten ein anforderungsgerechtes KTS-System. In dieser Art ausgeliefert, bedarf es vor Ort bei der Montage nur noch des elektrischen Anschlusses und der KTS ist betriebsbereit. Es ist also weder eine aufwändige Inbetriebnahme noch Programmieraufwand notwendig. Kurz: Plug & Play!

Abhängig von der geforderten Spitzenleistung wird die Anzahl der einzusetzenden DSM 4.0-Geräte bestimmt. Sie sind ohne weiteren Konfigurationsaufwand und damit sehr einfach zu kaskadieren – Spitzenleistungen bis über 200 Kilowatt sind realisierbar. Die andere Seite des Systems bilden die Speichereinheiten. Für sie gelten als Auswahlkriterien die Häufigkeit und Dauer der Zyklen sowie die notwendige Energiemenge. Der DSM 4.0 beherrscht für extrem schnelle und häufige Zyklen mit kleineren Energiemengen Elektrolytkondensatoren, für seltene aber energiereiche Zyklen Batterien. Den Mittelweg bilden Superkondensatoren, die bei den KTS-Lösungen von Koch bevorzugt in Modulen zum Einsatz kommen, die aus mehreren einzelnen Superkondensatoren bestehen. Mit ihnen können KTS-Systeme abgebildet werden, die ein sehr breites Spektrum in Leistung und Energiemenge und damit auch an konkreten Einsatzfällen mit entsprechenden Nutzenvorteilen abdecken.

Tools helfen bei der Auslegung

Die jeweilige 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. Neben den eigentlichen Applikationsanforderungen bestehen eventuell noch individuelle Wünsche oder der Wille, zur Erhöhung der Sicherheit für Montage- und Wartungspersonal eine sichere, weil schaltbare Entladungsmöglichkeit für die Energiespeicher mit eingebaut zu haben. Die überlastsichere Entladeeinheit SDU aus dem Hause Koch wurde speziell für diesen Einsatzfall entwickelt. Oder es sollen zudem 24 Volt DC-Netze versorgt werden. Auch dafür gibt es passende Komponenten.

Ein weiterer Weg der Auslegung bietet das mächtige Auslegungswerkzeug Servosoft der ControlEng Corporation. Vielachsige Servo-Antriebssysteme sind hier berechenbar nach dem Motto „von der Last zum Stecker“. Die dynamischen Energiespeicherlösungen von Koch sind integrativer Bestandteil des Tools und können bedarfsgerecht dem errechneten Antriebssystem zugeordnet werden. Schon zu diesem Zeitpunkt werden in beiden Fällen die zu erwartenden Nutzen des Energiespeichersystems deutlich und konkret bezifferbar.

Individualisierter KTS als Ergebnis

Beim geschilderten Fall einigten sich Kunde und Koch auf eine KTS-Konfiguration mit vier DSM 4.0 und sechs Supercap-Modulen mit einer Energiemenge von insgesamt ca. einem Megajoule, 24 Volt-Notstrom-Energieversorgungen NEV für Steuerung und Sensorik sowie zuschaltbare überlastsichere Entladeeinheiten SDU für den Fall, dass die Energiespeicher auch einmal entladen werden müssten. Komplett montiert und anschlussfertig verdrahtet in einem Schaltschrank der Größe H x B x T von 2.000 x 600 x 600 Milimeter. Alle Details, alle Prüfungen und Ergebnisse sind dokumentiert und bis auf Einzelkomponenten hinunter nachvollziehbar. Die konkret gestellten Aufgaben sind erfüllt. hjs

Erschienen in Ausgabe: Nr. 07 /2018