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KTS bezeichnet die Energiemanagementsysteme von Koch mit Spitzenleistungen bis über 200 Kilowatt und 1,8 Megajoule Energie.

Bild: Michael Koch

Anschlussfertige, modulare Energiemanagementlösungen für Drive Controller Aktiver Energiepuffer im Schaltschrank

06.04.2018

Im Zyklus eines Produktionsprozesses beschleunigen und bremsen Elektromotoren ständig. Elektrische Energie wird angefordert, aber auch immer wieder bei Geschwindigkeitsreduzierung vom Motor erzeugt. Neben Bremswiderständen oder einer Netzrückspeisung gibt es bei Überspannung die Möglichkeit der aktiven Erweiterung der Zwischenkreiskapazität. Diese hat den Vorteil, dass sie über die Verarbeitung generatorischer Energie noch weit mehr leisten kann.

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Die Erhöhung der Energieeffizienz elektrischer Antriebssysteme hat globale Bedeutung. Allein in Deutschland beträgt der Anteil der in der Industrie für elektrische Antriebe eingesetzten Energie rund 70 Prozent. Beim aktuellen Erzeugermix hilft jeder reduzierte Prozentpunkt, die Ursachen des menschlichen Anteils am Klimawandel zu bekämpfen. Die Krux dabei: Der elektrische Strom ist schlicht zu billig, als dass die Reduzierung der Stromrechnung allein für die Industrie von Interesse wäre - die Amortisationszeiten der Investitionssumme sind dafür oft zu lang. Also muss eine technische Lösung zumindest bei relativ kurzen, zyklischen Produktionsprozessen noch weitere geldwerte Nutzen stiften, um zum Zug zu kommen. Die dynamischen Energiespeicherlösungen von Koch liefern diese, und zwar von schuhschachtelgroßen Geräten bis schaltschrankgroßen Systemen.

Erhöhung der Energieeffizienz reicht nicht

In der Regel werden deshalb neben dem Management von Brems- oder generatorischer Energie drei weitere Haupteinsatzfälle diskret oder auch in Kombination nachgefragt. Diese sind die Reduzierung von Lastspitzen für das Versorgungsnetz, das Management von Spannungsschwankungen bis hin zu Netz­ausfällen sowie das Ermöglichen eines weitgehend netzunabhängigen Betriebs an sich. Die kompakten Einzelgeräte von Koch auf Kondensatorbasis können all diese Anforderungen genauso erfüllen, wie die Systeme, die auf dem Dynamischen Speicher-Manager DSM 4.0 aufbauen. Der DSM 4.0 ist die aktive Verbindung zwischen elektrischen Speichern und dem Gleichstromzwischenkreis des Drive Controllers. Er bedient sich ebenfalls großer Elektrolytkondensatoren, aber auch Superkondensatoren oder Batterien.

Anschaulich wird die Auswahl, Flexibilität und Leistungsfähigkeit der dynamischen Energiespeicherlösungen von Koch anhand des folgenden Beispiels: Für einen Produktionszyklus von drei Sekunden in der Spitze benötigt eine Maschine 53 Kilowatt Leistung, im Mittel über die Zeit rund 25 Kilowatt, also eine Energiemenge von 75 Kilojoule pro Zyklus. Die Forderungen sind also dreifaltig: 1. Lastspitzenreduzierung: Die regelmäßige Leistungsaufnahme aus dem Netz soll 25 Kilowatt nicht übersteigen. 2. Erhöhung der Energieeffizienz durch die Zwischenspeicherung generatorischer Energie sowie 3. das Abfangen von Netzstörungen - ein Produktionszyklus soll bei Stromausfall noch zu Ende gebracht werden. Alle drei Forderungen kann das modulare Energiespeicher- bzw. Energiemanagementsystem KTS von Koch erledigen.

Kaskadierbar und modular

Die Lösung der Aufgabenstellungen erfolgt mit Hilfe eines umfangreichen Systems von Einzelmodulen, die dann komplett konfiguriert und anschlussfertig im Schaltschrank ausgeliefert werden. Eingängige Tests der einzelnen Produktionsschritte und eine umfassende Abschlussprüfung vor der Auslieferung gewährleisten ein anforderungsgerechtes KTS-System. Vor Ort bedarf es bei der Montage nur noch des elektrischen Anschlusses und der KTS ist betriebsbereit.

Abhängig von der geforderten Spitzenleistung wird die Anzahl der einzusetzenden DSM 4.0-Geräte bestimmt. Sie sind ohne weiteren Konfigurationsaufwand und damit sehr einfach zu kaskadieren - Spitzenleistungen bis über 200 Kilowatt sind realisierbar. Die andere Seite des Systems bilden die Speichereinheiten. Für sie gelten als Auswahlkriterien die Häufigkeit und Dauer der Zyklen sowie die notwendige Energiemenge. Der DSM 4.0 beherrscht für extrem schnelle und häufige Zyklen mit kleineren Energiemengen Elektrolytkondensatoren, für seltene aber energiereiche Zyklen Batterien. Den Mittelweg bilden Superkondensatoren, die bei den KTS-Lösungen von Koch bevorzugt in Modulen zum Einsatz kommen, die aus mehreren einzelnen Superkondensatoren bestehen.

Tools helfen bei der Auslegung

Die technische Auslegung erfolgt über Simulationen der realen Belastungsprofile in der konkreten Systemumgebung. Koch bietet hierfür ein frei verfügbares Tool an. Nach Eingabe weniger Anwendungsparameter ermittelt das Tool einen ersten Lösungsvorschlag, der dann die Grundlage für die weitere Definition des passenden Systems darstellt. Neben den Applikationsanforderungen lässt sich zur Erhöhung der Sicherheit für Montage- und Wartungspersonal eine schaltbare Entladungsmöglichkeit für die Energiespeicher einbauen. Die überlastsichere Entladeeinheit SDU aus dem Hause Koch wurde speziell für diesen Einsatzfall entwickelt. Oder es sollen zudem 24 Volt DC-Netze versorgt werden. Ein weiterer Weg der Auslegung bietet das Auslegungswerkzeug SERVOsoft von ControlEng. Hier sind vielachsige Servo-Antriebssysteme berechenbar und die dynamischen Energiespeicherlösungen von Koch sind integrativer Bestandteil des Tools; sie können bedarfsgerecht dem errechneten Antriebssystem zugeordnet werden. Schon zu diesem Zeitpunkt werden die zu erwartenden Nutzen des Energiespeichersystems deutlich und konkret bezifferbar.

Individualisierter KTS als Ergebnis

Beim geschilderten Fall einigten sich Kunde und Koch auf eine KTS-Konfiguration mit vier DSM 4.0 und sechs Supercap-Modulen mit einer Energiemenge von insgesamt ca. einem Megajoule, 24 Volt-Notstrom-Energieversorgungen NEV für Steuerung und Sensorik sowie zuschaltbare überlastsichere Entladeeinheiten SDU für den Fall, dass die Energiespeicher auch einmal entladen werden müssten. Komplett montiert und anschlussfertig verdrahtet in einem Schaltschrank der Größe H x B x T von 2000 x 600 x 600 mm. Alle Details, alle Prüfungen und Ergebnisse sind dokumentiert und bis auf Einzelkomponenten hinunter nachvollziehbar. Die konkret gestellten Aufgaben sind erfüllt.

Bildergalerie

  • Der Kern des KTS-Systems: Der Dynamische Speicher-Manager DSM 4.0 für Gleichstromnetze von 180 bis 800 Volt von Koch.

    Bild: Michael Koch

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