Kochs Drillinge: DES, DEK, DEV
Energie für Drive Controller und mehr

Versorgungssicherheit und günstige Preise für elektrische Energie sind Voraussetzung für die Industrie.

Beides steht aktuell unter hohem Risiko, und so sind Energieeffizienz auf der einen Seite sowie der Schutz vor Spannungsschwankungen oder gar -unterbrechungen auf der anderen nicht nur im Steuerungsbereich, sondern auch auf der Antriebsebene ein wichtiges Thema.

 

Mit den Energiespeicher-Drillingen der Michael Koch GmbH können der Energiehaushalt von Umrichtern und Servoreglern optimiert und Risiken minimiert werden. 


Elektrische Antriebe sind die Muskeln der meisten Holzver- und -bearbeitungsmaschinen. Angesteuert durch Drive Controller, die wiederum Befehle der übergeordneten Steuerungen umsetzen, sorgen sie für die Bewegung der Werkstücke und Werkzeuge. Dabei setzt im Dauerbetrieb der Drive Controller (Umrichter) den Netzstrom so um, dass der oder die angeschlossenen Motoren in der passenden Drehrichtung und Geschwindigkeit rotieren. Fällt die Spannung ab oder wird sie gar unterbrochen, trudelt der Motor aus oder es fällt die Haltebremse. Benötigt die Anwendung einen Wechselbetrieb, also Geschwindigkeits- und/oder Drehrichtungsänderungen, kommt Bremsenergie mit ins Spiel, d.h. der Motor wird kurzzeitig zum Generator mit dem Effekt, dass die Spannung im System steigt und die Energie abgeführt werden muss. Dies geschieht über einen Bremswiderstand oder über eine Netzrückspeisung mit unklaren Folgen für die Netzqualität. Mit den Produkten Dynamischer Energiespeicher DES, Dynamische Energieversorgung DEV und einer Kombination der beiden mit Bezeichnung DEK von Koch können alle beschriebenen Probleme auf einfache Art und Weise gelöst werden.

 

1. Drilling: Eine rote Black Box als „grüne“ Option


Ein Energiespeicher, der in der Handhabung so einfach wie ein Bremswiderstand und in der Effizienz vergleichbar mit einer Netzrückspeiseeinheit ist, waren die Entwicklungsvorgaben für den Dynamischen Energiespeicher DES. In seiner Standardausführung besitzt das aktive Puffermodul eine Speicherkapazität von rund 1,6 Kilojoule und eignet sich damit für viele Anwendungen in der elektrischen Antriebstechnik. Ausgelegt für Umrichter mit Zwischenkreisspannungen bis 800 Volt DC (was dem gängigen Netzanschluss von 400 VAC entspricht), die über einen direkten Zwischenkreisanschluss verfügen, ist das Speichermodul mit jedem gängigen Umrichtertyp einsetzbar.


Dabei gilt: Auspacken, mit drei Litzen anschließen und Energie sparen – mehr Arbeitsschritte sind für den Nutzer nicht erforderlich. Der Speicher regelt sich von Beginn an selbstständig. Referenzgeber für die Energieaufnahme und Energieabgabe ist der Bremschopperausgang des Umrichters. Der DES ermittelt darüber die relevanten Spannungsebenen im Gleichstromzwischenkreis des Umrichters und stellt seine Arbeitsparameter darauf ein. Die Flexibilität in Bezug auf seine Einsatzfähigkeit und seine Selbstständigkeit verleihen dem Gerät das Attribut „dynamisch“.

 

Das Netz schonen und die Anlage schützen


Das Speichermodul arbeitet als Stabilisator des Zwischenkreises und hat keinerlei Kontakt mit dem eingangsseitigen Stromnetz. Die Energie zur Ladung des Kondensators erhält das Gerät ausschließlich aus der elektrischen Bremsenergie vom Antriebsmotor und nicht aus dem Stromnetz. Netzrückwirkungen und damit verbundene mögliche Netzirritationen sind sowohl während der Ladephase des Dynamischen Energiespeichers als auch während der Rückspeisung in den Gleichstromzwischenkreis ausgeschlossen.


Die stabilisierende Funktion führt auch dazu, dass bei kurzen Zykluszeiten und energiereichen Bremsungen wie bei großen Handlingsrobotern die Kapazität im Zwischenkreis des Drive Controllers geschont wird. Denn durch den DES fallen die Spannungshübe bei weitem nicht mehr so häufig und hoch aus, so dass die Kondensatoren weniger belastet, also geringer erwärmt werden. Dies führt ganz konkret dazu, dass die Lebensdauer der Kapazitäten und damit des Drive Controllers deutlich verlängert wird. Zudem schützt ein kleiner eingebauter, besonders sicherer Bremswiderstand bei Überlastungen und macht Auslegungsfehler verzeihbar.

 

2. Drilling: Kurzzeit-USV für Umrichter


Das Gerät mit dem Namen Dynamische Energieversorgung DEV der Michael Koch GmbH fungiert im Prinzip wie eine Kurzzeit- Unterbrechungsfreie Stromversorgung für Antriebsumrichter und Servoregler. Die aktive Kapazitätserweiterung des Gleichstromzwischenkreises der Umrichter hält eine entsprechend der technischen Auslegung festgelegte Energiemenge vor, die dazu dient, bei Netzausfall das Spannungsniveau des Gleichstromzwischenkreises auf einem Niveau zu halten, das die Ausfallzeit ohne Störung oder gar Zerstörung überbrückt und/oder die Maschine zum definierten Stillstand bringt. Ziel ist in jedem Fall, dass der Antrieb und alle von ihm versorgten Systeme die Netzunterbrechung entweder gar nicht bemerken oder in einen definierten Zustand kommen, von dem aus ein Neustart ohne Aufwand möglich ist. Beides ist die Aufgabenstellung des Applikationsengineerings, die mit Hilfe der DEV zu lösen geht.


Die aktive Kapazitätserweiterung für Gleichstromzwischenkreise DEV der Baugröße 2.0 bringt in seiner Standardausführung eine Speicherkapazität von rund zwei Kilojoule mit, die auf 40 Kilojoule erweiterbar ist, und eignet sich damit für viele Anwendungen in der elektrischen Antriebstechnik. „Auch unsere Dynamische Energieversorgung funktioniert wir eine Black Box, die für alle passt und die sich selbst einstellt. Mit nur zwei Litzen anschließen und dann einfach vergessen und Nerven sparen!“, fasst der geschäftsführende Gesellschafter Michael Koch die Leistung des Geräts zusammen. Über eine 24 Volt-Schnittstelle auf der Oberseite des Geräts übermittelt es ein Signal bei Veränderung des Ladezustands des Speichers. Bei Entladung schaltet die Schnittstelle, wodurch eine Netzstörung oder -unterbrechung sicher signalisiert wird. Der Nutzer entscheidet durch die Programmierung der übergeordneten Maschinensteuerung, welche Maßnahmen dann unternommen werden. Die Schnittstelle schaltet mit ihrer serienmäßigen Einstellung bei einem noch verfügbaren Energievolumen von rund 90 Prozent des gesamten Speichers.

 

3. Drilling macht das Trio komplett


Mit der DEK werden die beiden oben vorgestellten Geräte in einem sinnvoll kombiniert. Die DEK kann sowohl Bremsenergie puffern wie auch Spannungsschwankungen bis hin zur Netzunterbrechung im Rahmen seiner Speichergröße ausgleichen. Möglich macht dies die Aufteilung des Speichers in einen Bereich für die Bremsenergie und einen für die Energie der Kurzzeit-USV, wobei der USV-Bereich mindestens die Hälfte des Energiespeichers zugeteilt bekommt. Die genaue Aufteilung der zur Verfügung stehenden Energiemenge ist dabei das Ergebnis des Applikationsengineering. Ausgehend von einem Beispiel, bei dem es gilt, im Fall einer Bremsung 500 Joule Energie zwischen zu speichern, werden die restlichen zur Verfügung stehenden 1 500 Joule für den USV-Fall vorgehalten.


Auch bei der DEK gilt, dass der Anschluss sehr einfach über drei Litzen hergestellt wird und das Gerät funktioniert. Bei keinem der Drillinge ist noch nicht einmal ein Einschaltknopf vorhanden. Diese derart hohe Usability ist vorbildlich und stärkt den Charakter des unterstützenden Peripherieprodukts auch dieses Geräts. Wie die DEV besitzt auch die DEK die Überwachungsschnittstelle, die für eine gesicherte Funktion der Energielieferung im Fall einer Netzunterbrechung für essentiell angesehen wird.

 

Breites Gerätespektrum mit unterschiedlicher Belastbarkeit


Die Drillinge stehen in mehreren Leistungsstufen zur Verfügung. Neben der Basisvariante 2.0, die in zwei Leistungsklassen angeboten wird, bringt die Variante 3.0 einen weiteren Energieschub, ist also beim Faktor Leistung x Zeit höher belastbar. Erreicht werden die höheren Belastbarkeiten bei den maßgleichen Geräten durch eine veränderte Elektronik und eine deutlich verbesserte Entwärmung. Beim DES bedeutet dies die gleiche Energiemenge bei kürzen Zyklen, bei der DEV sehr große Energiemengen bei ungeplanter oder gleiche Energiemenge bei häufiger geplanter Netzunterbrechung. Und bei der DEK wirkt sich die Erhöhung der Belastbarkeit in beiden Bereichen positiv aus.


Sollte das Speichervolumen bei einem der Geräte für die konkrete Anwendung nicht ausreichen, kann es durch weitere Speichermodule unkompliziert erweitert werden. Sie sind über Kabel mit verpolungssicheren Steckern einfach mit der Dynamischen Energieversorgung zu verbinden. Mit diesen Erweiterungsmodulen steht zusätzliche Energie in zwei Kilojoule-Schritten bereit.

 

Ergänzung um 24 Volt-Versorgung


Damit nicht nur der Muskel, sondern auch das Gehirn und die Peripherie mit elektrischer Energie versorgt werden, bietet Koch ein 24 Volt-Netzteil mit Namen NEV an, das sich aus den Dynamischen Energiespeichern mit USV-Funktion bedient und stabile 24 Volt bei maximal sechs Ampere liefert. Entsprechend der Auslegung des Speichervolumens kann so in der Kombination von DEV und NEV zum Beispiel sichergestellt werden, dass der Antrieb in eine sichere Ausgangslage geführt wird, die Bremsen schließen und die Steuerung die Daten sicher speichert. Die NEV wird auf die Frontseite der Dynamischen Energiespeicher aufgeschoben und spart somit wertvollen Schaltschrankplatz. Über ein Kabel mit verpolungssicheren Steckern wird die Verbindung zum Stromspeicher hergestellt. Ist im Schaltschrank der Maschine nicht genügend Platz vorhanden, hat Koch auch dafür eine Lösung: Es werden die Geräte in separaten Schaltschränken fertig konfektioniert angeboten. Abhängig von dem Ergebnis der Projektierung werden diese dann für die Montage an der Maschine komplett bestückt. Dies kann eine reine DEV-Bestückung sein, aber auch gemischt mit jeder Art der verfügbaren Geräte.

 

Lösung für das Antriebssystem


Auf der Ebene der Antriebe sind mit den drei Geräten von Koch als Einzel- oder Schaltschranklösung alle Möglichkeiten gegeben, netzunabhängig mit den Energien im Gleichstromzwischenkreis von Drive Controllern umzugehen. Der DES erhöht die Energieeffizienz, die DEV schützt vor negativen Folgen einer Spannungsschwankung oder einer Netzunterbrechung, und die DEK darf als eine energiesparende Kurzzeit-USV für Antriebe und in Verbindung mit der NEV für das gesamte System gelten.

www.bremsenergie.de

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