Bild: iStock, Cappan

Energiemanagement für elektrische Antriebe Stromflüsse intelligent steuern

06.04.2018

Energiemanagement ist ein Begriff, der derzeit die Energiebranche beschäftigt. Diese neue, stetig wachsende Sparte ist jedoch jetzt schon nicht mehr wegzudenken. Das Ziel ist, den Gesamtenergieverbrauch eines Unternehmens zu senken. Und welche Firma will nicht sowohl Geld einsparen als auch die Umwelt schützen?

Absicherung von elektrischen Antrieben gegen Spannungsschwankungen oder Netzunterbrechungen, Reduzierung von Lastspitzen oder die netzunabhängige Nutzung generatorischer Energie: Die Anforderungen und Rahmenbedingungen, denen sich Maschinennutzer aus jeder Branche stellen müssen, können unterschiedlicher kaum sein. Die verfügbaren Hilfen fallen ähnlich unterschiedlich, teils sehr komplex und entsprechend teuer aus. Die Firma Michael Koch liefert mit ihrem breit aufgestellten und flexiblen Produktportfolio technisch und wirtschaftlich passende Lösungen, wobei die individuelle Situation im Vordergrund steht. Vor allem die Geräte, die ein aktives Energiemanagement ermöglichen, sorgen dafür, dass die elektrischen Antriebe und die gesamte Peripherie einer Maschine oder Anlage zuverlässig funktionieren.

Energiemanagement wird häufig mit softwaretechnischer Überwachung gleichgesetzt. Michael Koch jedoch kümmert sich um die Energie der Antriebe und ihrer notwendigen Peripherie mit 24-Volt-Versorgung. Unabhängig vom Stromnetz wird generatorische Energie zwischengespeichert oder elektrische Energie bei Spannungseinbrüchen in der Funktion einer unterbrechungsfreien Stromversorgung eingespeist. Dabei wird von den Applikationsingenieuren von Koch jeder Anwendungsfall auf seine spezifischen Anforderungen hin untersucht und die passende Produktkonfiguration eingesetzt. So werden bei kurzen Zyklen im Sekundenbereich als Speichermedien verbesserte Elektrolytkondensatoren eingesetzt, bei Zyklen im Minutenbereich und größeren Energiemengen hingegen machen Doppelschicht- oder Superkondensatoren am meisten Sinn. Für reine USV-Anwendungen oder für den komplett netzbefreiten Betrieb kommen auch Batterien zum Einsatz.

Mehrfachnutzen durch Energiemanagement

Koch hat neben Einzel- beziehungsweise Stand-alone-Geräten ein modulares System entwickelt, das die elektrische Energie von Antrieben punktgenau verwenden kann. Steht generatorische Energie in Zyklen von wenigen Sekunden an, dann lohnt es sich, diese zwischenzuspeichern und bei Bedarf dem Antriebssystem wieder zurückzuliefern. Koch nennt diese Geräte, die direkt am Gleichstromzwischenkreis des Antriebsumrichters angeschlossen werden, Dynamische Energiespeicher DES. Mit mindestens neun Kilowatt Dauerleistung und rund zwei Kilojoule Energie an Bord sind diese Geräte für schnell wiederholende Energiehübe konzipiert und können abhängig von der konkreten Anwendung die Energieeffizienz einer Maschine deutlich erhöhen.

Bei starker Belastung der Antriebselektronik durch Beschleunigen und Bremsen im Sekundentakt sorgen die Geräte zudem für eine Entlastung der Umrichter. Dies führt dazu, dass die Lebensdauer des Drive Controllers steigt und ungeplante Stillstände vermieden werden. Im Umkehrschluss kann die Maschine sogar schneller fahren, sofern dies die Mechanik zulässt. Bei Robotern im Zu- und Abführbereich konnten so schon Produktivitätssteigerungen von mehr als zehn Prozent erreicht werden. Dann spielen die Einsparungen elektrischer Energie nur noch eine untergeordnete Rolle, der Produktivitätsgewinn steht im Vordergrund.

Dimensionierung durch modulares System

Sind notwendige Leistungen und Energiemengen hoch, kann dies mit Hilfe eines KTS-Systems von Koch, einem anschlussfertigen Energiemanagementsystem mit Spitzenleistungen bis über 200 Kilowatt und bis rund zwei Megajoule Energie, gelöst werden. Grundlage dafür ist die auf den jeweiligen Anwendungsfall individuell zusammengestellte Kombinatorik von Leistungselektronik und Superkondensator-Modulen sowie notwendiger oder gewünschter Geräte, die beispielsweise 24-Volt-Netze versorgen oder eine sichere Entladung der Speichereinheiten im Wartungsfall ermöglichen. Der modulare Aufbau von Elektronik und Speicher erlaubt eine feine Abstufung in Bezug auf die benötigte Leistung und Energiemenge, abgestimmt auf ein Maschinenmodul, eine komplette Maschine oder Anlage. Die Leistungselektronik beherrscht der Dynamische Speicher-Manager DSM 4.0, die Energie wird in Superkondensator-Modulen gespeichert. Entscheidend sind die Applikationsdaten. Sie sind die Grundlage einer Simulationsrechnung, deren Ergebnis die Auswahl der benötigten Komponenten bestimmt. Müssen also beispielsweise 20 Kilowatt über eine Dauer von 15 Sekunden innerhalb einer Minute aufgenommen und wieder an das Antriebssystem abgegeben werden, so ergibt dies einen KTS in einem Schaltschrank von Höhe x Breite x Tiefe von 2000 x 600 x 600 mm. Soll das System hingegen als reine unterbrechungsfreie Stromversorgung für den Gleichstromzwischenkreis eines Antriebs und seiner Peripherie 100 Kilowatt Leistung für zehn Sekunden liefern, ergibt dies eine KTS-Ausbaustufe mit einem doppelt so breiten Schaltschrank.

Energie für elektrische Antriebe

Die KTS-Systeme werden wie die Stand-alone-Geräte an den Gleichstromzwischenkreis des Antriebs beziehungsweise Antriebssystems angeschlossen. Deshalb liefern sie im Bedarfsfall Energie unterbrechungsfrei oder puffern generatorische Energie zyklisch. Über die aktive Leistungselektronik und die Speichermodule hinaus sind alle notwendigen Sicherungssysteme integriert, die Verdrahtung komplett. Anschlussfertig konfiguriert ist die Inbetriebnahme einfach möglich, in der Regel sollte sie mit dem Anschluss der Kabel für Leistung und Kommunikation erledigt sein.

Sicherheit bei steigender Produktivität

Die Energiespeicherlösungen liefern allerdings nicht nur Energie für Antriebe. Über die 24-Volt-Notstrom-Energieversorgung NEV wird aus den Speichern des Systems die Versorgung von 24-Volt-Netzen der Maschine oder Anlage sichergestellt. Dadurch gehört das Thema von kurzzeitigen Stromunterbrechungen und damit einhergehenden Datenverlusten in instabilen Netzen der Vergangenheit an. Die Maschinennutzer interessieren vor allem Energieeffizienz, Ausfallsicherheit und Produktivitätsgewinn, die von den oben genannten Geräten verbessert und abgesichert werden können. Die Möglichkeit der Reduktion von Leistungsspitzen spart die Infrastrukturaufwände und ermöglicht auch den Betrieb von Maschinen in schwachen Netzen.

Mit den anpassungsfähigen Energiemanagementsystemen werden die Vorteile der Energiespeicherlösungen für mehr Maschinen nutzbar – von Energieeffizienzerhöhung bis zur Steigerung der Produktivität. Einfach auszulegen über ein webbasiertes Tool, mit Absicherung und notwendiger Peripherie in Stand-alone-Geräten oder individuell zusammengestellt in anschlussfertigen Schaltschränken.

Bildergalerie

  • DSM 4.0 bereit zur Verpackung und Auslieferung.

    Bild: Michael Koch

  • Der Dynamische-Speicher-Manager DSM 4.0 ist der aktive Mittler von Energie zwischen Drive Controller und elektrischen Speichermedien verschiedener Art.

    Bild: Michael Koch

Firmen zu diesem Artikel
Verwandte Artikel