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Der dynamische Speicher-Manager kann mit verschiedenen Speichermedien Gleichstromkreise ausgleichen. Bild: Michael Koch GmbH
Speicher-Manager

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Ein Gerät für viele Speicher

Text: Michael Koch, Michael Koch GmbH
In der elektrischen Antriebstechnik kommen zunehmend Umrichter zum Einsatz. Wobei gerade deren Gleichstromkreis Aufgaben mit sich bringt, die mit einem zusätzlichen Gerät besser beherrscht werden können. Dabei handelt es sich um einen dynamischen Speicher-Manager.

Drive Controller der elektrischen Antriebstechnik wandeln Wechselstrom des Netzes in Gleichstrom und wiederum in Wechselstrom für den Motor. Das Management des Energieniveaus im Gleichstromzwischenkreis ist dabei entscheidend für die Funktionalität der Umrichter. Genau dort, mitten im Herzen des Antriebssystems setzt ein neues Gerät an, das sich um den Energiehaushalt der Umrichter kümmert: der dynamische Speicher-Manager. Er wirkt als entscheidender Baustein für einen weitgehend sorgenfreien Betrieb.

Manager des Gleichstromzwischenkreises

Der Speicher-Manager ist die aktive Verbindung zwischen elektrischen Speichern und dem Gleichstromnetz des Drive Controllers – er wird direkt mit dem Gleichstromzwischenkreis des Controllers verbunden. Was immer dieser Gleichstromzwischenkreis an Aufgaben bringt, der dynamische Speicher-Manager wird sie erfüllen. Und zwar so schnell, dass es für Mensch und Maschine unbemerkt von statten ginge, würde das Gerät nicht mit dem Umrichter oder einer übergeordneten Steuerung kommunizieren.

Die Einsatzfälle und mit ihnen die Vorteile des dynamischen Speicher-Managers sind sehr vielfältig und breit gespannt. Deshalb ist um den Speicher-Manager herum ein solides System gebaut, sodass die Dimensionen Leistung, Energie und Einsatzhäufigkeit in sehr verschiedenen Applikationen abgedeckt werden können. Anwendungsspezifisch wird die Konfiguration zusammengestellt und komplett mit Speicher und Absicherung geliefert. Fehlt der Platz im Schaltschrank, gibt es auch komplett montierte und verschaltete Technologieschränke, die nur noch angeschlossen werden müssen. Im Wesentlichen gibt es vier Haupteinsatzfälle.

Einsatz eins: Bremsenergie managen

Kurze Zyklen und sehr häufige Wiederholungen sind der klassische Fall einer Bremsenergie-Pufferfunktion, die der Manager beherrscht. Das Ergebnis ist eine höhere Energieeffizienz. So nimmt der dynamische Speicher-Manager automatisch Bremsenergie aus dem System, die ansonsten einen Spannungshub erzeugen würde. Bei Bedarf liefert er diese Energie zurück in den Drive Controller und zwar in einer Weise, wie es für die Anwendung am besten ist.

Eher verborgen sind weitere Vorteile, die dadurch erreicht werden, dass der Speicher-Manager für Ruhe und Ausgeglichenheit im Gleichstromzwischenkreis sorgt. Die Antriebselektronik wird dadurch besonders bei sehr kurzen Zyklen derart geschont, dass ihre Lebensdauer verlängert und ungeplante Stillstandzeiten minimiert werden. Die Schonung kann sogar den Effekt haben, dass schneller gefahren werden kann, sofern es die Mechanik zulässt. Dies bedeutet höhere Stückzahlen und somit eine höhere Produktivität. Das wiegt oft mehr als die ursprüngliche Zielsetzung der erhöhten Energieeffizienz. Beim Managen der Bremsenergie sind weit über 100 Millionen Zyklen möglich, das heißt, die Zykluszeit ist oft kürzer als eine Sekunde. Als Speichermedium kommen Aluminium-Elektrolytkondensatoren zum Einsatz, die Energie ab 1,4 Kilowattsekunden (kWs) oder ein Vielfaches davon speichern können. Sie überwachen und sichern den Ladezustand ab. Zudem bieten sie die Möglichkeit, über besonders sichere eingebaute Entladewiderstände in PTC-Technologie (Positive Temperature Coefficient) zu entladen. Die Speicher sind über Steckverbinder kaskadierbar und wartungsfrei.

Einsatz zwei: Lastspitzen reduzieren

Kurz anstehende Antriebslasten verursachen unerwünschte Effekte auf das Netz. Der dynamische 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, denn in diesem Fall beruhigt das Gerät das Netz. Konsequent angewandt, kann der Installationsaufwand und die Absicherung des Antriebssystems kleiner ausfallen, was zu einer Kosteneinsparung führt.

Je nach Häufigkeit und notwendiger Energiemenge, die auf der 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 Million Zyklen möglich, bei entsprechender Auslegung erhöht sich die Zyklenzahl. Energiemengen bis 1,6 Megajoule (MJ) pro Gerät sind mit Superkondensator-Modulen möglich. Um höhere Leistungen zu stützen, sind die dynamischen Speicher-Manager parallel zu verschalten, wodurch auch Leistungen von über 100 Kilowatt (kW) möglich sind.

Einsatz drei: Netzausfall managen

Ein weiterer Einsatzfall ist das Überbrücken von Spannungseinbrüchen oder die Versorgung bei Netzausfall. Der dynamische Speicher-Manager hält das Antriebssystem über einen Zeitraum am Laufen, für den die Energiemenge der Speicher ausgelegt ist. Entscheidend hierbei sind die Anforderung des Maschinenbetreibers und die Stärke beziehungsweise Schwäche des Netzes. Sind die Unterbrechungen eher kurz und kommen mehrmals täglich vor, sind womöglich Elektrolytkondensatoren mit ihrer hohen Zyklenfestigkeit die erste Wahl. Es können auch Superkondensator-Module eingesetzt werden, sollte die Energiemenge höher sein.

In Verbindung mit Batterien spielt der dynamische Speicher-Manager seine Stärke als unterbrechungsfreie, weil direkt mit dem Herz des Antriebssystems verbundene Stromversorgung für Gleichstromzwischenkreise 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-Volt-Notstrom-Energie-Versorgung aus dem gleichen Haus zum Einsatz, bleiben auch Geräte wie Steuerungen, Industrie-PCs, Sensoren, Bremsen und so weiter aktiv, die von einem 24-Volt-Gleichstromnetz versorgt werden.

Einsatz vier: Netzunabhängiger Betrieb

Steht nur ab und an eine Versorgung aus dem Netz zur Verfügung, liefert der Speicher-Manager 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 Gerät in Kombination mit Batterien. 280 MJ pro Speicher-Manager sind machbar, also eine Energiemenge, aus der 7,5 kW Leistungsanforderung über zehn Stunden lang versorgt werden kann.

Auch hier gilt: Nicht nur für den oder die Antriebe, sondern über die Notstrom-Energieversorgung können auch 24-Volt-Gleichstromnetze für die Peripherie gestützt werden. Wie bei allen Einsatzfällen gilt, dass die Anforderungen des Gleichstromzwischenkreises des Antriebssystems entscheidend für die Zusammensetzung des Systems sind. Die erforderliche Leistung, Energiemenge und die Zyklenzahl, 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 zu einem Spannungsniveau von 800 Volt DC 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 Manager besondere Eigenschaften, die ihn zu einer universellen Lösung machen und neue Dimensionen eröffnen.

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 abgestimmt.

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