Aktives Energiemanagement für elektrische Antriebe überzeugt (Promotion) Energieeffizienz ist nur der Anfang

Elektroautos haben das Thema Rekuperation in den Alltag gebracht. Bei jedem Abbremsen erzeugt der Elektromotor des Autos elektrische Energie, die in seine Batterie eingespeist wird und so die Reichweite verlängert. Seit 2010 bietet Michael Koch aktive Energiemanagementsysteme an, die die gleiche Funktion in stationären Maschinen erfüllen. Allerdings auf Basis von Kondensatoren und Doppelschichtkondensatoren deutlich dynamischer und für Wiederholungen von über 100 Millionen mal. Neben der Rekuperation an sich bringen die Systeme noch weitere große Vorteile für die Antriebssysteme stationärer Maschinen, ja sogar für das Stromnetz.

Die Erhöhung der Energieeffizienz von Maschinen ist kein Ziel um ihres selbst willen, sondern ein erstrangiges Mittel, um Betriebskosten zu sparen. Dies gilt auch dann, wenn die politisch geforderte Verbrauchsreduktion in den Vordergrund der Argumentation rückt. Die Amortisation ist entscheidend, also die Höhe der Investition in Bezug auf die möglichen Einsparungen. Die Investition wiederum hängt in diesem konkreten Fall ab von der Leistung und Energiemenge, die Einsparung von der Häufigkeit und Energiemenge der Rekuperationsereignisse. Diesen sehr maschinenspezifischen Verhältnissen wird Koch mit einem modularen System gerecht, das eine abgestufte Variabilität in Leistung und Energiemenge ermöglicht. Pxt nennt sich das System, das herstellerunabhängig zu fast jedem Antriebssystem passt.

Bei hohen Wiederholraten von Start-Stopp-Vorgängen wie etwa bei Pressen oder Stanzen, bei denen auch aufgrund der Qualität der eingesetzten Mechanik wenige Verluste entstehen, können Einsparungen von bis zu 50 Prozent erreicht werden. Bei realen Robotikanwendungen in diversen Aufgaben im Karosseriebau sind durchschnittlich 15 Prozent Einsparungen belegt, mit Spitzenwerten von über 20 Prozent. Deutlich ist generell, dass das Einsparpotential von Anwendung zu Anwendung stark differiert. Auch für die Anpassung an diese sehr unterschiedlichen Applikationsanforderungen von klein bis groß ist das modulare System von Koch von hohem Vorteil. Es reicht von Schuhschachtelgröße in Form des PxtFX (maximal 18 kVA Leistung, 2 kJ Energie) durchgängig bis zu größeren, modular aufgebauten Schaltschrankeinheiten KTS (384 kVA/3 MJ).

Energieeffizienz schnell Nebensache

Energieeffizienz tritt sogar in den Hintergrund, wenn die Produktivität mit Pxt anderweitig gesteigert werden kann. Die Geräte der Pxt-Familie haben eine ausgleichende, also schonende Wirkung auf die Antriebselektronik. Dadurch werden höhere Geschwindigkeiten beziehungsweise geringere Taktzeiten möglich. Gleichzeitig wird ein höheres Spannungsniveau erreicht, das bessere und zuverlässigere Beschleunigungswerte bringt. Es wird statt der Elektronik die Mechanik der Maschine zum begrenzenden Faktor. Im Presswerk kann so zum Beispiel die Ausbringungsmenge um über zehn Prozent erhöht werden.

Die höhere Energieeffizienz ist dann eine nette Dreingabe. Gleichzeitig ist der Zusammenhang zwischen Geschwindigkeitserhöhung und Energieeffizienz mit dem Einsatz der Pxt-Geräte von Koch verblüffend: Je kürzer die Taktzeiten, also je schneller die Geschwindigkeits- und Richtungswechsel durchgeführt werden, desto höher sind auch die Einsparungseffekte bei der Energie. Oder: Die aktiven Energiemanagementgeräte der Pxt-Familie ermöglichen eine höhere Produktivität bei gleichzeitig höherer Energieeinsparung. So macht es auch Sinn, Einzelanwendungen in einem hochstandardisierten Produktionsverbund speziell zu analysieren und auszurüsten.

Lastspitzen einfach kappen

Neben dem Energieverbrauch spielt auch das zur Verfügung stehende Stromnetz eine oft entscheidende Rolle. Sehr hilfreich ist dann das Feature der Lastspitzenreduzierung. Die Pxt-Geräte von Koch bieten zwei Wege, die Netzeingangsleistung zu begrenzen und an die Versorgungssituation anzupassen: Auf dem klassischen Weg gesteuert durch das Antriebssystem zum einen: Der Frequenzumrichter oder die übergreifende Steuerung gibt dem Pxt-System das Signal zur Lieferung der nötigen Spitzenleistung, um unter einer vorgegebenen Netzlast zu bleiben. Zum andern einen selbständigen Weg mit einer Ampere-genauen Eingangsstrombegrenzung. Das Pxt-System misst dafür den Strom der drei Phasen des Netzeingangs und begrenzt diesen Eingangsstrom auf einen voreingestellten Wert. Die über diesem Wert liegenden Leistungsanforderungen des Antriebssystems werden dann unmerklich und hochdynamisch durch das Pxt-System bedient. Nach der Auslegung von geforderter Leistung und Energiebedarf ist die Installation des Systems eine einfache Plug&Play-Maßnahme. Ein erfreulicher Nebeneffekt: Das von Lastspitzen befreite Stromnetz wird deutlicher stabiler und somit sicherer.

Womit eine weitere Eigenschaft der Geräte einhergeht: Bei passender Auslegung gleichen die Pxt-Systeme auch netzbasierte Spannungsschwankungen aus und gewährleisten so einen stabilen Betrieb des Antriebs. Kurze Spannungseinbrüche werden direkt – für den Antrieb unmerklich – ausgeglichen. Kurzzeitige Spannungsunterbrechungen oder Komplettausfälle können überbrückt oder die Maschine kann mit Hilfe der Pxt-Geräte in einen sicheren Zustand gebracht werden. Im Extremfall können mit dem aktiven Energiemanagementsystem sogar geplante Versorgungsunterbrechungen, also der Betrieb ohne Stromnetz, umgesetzt werden. In diesen Fällen übernimmt das Pxt-System die Aufgabe einer USV; dies gilt auch für 24 Volt-DC-Netze, die zusätzlich aus dem System sicher gespeist werden können.

Einsatz unglaublich einfach

Unterstützung bei der Auslegung liefern die erfahrenen Spezialisten und die entsprechenden Auslegungs- und Simulationstools von Koch. Das so festgelegte Pxt-System wird dann einzig an das Gleichstromnetz oder den Zwischenkreis des Antriebssystems über Kabel angeschlossen und arbeitet dann völlig selbständig, selbst der Startvorgang initiiert sich selbst. Es sind also außer Montage und Anschluss keine weiteren Arbeiten zur Inbetriebnahme vor Ort notwendig. Dies gilt übrigens auch für das Retrofit von Maschinen und Anlagen. Die Pxt-Systeme überwachen ihre Kapazität, sie sind kommunikationsstark bis hin zu einer Feldbuseinbindung.

Mehr Leistung, stabileres Netz, sicherer Maschinenbetrieb, gleichzeitig längere Lebensdauer und dann noch geringerer Energieverbrauch – ein seltenes aber sehr positives Phänomen, das immer mehr Maschinennutzer überzeugt. Sie müssen also nicht mehr einen bestimmten Vorteil durch Nachteile teuer erkaufen, sondern dürfen eine höhere Ausbringung bei geringerem Energieverbrauch und längerer Lebensdauer genießen. Eine sehr vorteilhafte Kombination, die mit der Idee beginnt, energieeffizienter arbeiten zu wollen.