Energiemanagementsystem Lastspitzen elektrischer Antriebe im Griff

Häufig zu viel Energie, manchmal zu wenig, regelmäßig hohe Belastungen – die Situationen eines elektrischen Antriebs über einen Verfahrzyklus hinweg sind mannigfaltig. Ein aktives Energiemanagementsystem hilft, aktuelle Anforderungen elegant zu erfüllen.

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Über Umrichter gesteuert oder geregelt setzt ein Antrieb um, was die Steuerung der Maschine von ihm verlangt. Dabei wird auf die Umstände oft keinen Wert gelegt: Muss es wirklich sein, die generative Energie in einem Bremswiderstand zu verheizen? Muss ein Spannungseinbruch oder Netzausfall zu langen Ausfallzeiten führen? Muss die Elektrik der Maschine wirklich auf die eher seltenen, hohen Lastspitzen ausgelegt werden?

Umrichtergespeiste Antriebe haben nur ein sehr begrenztes Ausgleichselement für Spannungsveränderungen an Bord. Der eingebaute Kondensator hilft in der Regel nur im Millisekundenbereich. Dann braucht es entweder einen Bremswiderstand, um zu viel Energie abzuführen bzw. zu verheizen und so die Zerstörung der Elektronik zu vermeiden, oder eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, um Spannungseinbrüche zu überbrücken.

Mit der Geräteserie Pxt bietet das Unternehmen Michael Koch aus Ubstadt-Weiher aktive Energiemanagementgeräte und -systeme an, die den Antrieb in jedem Moment energetisch unterstützen. Sie wirken als eine aktive Erweiterung der Zwischenkreiskapazität. An einen Umrichter kann damit also eine theoretisch unendliche Menge an Energie verwaltet werden. Und zwar für jeden energetische Situation.

Einsatzfälle mit steigendem Stellenwert

Womit eine Erhöhung der Energieeffizienz in den Sinn kommt. Die Speicher des Energiemanagementsystems nehmen die generative Energie auf und geben sie dem Antrieb bei Bedarf zurück. Auch die kurzzeitige Überbrückung von Spannungseinbrüchen bis hin zu einem länger andauernden netzunabhängigen Betrieb ist einsichtig. Die zuvor geladenen Speicher sorgen für die notwendige Antriebsenergie.

Doch das ist längst nicht alles: Beispielsweise gleichen die Pxt-Geräte die massiven Spannungsschwankungen im Antrieb bei sehr schnellen Richtungswechseln hochdynamischer Maschinen aus und schützen so vor vorzeitiger Alterung. Zudem lässt sich die Spannung im System hochhalten, wodurch bei gleicher Stromstärke eine deutlich höhere Leistung abrufbar ist. Allein dies macht deutlich, dass die Einsatzfälle mannigfaltig und auch sehr individuell sein können. Es ist eine wesentliche Stärke der Pxt-Gerätefamilie, eben diese Breite abdecken zu können.

Direkter Anschluss an den Zwischenkreis

Das modulare System besteht aus aktiven Geräten, elektrischen Speichern, einem optionalen Regelgerät und weiteren Optionen bis hin zum anschlussfertigen Schaltschranksystem. Als Peripheriegerät von Umrichtern zum direkten Anschluss an deren Zwischenkreis konzipiert, startet das Angebot von der Unterstützung von Antrieben im Kilowattbereich und reicht bis zu einer rechnerischen Spitzenleistung von knapp 400 KW. Umgesetzt wird dies mit zwei Gerätetypen:

• Pxt FX schafft 20 A Dauerstrom oder 40 A Spitzenstrom für eine Minute und wurde besonders für den Betrieb mit Elektrolytkondensatoren entwickelt.

• Pxt RX kann als größerer Bruder 30 bzw. 60 A (45 s) leisten und ist für den Betrieb mit Doppelschichtkondensator-Modulen konzipiert.

Bei beiden lassen sich theoretisch unbegrenzt viele Geräte in Reihe schalten. Die Leistung vervielfacht sich mit deren Anzahl.

Ähnlich kaskadierbar sind die elektrischen Speicher. Die speziell für den Einsatzfall des aktiven Energiemanagements entwickelten Elektrolytkondensatoren können pro Stück zwei KJ Energie speichern, die sie weit über 100 Millionen Mal laden und entladen können. Die von Koch freigegebenen Doppelschichtkondensator-Module reichen bis gut 250 KJ Energie pro Modul.

Funktionserweiterung: Automatische Lastspitzenreduktion

Koch hat außerdem das optionale Regelgerät Pxt MX im Programm. Das kleine, schlaue Kästchen, das auf ein aktives Pxt-Gerät aufgesteckt wird, ermöglicht eine geregelte Strombegrenzung aus dem Netz. Koch nennt diese Funktionserweiterung „Enhanced Power Supply“ oder kurz EPS.

Nach Anschluss der mitgelieferten Strommesssensoren für die drei Phasen des Stromnetzes und der amperegenauen Eingabe des gewünschten Maximalwerts für den Netzstrom ist sichergestellt, dass die für Lastspitzen der Maschine erforderliche Energie aus dem aktiven Pxt-Energiemanagementsystem und nicht aus dem Stromnetz kommt. Bis gut 100 A reicht der Mess- und damit Regelbereich des Pxt MX. Viele Anwendungen mit geringerem Effektivstromwert können mit seiner Hilfe und dem verbundenen Pxt-System, das entsprechend ausgelegt ist, beispielsweise unter die Nennstromgrenzen der Sicherungen zum Stromnetz von 63 oder 32 A gebracht werden. Das geschieht – per Plug & Play – ohne weitere Programmierung und einfacher Inbetriebnahme.

Passgenaue Umsetzung der Applikation

Die Auslegung des Pxt-Systems erfolgt nicht nur applikationsbezogen, sondern sie kann auch abhängig vom Standort der Maschine und dessen Verhältnissen in Sachen Stromversorgung erfolgen. Das funktioniert, weil sich bei dem modularen System die Leistungs- und Energiestufen variabel zusammenschalten und betreiben lassen.

Zudem geschickt gemacht: Unabhängig davon, ob die Applikation ein einzelnes Pxt FX-Gerät oder eine große KTS-Schaltschranklösung (anschlussfertiges Komplettsystem von Koch) bedarf – ein einzelner Pxt MX regelt das komplette System. Anders gesagt: Der Antrieb oder die übergeordnete Steuerung „sieht“ damit kein modulares System mit vielen anzusprechenden Komponenten, sondern eine Einheit – das aktive Energiemanagementsystem.

Digitale Unterstützung

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

Neben dem Auslegungs-Tool sind das digitale Typenschild Pxt Typeplate und das Visualisierungs- und Parametrier-Tool Pxt Terminal wichtige Elemente der Pxt-Gerätefamilie.

• Pxt Typeplate erlaubt dem Nutzer den orts- und papierunabhängigen Zugriff auf die individuellen Dokumente und Informationen des Geräts.

• Pxt Terminal zeigt Gerätedaten, die eingestellten Parameter, Geräte- und Fehlerstatus sowie die dynamischen Daten der Anwendung in Echtzeit an. Neben der direkten Beobachtung und Analyse der Daten können Anwender sie auch als Logdateien abspeichern und im Nachgang selbst bewerten oder von Koch analysieren lassen.

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