Gleichstromnetz Flexibler Energie-Manager beruhigt Netz und Nerven

Redakteur: Ines Stotz

Maschinenausfälle, etwa bei Netzschwankungen, kann sich heute niemand mehr leisten. Umweltbelastung ist auch ein Thema. Und wer noch immer an hohen Stromkosten durch ineffiziente Antriebstechnik leidet, sollte ein neues Gerät von Koch in Betracht ziehen. Es sitzt mitten im Herzen des Antriebssystems und kümmert sich um den Energiehaushalt.

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Der Dynamische Speicher-Manager DSM 4.0 kann mit drei elektrischen Speichermedien arbeiten und eignet sich so für die Antriebstechnik in allen Branchen.
Der Dynamische Speicher-Manager DSM 4.0 kann mit drei elektrischen Speichermedien arbeiten und eignet sich so für die Antriebstechnik in allen Branchen.
(Bild: Koch)

Die elektrische Antriebstechnik im Maschinenbau funktioniert heute sehr häufig über Drive Controller, dem Befehlsgeber des Antriebs. Diese Geräte werden landläufig Umrichter genannt, weil sie den Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom wandeln, den sie dann wiederum in den passenden Wechselstrom umrichten, der im Antrieb die gewünschte Richtung und Geschwindigkeit erzeugt. Die Phase des Gleichstroms erlebt die Energie im sogenannten Gleichstromzwischenkreis, dem Herz des Drive Controllers. Genau dort, mitten im Herzen des Antriebssystems setzt ein neues Gerät an, das sich um den Energiehaushalt des Drive Controllers kümmert. Mit dem Dynamischen Speicher-Manager DSM 4.0 liefert die Michael Koch GmbH aus dem badischen Ubstadt-Weiher den entscheidenden Baustein für einen weitgehend sorgenfreien Betrieb.

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Der Freund des Gleichstromzwischenkreises

Der Dynamische Speicher-Manager DSM 4.0 ist die aktive Verbindung zwischen elektrischen Speichern und dem Gleichstromnetz des Drive Controllers, das dort Gleichstromzwischenkreis heißt. „Was immer dieser Gleichstromzwischenkreis an Aufgaben für den DSM 4.0 bringt, der Dynamische Speicher-Manager von Koch wird sie erfüllen“, sagt der Geschäftsführende Gesellschafter Michael Koch. „Und zwar schnell. So schnell, dass es für Mensch und Maschine unbemerkt von statten ginge, würde der DSM 4.0 nicht mit dem Drive Controller oder einer übergeordneten Steuerung kommunizieren.“

Er beschreibt die Einsatzfälle und mit ihnen die Vorteile des Geräts als sehr vielfältig und breit gespannt. „Deshalb ist um den Dynamischen Speicher-Manager herum ein solides System gebaut, so dass sich die Dimensionen Leistung, Energie und Einsatzhäufigkeit in sehr verschiedenen Applikationen abdecken lassen.“ Anwendungsspezifisch wird die Konfiguration zusammengestellt und komplett mit Speicher und Absicherung geliefert. Fehlt der Platz im Schaltschrank, bietet Koch auch komplett montierte und verschaltete Technologieschränke an, die nur noch angeschlossen werden müssen. Im Wesentlichen werden vier Haupteinsatzfälle genannt:

Bremsenergie managen führt auch zu mehr Produktivität

1. Kurze Zyklen und sehr häufige Wiederholungen: Der klassische Fall einer Bremsenergie-Pufferfunktion, den der DSM 4.0 bestens beherrscht. Die Erhöhung der Energieeffizienz ist das offensichtliche Ergebnis. So nimmt er automatisch Bremsenergie aus dem System, die ansonsten einen Spannungshub erzeugen würde und liefert diese Energie bei Bedarf zurück in den Drive Controller, wobei er dies auch auf Anforderung umsetzt. Eben in einer Weise, wie es für die Anwendung am besten ist. Eher verborgen sind weitere Vorteile, die dadurch erreicht werden, dass er für Ruhe und Ausgeglichenheit im Gleichstromzwischenkreis sorgt. Der DSM 4.0 schont damit nämlich die Antriebselektronik insbesondere bei sehr kurzen Zyklen derart stark, dass deren Lebensdauer deutlich verlängert und ungeplante Stillstandzeiten minimiert werden.

Das kann sogar den Effekt haben, dass schneller gefahren werden kann, sofern es die Mechanik zulässt. Eine schneller laufende Maschine bedeutet höhere Stückzahlen und somit eine höhere Produktivität. Dieses Argument wiegt oft mehr als die ursprüngliche Zielsetzung der erhöhten Energieeffizienz. In dieser Anwendung sind weit über 100 Mio. Zyklen möglich, d.h. die Zykluszeit ist oft kürzer als eine Sekunde. Dann kommen als Speichermedien Aluminium-Elektrolytkondensatoren zum Einsatz, die ab 1,4 kWs oder ein Vielfaches davon als Energievolumen haben. Die Speicher mit der Typenbezeichnung EM bringen eine Absicherung, eine Überwachung des Ladezustands sowie eine Entlademöglichkeit über besonders sichere eingebaute Entladewiderstände in PTC-Technologie mit. Sie sind einfach über Steckverbinder kaskadierbar und wartungsfrei.

Weniger Lastspitzen sparen Kosten

2. Kurz anstehende Antriebslasten verursachen unerwünschte Effekte auf das Netz. Der Speicher-Manager hält eine Energiemenge vor, die im Rahmen des Applikations-Engineering definiert wurde und stellt die für die Lastspitze benötigte Energie auf Befehl gezielt zur Verfügung. So ergibt sich eine weitere Beruhigungsfunktion des DSM 4.0, denn in diesem Fall beruhigt er das Netz. Konsequent angewandt, kann diese Lösung zum Ergebnis haben, dass aufgrund geringerer Spitzenströme auch der Installationsaufwand und die Absicherung des Antriebssystems wesentlich kleiner ausfallen kann, was zu einer deutlichen Kosteneinsparung führt.

Je nach Häufigkeit und notwendiger Energiemenge, die auf Basis der Anwendung selbst und der gesetzten Zielsetzung ermittelt wird, kommen als Speichermedien entweder Elektrolytkondensatoren oder Superkondensator-Module in Frage. Bei letzteren sind minimal über eine Mio. Zyklen problemlos möglich, bei entsprechender Auslegung erhöht sich die Zyklenanzahl deutlich. Energiemengen bis 1,6 MJ pro DSM 4.0 sind mit Superkondensator-Modulen möglich. Um höhere Leistungen zu stützen, sind die Dynamischen Speicher-Manager einfach parallel zu verschalten, wodurch auch Leistungen von über 100 kW möglich sind.

Netzausfall managen

3. Ein weiterer Einsatzfall ist die Überbrückung von Spannungseinbrüchen oder die Versorgung des Antriebssystems bei Netzausfall. Bricht die Netzversorgung zusammen und der Drive Controller wird netzseitig nicht mehr mit Energie versorgt, hält der DSM 4.0 das Antriebssystem am Laufen. Und zwar für den Zeitraum, für den die Energiemenge seiner Speicher ausgelegt ist. Entscheidend hierbei sind die Anforderung des Maschinenbetreibers und die Stärke bzw. Schwäche des Netzes. Sind die Unterbrechungen eher kurz aber kommen sehr häufig, also mehrmals täglich vor, sind womöglich Elektrolytkondensatoren mit ihrer hohen Zyklenfestigkeit die erste Wahl. Schließlich übernimmt der DSM 4.0 die beim Herunterfahren der Maschine oder Anlage entstehende generatorische Energie in seinen Speichern auf und kann diese zur exakten Stillsetzung ebenfalls nutzen. Es können aber auch Superkondensator-Module eingesetzt werden, sollte die Energiemenge deutlich höher sein.

In Verbindung mit Batterien spielt das Gerät seine Stärke als absolut unterbrechungsfreie, weil direkt mit dem Herz des Antriebssystems verbundene Stromversorgung für Gleichstromzwischenkreise besonders gut aus. Spannungsschwankungen verlieren genauso ihren Schrecken, wie ungeplante oder auch geplante Netzunterbrechungen. Zumal die von Koch eingesetzten Batterien wie die Kondensatoren wartungsfrei sind. Kommt zusätzlich die 24 V Notstrom Energie Versorgung (NEV) aus dem gleichen Haus zum Einsatz, bleiben auch die Geräte aktiv, die von einem 24V-Gleichstromnetz versorgt werden, wie Steuerungen, Industrie-PCs, Sensoren, Bremsen und viele mehr.

Netzunabhängigen Betrieb ermöglichen

4. Steht nur ab und an eine Versorgung aus dem Netz zur Verfügung, liefert der DSM 4.0 in Kombination mit seinen angeschlossenen Speichern die für den Dauerbetrieb notwendige Energie. Auch hier spielt das Applikations-Engineering die entscheidende Rolle. Seltene Aufladung und langer netzunabhängiger Betrieb führt zum DSM 4.0 in Kombination mit Batterien. 280 MJ pro Speicher-Manager sind problemlos machbar, also eine Energiemenge, aus der 7,5 kW Leistungsanforderung weit über 10 Stunden lang versorgt werden kann. Auch hier gilt: Nicht nur für den oder die Antriebe, sondern über die NEV können auch 24 V Gleichstromnetze für die Peripherie gestützt werden. Wie bei allen Einsatzfällen gilt, dass die Anforderungen des Gleichstromzwischenkreises des Drive Controllers, also des Antriebssystems, entscheidend für die Zusammensetzung des DSM 4.0-Systems sind. Die erforderliche Leistung, Energiemenge und die Zyklenanzahl, die durch den Einsatzfall gegeben ist, sind die wichtigen Kriterien der Auswahl der Systemkomponenten Speichermedium und Absicherung.

Eine neue Dimension – wartungsfrei

Der Dynamische Speicher-Manager ermöglicht es, Gleichstromkreise bis 800 V DC Spannungsniveau auszugleichen, also überschüssige Energie zwischen zu speichern und fehlende Energie zu ersetzen, und auch gegenüber dem Netz beruhigend und reinigend zu wirken. Dabei zeigt der DSM 4.0 besondere Eigenschaften, die ihn zu einer universellen Lösung machen und neue Dimensionen eröffnen. Michael Koch: „Bestechend ist seine Fähigkeit, die verschiedenen Speichermedien Elektrolytkondensatoren, Superkondensatoren sowie Batterien zu beherrschen und somit für eine extrem breite Bandbreite von Anwendungen als wartungsfreies System Vorteile zu bringen. Seine Funktionalitäten sind dabei auf die jeweiligen Speicher optimal abgestimmt.“

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