Energiemanagement Energiehaushalt elektrischer Antriebe regeln

Energiekosten steigen stetig, deshalb haben immer mehr Unternehmen die Ressource Energie im Blick. Dabei können die Energiemanagementsysteme Pxt von Koch helfen: Lastspitzen begrenzen, unterbrechungsfreie Stromversorgung sicherstellen oder Energie zwischenspeichern – all das ist möglich.

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Michael Koch GmbH

Vorsorge beim Umgang mit der hochwertigen Ressource Energie hat bei elektrischen Antrieben nicht nur etwas mit Energieeffizienz zu tun. In Richtung Maschine sind Sicherheit, verringerter Ausschuss oder auch minimale Wiederanlaufzeit wichtige Themen. In Richtung Stromnetz können Fragestellungen der Stabilisierung der Netzversorgung und sogar die nachhaltige Begrenzung der Netzlast bedeutende Rollen spielen. Mit einem aktiven Energiemanagement durch Geräte der Pxt-Familie der Michael Koch GmbH, die den Energiehaushalt eines Antriebs per Strom, Spannung und Speicher aktiv regeln, sind Antriebe gegen Überraschungen geschützt.

Wie man sich den Einsatz solcher Geräte vorstellen kann, zeigen drei beispielhafte Fälle:

• Fall 1: Eine Presse fährt im Sekundentakt auf und ab. Dabei fallen im oberen Totpunkt mehrere Kilojoule regenerativer Energie an. Üblicherweise ist dies ein Fall für einen sicheren Bremswiderstand. Wird die Energie aber von einem aktiven Energiemanagementgerät zwischengespeichert, steigert das die Energieeffizienz der Maschine deutlich.

• Fall 2: Eine Abfüllanlage mit Glasflaschen fährt im Hochgeschwindigkeitsbetrieb. Bei Stromausfall kommt es jedoch zu asynchronen Drehungen der Sternenräder, sodass Glasflaschen zu Bruch gehen, einige Flaschenaufnehmer zerstört werden. Ein Pxt-Gerät verhindert dieses Szenario. Es wirkt als unterbrechungsfreie Stromversorgung und hält die Synchronität stabil, bis die Maschine in einen geordneten Stillstand kommt.

• Fall 3: Nur in regelmäßigen Abständen braucht der Maschinenantrieb die Stromstärke, auf die seine gesamte Infrastruktur bis zum Netz ausgelegt ist. Die über die Zeit aufgenommene effektive Leistung liegt aber deutlich darunter. Ein Pxt-System kann diese Lastspitzenreduktion in direkter Zusammenarbeit mit dem Umrichter des Antriebs gesteuert umsetzen. Es kann die Lastspitzenbegrenzung mithilfe eines Aufsteckmoduls aber auch eigenständig per Plug and play regeln. Die elektrische Infrastruktur des Antriebs kann darauf abgestimmt und reduziert werden.

Spannungsschwankungen im Antrieb ausgleichen

Diese drei Fälle bilden bereits ein sehr großes Spektrum von Anwendungen ab, das mithilfe aktiver Energiemanagementsysteme von Koch optimiert werden kann. Doch es gibt noch weit mehr, denn mit entsprechend großen Speichern können auch längere Netzausfälle überbrückt oder gar ein netzunabhängiger Betrieb gewährleistet werden. So gleichen die Pxt-Geräte bei sehr schnellen Richtungswechseln von hochdynamischen Maschinen die massiven Spannungsschwankungen im Antrieb aus und schützen so vor vorzeitiger Alterung. Mit den Geräten kann die Spannung im System hochgehalten werden, wodurch bei gleicher Stromstärke eine deutlich höhere Leistung abgerufen werden kann. Diese Aufzählung, die noch erweitert werden kann, macht deutlich, dass die Einsatzfälle mannigfaltig und auch sehr individuell sein können. Eine wesentliche Stärke der Gerätefamilie ist es, eben diese Breite abdecken zu können.

Pxt ist ein modulares System, das aus aktiven Geräten, elektrischen Speichern, einem optionalen Regelgerät und weiteren Optionen bis hin zum anschlussfertigen Schaltschranksystem besteht. Als Peripheriegerät von Umrichtern zum direkten Anschluss an deren Zwischenkreis konzipiert, startet das Angebot von der Antriebsunterstützung im Kilowattbereich und reicht bis zu einer rechnerischen Spitzenleistung von knapp 400 Kilowatt. Das setzen Geräte mit der Bezeichnung Pxt FX um, die 20 Ampere Dauerstrom oder 40 Ampere Spitzenstrom für eine Minute schaffen und die besonders für den Betrieb mit Elektrolytkondensatoren entwickelt wurden. Der „größere Bruder“ Pxt RX kann 30 bzw. 60 Ampere (45 Sekunden) leisten und ist für den Betrieb mit Doppelschichtkondensator-Modulen konzipiert.

Beide Modelle kann man in Reihe schalten – theoretisch unbegrenzt viele Geräte. Die Leistung vervielfacht sich mit der Anzahl der Geräte. Ähnlich kaskadierbar sind die elektrischen Speicher. Die speziell für den Einsatzfall des aktiven Energiemanagements entwickelten Elektrolytkondensatoren stellen pro Stück zwei Kilojoule Energie, die sich weit über 100 Millionen Mal laden und entladen lassen. Die von Koch freigegebenen Doppelschichtkondensator-Module reichen bis gut 250 Kilojoule Energie pro Modul.

Applikation bestimmt Dimensionierung des Systems

Vor diesen Hintergründen ist es nachvollziehbar, dass die Applikation – also die Bedingungen und Zielsetzung – für den konkreten Antrieb die entscheidende Rolle spielt. Vordergründig sind die Verhältnisse in Bezug auf Leistung und Energie schnell verständlich: Geht es bei der gleichen Maschine darum, die Energieeffizienz zu steigern, ist ein leistungsstarkes System mit relativ wenig Speicher die Lösung. Will man Lastspitzen reduzieren, wird die Dimension des Systems bei Leistung und Energie (also der Speicher) umso größer, je höher die Lastspitzenreduktion ausfallen soll. Wird hingegen eine Stromversorgung für die Fälle Spannungsschwankungen oder Netzausfälle konzipiert, bleibt die Anzahl der aktiven Geräte gleich, das Volumen der Speicher aber größer, je länger ein Ausfall überbrückt werden soll.

Doch dem Applikationsengineering kommt aufgrund weiterer Einflüsse eine bedeutende Rolle zu. So gilt Leistung als Produkt aus Spannung und Strom beidseitig, also in Richtung Antrieb ebenso wie in Richtung Speicher. Das heißt konkret, dass der Speicher auch im schlechtesten Fall noch genügend Spannung haben muss, um bei Erreichen der maximalen Stromgrenze des aktiven Pxt-Geräts die erforderliche Leistung zur Verfügung stellen zu können. Was kompliziert klingt, wird mithilfe des Auslegungstools oder der Unterstützung durch die Spezialisten von Koch fast zum Kinderspiel.

Der „Zauberteppich“ des Dubai Eye, der den Gästen des Riesenrades als mitfahrender Boden einen sicheren Ein- und Ausstieg gewährleistet, wird bis zum Stillstand des Riesenrads durch ein Pxt-System mit einem Pxt FX und fünf Energiemodulen dann weiter mit Energie versorgt, wenn die Stromversorgung unterbrochen ist. Ebenso wurden die Spinnmaschinen eines führenden Herstellers, die über 200 Spindeln verfügt, mit jeweils zwei Pxt FX mit insgesamt vier Energiemodulen ausgerüstet, um Spannungsschwankungen zu überbrücken. Extrem schnell oszillierende Schneidmaschinen für Fisch und Fleisch funktionieren stabil mit einem Pxt FX mit zwei Kilojoule Energie an Bord. Hochregalbediengeräte dagegen benötigen aufgrund ihrer höheren Leistungsanforderungen meistens die passenden Kombinationen aus einem oder mehreren leistungsstärkeren Pxt RX in Verbindung mit der notwendigen Anzahl an Doppelschichtkondensator-Modulen.

Elektrische Antriebe

Energie elektrischer Antriebe zwischenspeichern und nutzen

Digitale Assistenten für den Datenaustausch

Neben dem Auslegungstool sind zwei weitere software-basierte Features wesentliche Bausteine der Pxt-Gerätefamilie: Pxt Typeplate und Pxt Terminal. Über Pxt Typeplate, das digitale Typenschild, werden nach dem Scannen des QR-Codes eines Geräts über eine App neben den technischen Daten des spezifischen Geräts auch der konkrete Aufbau sowie die Prüf- und Testprotokolle angezeigt. Zugehörige Dokumente wie die Montage- und Betriebsanleitung stehen zum Download bereit. So können alle Nutzer des Geräts orts- und papierunabhängig auf die individuellen Dokumente und Informationen der Geräte der Pxt-Familie zugreifen.

Über Pxt Terminal wird der Einsatz in Echtzeit visualisiert. Mit diesem Tool lassen sich die aktiven Energiemanagementgeräte und -systeme der Pxt-Geräte auch parametrieren und überwachen. Angezeigt werden Gerätedaten, die eingestellten Parameter, Geräte- und Fehlerstatus sowie die dynamischen Daten der Anwendung in Echtzeit. Die Daten können hier direkt beobachtet und analysiert werden. Man kann sie aber auch als Logdateien abspeichern und im Nachgang selbst bewerten oder von Koch analysieren lassen.

Der „Aufpasser“ sorgt für automatische Reduktion von Lastspitzen

PxtMX ist das „kleine, schlaue Kästchen“, das auf ein aktives Pxt-Gerät aufgesteckt wird. Es ermöglicht unter anderem eine geregelte Strombegrenzung aus dem Netz. Koch nennt dies Enhanced Power Supply oder kurz EPS. Nach Anschluss der mitgelieferten Strommesssensoren für die drei Phasen und die amperegenaue Eingabe des gewünschten Maximalwerts für den Netzstrom ist sichergestellt, dass die erforderliche Energie für darüber hinausgehende Lastspitzen der Maschine aus dem aktiven Pxt-Energiemanagementsystem und nicht aus dem Stromnetz kommt. Der Mess- und damit Regelbereich des Pxt MX reicht bis 100 Ampere Netzstrom. Viele Anwendungen mit geringerem Effektivstromwert können mit seiner Hilfe und dem verbundenen Pxt-System beispielsweise unter die Nennstromgrenzen der Sicherungen zum Stromnetz von 63 oder 32 Ampere gebracht werden – fast per Plug and play.

Der Pxt MX ermöglicht darüber hinaus die Integration von Pxt-Geräten und -Systemen in Feldbusnetze. Im ersten Schritt wird Ethercat angeboten. Das Aufsteckmodul Pxt MX sorgt für die weitere Kommunikation und Bearbeitung innerhalb des aktiven Pxt-Systems. Aus dem System, das bislang in der Peripherie eines Antriebs positioniert war, wird dadurch ein direkter Ansprechpartner einer übergeordneten Steuerung mit allen Möglichkeiten, die damit verbunden sind.

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* Michael Koch ist geschäftsführender Gesellschafter bei der Michael Koch GmbH in 76698 Ubstadt-Weiher, Tel. +49 7251 9626200, mail@bremsenergie.de

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