Suchen

Elektrische Antriebe Mit aktivem Energiemanagement die Produktivität erhöhen

| Autor: Ute Drescher

Sichere Bremswiderstände und aktives Energiemanagement elektrischer Antriebe tragen maßgeblich dazu bei, die Produktivität von Maschinen und Anlagen zu erhöhen – und sparen nebenbei auch noch Energie. Die komplett überarbeitete Gerätefamilie von Michael Koch setzt dabei vor allem auf Flexibilität.

Firmen zum Thema

Schützen vor Brownouts sowie Blackouts: Die komplett überarbeiteten aktiven Energiemanagementsysteme PxtFX und PxtRX, deren Speicherkapazität sich mit den PxtEX erweitern lassen.
Schützen vor Brownouts sowie Blackouts: Die komplett überarbeiteten aktiven Energiemanagementsysteme PxtFX und PxtRX, deren Speicherkapazität sich mit den PxtEX erweitern lassen.
(Bild: U. Drescher/konstruktionspraxis )

Maschinenbauer und produzierende Unternehmen wissen: Einen Stillstand der Produktion oder gar ihren Ausfall gilt es in jedem Fall zu vermeiden. Denn: „Die Verluste, die dabei entstehen, lassen sich in der Regel nicht wieder reinholen“, weiß auch Michael Koch, Geschäftsführer der Michael Koch GmbH. Daher spielen für Maschinenbauer ebenso wie für Maschinennutzer vor allem Eigenschaften wie Sicherheit und Zuverlässigkeit ihrer Maschinen eine entscheidende Rolle, um eine stabile Produktion zu gewährleisten oder die Produktivität zu erhöhen. „Das Thema Energieeffizienz ist in diesem Zusammenhang eher untergeordnet“, sagt Koch.

Ärgerlich, sollte man annehmen, bietet Koch doch aktive Energiemanagement-Systeme, die in erster Linie helfen, Energie zu sparen und die Energieeffizienz zu erhöhen: Alle Geräte basieren darauf, überschüssige oder notwendige elektrische Energie weitgehend netzunabhängig zwischen zu speichern.

Welches Speichermedium dafür eingesetzt wird, darüber entscheidet die Anwendung. Koch nutzt:

  • spezielle Aluminium-Elektrolytkondensatoren bei kurzen und sehr häufigen Zyklen,
  • Doppelschicht-Kondensatormodule bei höheren Energien und weniger häufigen Zyklen und
  • Batterien bei seltenen Zyklen.

Das Verbindungsteil zwischen Antrieb und Speicher ist das aktive Energiemanagementgerät oder -system.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 5 Bildern

Mehr als „nur“ Energie sparen

Doch die Geräte können weit mehr: Sie schützen auch vor sogenannten Brownouts, also starken Netzschwankungen, die Produktionsstillstände provozieren können sowie Blackouts, also dem komplette Ausfall der Netzversorgung. Und das macht sie umso interessanter für Hersteller von Antriebstechnik, Maschinenbauer sowie Maschinennutzer, die vor allem die Produktivität ihrer Maschinen und Anlagen sicherstellen wollen.

Die Erfahrungen der letzten zehn Jahre haben die Entwickler bei Koch nun in die Entwicklung der Geräte PxtFX, PxtEX und PxtRX einfließen lassen. Pxt steht dabei für „P mal t“ (gleich Energie). Die beiden aktiven Geräte mit der Bezeichnung PxtFX und PxtRX werden ergänzt um den PxtEX, eine modulare Speichereinheit mit einem oder mehreren Aluminium-Elektrolytkondensatoren. Alle Geräte haben einen Weitspannungsbereich und lassen sich unabhängig vom Hersteller der Antriebselektronik einsetzen. Das macht sie vielseitig in der Anwendung.

Brownouts ausgleichen und Produktionsprozesse beschleunigen

Grundsätzlich rekuperieren die Geräte die Bremsenergie von Maschinen. Der PxtFX kann dabei in seiner kleinsten Ausbaustufe in 1-s-Zyklen pro Betriebsstunde bis zu 1,6 kWh an Energie einsparen. Je nach Applikation erreicht das aktive Energiemanagementsystem auf der Grundlage des PxtFX Einsparungen bis gut 40 %.

Darüber hinaus lassen die Geräte sich aber auch einsetzen:

  • zum Ausgleich von Brownouts
  • den sicheren und definierten Stillstand bei Blackouts
  • die mögliche Beschleunigung von Produktionsprozessen mit Ausbringungssteigerungen bis 50 %
  • die Reduktion von Netzlastspitzen oder gar
  • den Betrieb des elektrischen Antriebs unabhängig vom Stromnetz.

Mit einer Stromlastfähigkeit von 20 A Dauer und 40 A Spitze für rund 1 min. gegenüber Speicher, der eine maximale Spannung von 450 VDC haben darf, kann der PxtFX bis 18 kW Leistung generieren. Koch stattet das Gerät ab Werk mit einem Speichervolumen von 2 oder 4 kWs aus. Serienmäßig im Gerät eingebaut ist die automatische Erkennung der Bremstransitor-Einschalt-Spannungsschwelle, die den Plug&Play-Betrieb mit allen handelsüblichen Frequenzumrichtern und Servoreglern möglich macht.

Besonders wichtig war den Entwicklern von Koch die Sicherheit der Geräte. So schützen die Sicherheitseigenschaften des PxtFX gegen Verpolung der Zwischenkreisanschlüsse, gegen das Zuschalten geladener Speicher und die Überlastung des Systems auf der Speicher- wie auch auf der Zwischenkreisseite.

Neu sind am PxtFX die SD-Speicherkarte, eine externe 24-V-Versorgung, Zustandsanzeigen per LEDs, Bootloading- und Resetmöglichkeiten sowie 6 digitale I/Os. Ein USB-Modul ergänzt die Ausgabefunktionalitäten.

Das Speichervolumen erweitern

Reicht das Speichervolumen des PxtFX nicht aus, kommt das Gerät mit der Bezeichnung PxtEX zum Zug. 2, 4 oder 6 kWs Energie kann ein einzelnes PxtEX mit den Aluminium-Elektrolytkondensatoren speichern, die speziell für aktive Energiemanagementsysteme entwickelt wurden. Per Kabel mit verpolungssicheren Steckern mit dem PxtFX verbunden, kommt die Speichererweiterung dem System direkt zu Gute.

Die einzelnen Speichereinheiten sind intern abgesichert und zeigen ihren Ladezustand auch optisch über eine blinkende LED an. In den PxtEX integriert ist serienmäßig auch ein sicherer Entladewiderstand, der dabei direkt und schnell unterstützt, das Gesamtsystem auf ein für Menschen ungefährliches Spannungsniveau zu bringen. Grundsätzlich aber sind die Systeme von Koch wartungsarm.

Ergänzendes zum Thema
Checkliste: Was Sie beim Einsatz beachten sollten

Die aktiven Energiemanagementsysteme lassen sich einfach an den Gleichstromzwischenkreis neuer oder bestehender Topologien elektrischer Antriebe (Ein- oder Mehrachssysteme, Zwischenkreisverbünde, aber auch Gleichstromnetze) anschließen.

Die zu beachtende Grundregel im Betrieb lautet

  • UZK > UC (Spannung Zwischenkreis größer Spannung Speicher)
  • Absicherung: Interne Speicher (Energiemodule) bei PxtFX/PxtEX sind intern abgesichert, externe Speicher beim PxtRX sind speziell abzusichern.

Beim Applikationsengineering geht es immer um die Leistung über die Zeit, also P x t:

  • Die notwendige Leistung bestimmt die Größe und Anzahl der aktiven Geräte.
  • Die Zeitdauer – also die erforderliche Energiemenge – bestimmt die Größe der Speicher.

Dabei bestimmen Häufigkeit und Geschwindigkeit der Lastwechsel (Ladung/Entladung pro Zeiteinheit) die Art der Speichermedien

  • Elektrolytkondensatoren im Sekundenbereich >100 Mio. Zyklen
  • Doppelschichtkondensatoren im Minutenbereich >1 Mio. Zyklen
  • Batterien im Stunden-/Tagebereich >5.000 Zyklen

Höhere Lasten anschließen

Während das Gerät PxtFX speziell für den Einsatz in Anwendungen mit Wiederholungszyklen von Millisekunden bis wenigen Sekunden konzipiert ist und dies über seine Lebensdauer weit über 100 Millionen mal schaffen können muss, ist sein größerer Bruder PxtRX für Applikationen in Verbindung mit Speichern höherer Energiedichte prädestiniert, wie Doppelschichtkondensatoren oder auch Batterien. Der PxtRX ist ausgelegt für eine Stromlastfähigkeit von 30 A Dauer und 60 A Spitze für rund 1 min. In Verbindung mit einer hohen Speicherspannung von bis zu 800 VDC ist es dem Gerät möglich, eine Leistung von knapp 50 kW zu generieren.

Reicht diese Leistung für die Applikation nicht, können mehrere PxtRX-Geräte, wie übrigens auch die PxtFX-Geräte, parallel geschaltet werden. Applikationsbezogen können so aktive Energiemanagementsysteme entstehen, die große Schaltschränke füllen. Unter der Typenbezeichnung KTS bietet Koch anschlussfertige Komplettsysteme in Schaltschränken an. Enthalten sind aktive Energiemanagementsysteme der Pxt-Familie, applikationsspezifische Speicher, die passenden Sicherungen, Verkabelung und abhängig von den eingesetzten Speichern passive oder auch aktive Entladegeräte. Eine Eigenschaft hilft dem PxtRX in solchen KTS-Schaltschranklösungen besonders: Er arbeitet auch bei Leistungslängen zum Zwischenkreis von bis zu 20 m problemlos.

Digitales Typenschild erleichtert die Arbeit

Alle Geräten haben ein digitales Typenschild. Beim Scannen des QR-Codes eines Geräts mittels einer App für Android- oder iOS-Smartphones oder Tablets werden neben den technischen Daten des spezifischen Geräts und seines konkreten Aufbaus auch Prüf- und Testprotokolle sowie die zugehörigen Dokumente wie die Montage- und Betriebsanleitung angezeigt. So können alle Nutzer des Geräts orts- und papierunabhängig auf die individuellen Dokumente und Informationen des Geräts der Pxt-Familie zugreifen. Darüber hinaus sind Verwaltungsmöglichkeiten gegeben, mit denen beispielsweise ein Maschinenbauer Geräte mit ihren jeweiligen Eigenschaften einer Maschine oder Anlage zuordnen kann.

Ergänzendes zum Thema
Die Abmessungen der Ptx-Geräte auf einen Blick

PxtFX

  • aktiver Teil ohne Speicher: 297 mm x 102 mm x 164 mm
  • aktiver Teil mit einem Energiemodul: 297 mm x 102 mm x 273 mm
  • aktiver Teil mit zwei Energiemodulen: 297 mm x 102 mm x 382 mm

PxtEX ("passive" Energiemodule, also Kondensator-Speichereinheiten)

  • Kopfteil mit einem Energiemodul: 297 mm x 102 mm x 164 mm
  • mit einem zweiten Energiemodul: 297 mm x 102 mm x 273 mm
  • mit einem dritten Energiemodul: 297 mm x 102 mm x 382 mm

PxtRX

  • aktives Gerät ohne Speicher: 380 mm x 105 mm x 214 mm

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 46386485)

Über den Autor

 Ute Drescher

Ute Drescher

Chefredakteurin, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht