Mit der Pxt-Serie liefert das Unternehmen Michael Koch aktive Energiemanagement-Systeme für elektrische Antriebe. Als aktive Verbindungselemente zwischen Umrichtern und Speichern zeichnen sie sich aus durch einen Weitspannungsbereich sowie eine Unabhängigkeit von Antriebselektronik-Herstellern. Die Geräte erfüllen die Forderungen nach höherer Energieeffizienz, unterbrechungsfreier Energieversorgung, Lastspitzenreduktion und Verringerung von Netzrückwirkungen. Hinzu kommt nun ein weiteres Feature per Plug&Play: Lastspitzen werden über das Aufsteckmodul ‚PxtMX‘ auf einem vom Anwender definierten Niveau abgefangen. Die Produktfamilie ‚Pxt‘, das auch ‚P mal t‘ (gleich Energie) ausgesprochen werden kann, erreicht damit eine höhere 
Funktionalität.

Das System speichert überschüssige oder notwendige elektrische Energie des Antriebssystems weitgehend netzunabhängig zwischen. Als Verbindungsteil zwischen Antrieb und Speicher regelt es so den Energiehaushalt des Antriebssystems, egal ob für einen Einzelantrieb oder für mehrere Achsen im Zwischenkreisverbund. Die Ziele dabei sind vielfältig: von der einfachen Einsparung elektrischer Energie, also die Erhöhung der Energieeffizienz, bis zur Anpassung einer Maschine an eine schwächliche Stromversorgungsinfrastruktur.

Aktives Energiemanagement

Die Aufgaben erfüllen zwei aktive Grundgeräte, die direkt am Zwischenkreis der Drive Controller, also Frequenzumrichter oder Servoregler, angeschlossen sind.

Das aktive Puffermodul für Gleichstromzwischenkreise ‚PxtFX‘ ist auf speziell entwickelte Elektrolytkondensatoren ausgelegt. Mit einer maximalen Speicherspannung von 450 V(DC) und einer Stromtragfähigkeit von maximal 40 A für eine Minute bzw.  einem Dauerstrom von 20 A ist eine Spitzenleistung von 18 kW realisierbar.

Das aktive Energiemanagement-Gerät ‚PxtRX‘ beherrscht Speicherspannungen bis 800 V(DC) bei einer Stromtragfähigkeit von bis zu 60 A Spitzenstrom für 45 s bzw. 30 A Dauerstrom.

Die Dimensionierung des Systems liegt beim Applikationsengineering: Die vom Antriebssystem im schlechtesten Fall des Lastzyklus angeforderte Leistung als Produkt von Spannung mal Strom, muss genauso passen, wie die zur Verfügung stehende Energie als Produkt aus Leistung mal Zeit. Das modulare System spielt hierbei seine Stärken aus, weil es durch Parallelschaltung der aktiven Geräte variabel in der Leistung ist. Durch passende Ergänzungen der Speicher ist dies auch bei der Energiemenge der Fall. So startet ein System mit einem PxtFX-Gerät mit 2 kJ Speicher und es können theoretisch beliebig viele PxtRX-Geräte in Verbindung mit einer ebenso unbegrenzten Anzahl an Doppelschicht-Kondensatormodulen parallelgeschaltet werden.

Während das ‚PxtFX‘ auf kurze Zyklen ausgelegt ist, ist der größerer Bruder ‚PxtRX‘ auf den Einsatz mit Speichern höherer Energiedichte ausgelegt (siehe Bild 1). In Verbindung mit Elektrolytkondensatoren und qualifizierten Doppelschicht-Kondensatormodulen steht ein modulares System zur Verfügung, das anwendungsspezifische Lösungen mit Leistungen bis über 200 kW und Energien bis über 2 MJ ermöglicht.

Das Kernportfolio an aktiven Energiemanagementgeräten mit Speichereinheiten wird durch Peripherieprodukte ergänzt: angefangen bei passiven und aktiven Entlade-Einheiten über netzunabhängige 24-V-Notstromversorgungen und Systeme auf Einzelgerätebasis bis hin zu anschlussfertigen Schaltschranklösungen.

Lastspitzenreduktion mal anders

Das kleine schwarze Kästchen macht den Unterschied: Das Modul ‚PxtMX‘ ermöglicht eine Lastspitzenreduzierung per Plug&Play. Dafür wird das Modul auf das aktive Energiemanagement-Gerät ‚PxtFX‘ gesetzt. Es entsteht eine Einheit mit 4 kJ Energie zur automatischen Lastspitzenreduzierung bei kleinen Leistungsanforderungen.

© Michael Koch

Bisher war für die Lastspitzenreduktion die Kommunikation mit dem Antrieb notwendig: Als Befehlsempfänger vom Drive Controller stellt das System genau dann die notwendige Energie zur Verfügung, wenn der Umrichter diese aktiv anforderte. Diese Art der Lastspitzenreduktion erfolgte also gesteuert über den Drive Controller, aber ohne den unmittelbaren Einfluss der Stromanforderungen aus dem Netz. Dies ändert sich nun durch das Aufsteckmodul ‚PxtMX‘. Neben der Lastspitzenreduktion sorgt es mittels einer Feldbus-Anbindung für mehr Konnektivität.

Das kleine schwarz-rote Kästchen wird auf dem Energiemanagement-Gerät aufgesteckt und verschraubt. Es bietet sechs digitale I/Os, USB- und K-Bus-Anschluss, Feldbus-Kommunikation sowie eine externe 24-V-Versorgung. Letztere ermöglicht den Betrieb selbst dann, wenn es nicht aufgesteckt ist. Zustandsanzeigen per LEDs, Bootloading- und Reset-Möglichkeiten helfen dem Nutzer direkt vor Ort. Eine Micro-SD-Speicherkarte ermöglicht unter anderem Firmware-Updates.

Zentrale Eigenschaft des ‚PxtMX‘ ist jedoch die Lastspitzenreduzierung per Plug&Play. Das Modul ermöglicht in Verbindung mit einem aktiven Energiemanagementsystem, die netzseitige Stromaufnahme bei zyklischen Anwendungen ohne weiteres Zutun beinah auf die Höhe des erforderlichen mittleren Effektivstroms zu drücken. Das Gesamtsystem basiert also direkt auf der Größe Strom, die Regelung des Moduls erfolgt in Abhängigkeit eines Effektivstromwerts zwischen dem Versorgungsnetz und dem Zwischenkreis des Antriebs. Grundlage zur Ermittlung des Effektivstromwertes ist wiederum die Messung des Eingangs-Netzstroms des Antriebssystems. Dieser wird von Koch als die entscheidende Größe betrachtet, denn er beeinflusst die elektrische Infrastruktur des gesamten Antriebssystems. Lastspitzen sind entscheidend für die Dimensionierung der Sicherungen und Kabel. Diese Spitzen gegenüber dem Stromnetz zu vermeiden, sie also zu glätten, ist die Aufgabe. Andere Größen wie Leistung oder Spannung haben gegenüber der Stromstärke eher sekundären Charakter.

Das Aufsteckmodul regelt die aktiven Energiemanagement-Geräte und enthält dafür eine eigene, unabhängige Rechnerstruktur. Diese Hardware-Unabhängigkeit ermöglicht unter anderem eine feine und entsprechend schnelle Regelung, um auch kurze Stromspitzen im Millisekunden-Bereich zu erkennen und in die Berechnung des Effektivstromwertes einbeziehen zu können. Für die Berechnung des Sollstromwerts und entsprechender Vorgaben an das oder die aktiven Pxt-Geräte kommen zudem Algorithmen zum Einsatz, die das Verfahren weiter beschleunigen.