Von elektrischen Antriebssystemen wird eine immer höhere Dynamik und Präzision verlangt bei gleichzeitig verbesserter Energieeffizienz. Eine Verbesserungsmöglichkeit besteht darin, die Kapazitäten im Gleichstromzwischenkreis deutlich zu vergrößern, aus denen dann die Antriebsachsen versorgt werden. Die Funktion dieser Kapazitäten kann über die Aufnahme von Bremsenergie hinaus auch darin bestehen, Lastspitzen zu reduzieren oder den Betrieb bei Netzausfall noch für eine bestimmte Zeit zu gewährleisten. Deshalb kommen selbst bei Antrieben im mittleren zweistelligen Kilowattbereich schnell in Kapazitäten gespeicherte Energien von über einem Megajoule zusammen.
Diese dann in besonderen Fällen sicher und möglichst schnell zu entladen, ist Aufgabe des Dynamischen Entlade-Managers DDM 4.0 der Michael Koch GmbH, der auf der Hannover Messe 2018 erstmals der Öffentlichkeit vorgestellt wurde. K&E hatte die Möglichkeit, über die Neuheit schon vorab Details zu erfahren.
Wie das Bremsen die Höhe der Dynamik von Geschwindigkeitswechseln bestimmt, so bestimmt die Größe der Kapazitäten in einem Gleichstromzwischenkreis von Drive Controllern dessen Fähigkeit, in Echtzeit und ohne störende Netzbelastung Lastwechsel zu realisieren. Serienmäßig sind die Drive Controller, wie Frequenzumrichter und Servoregler aufgrund ihrer heutigen Eigenschaften zu nennen sind, schon aus Kostengründen mit recht kleinen Zwischenkreiskapazitäten ausgestattet. Diese können aufgrund der begrenzten Stromtragfähigkeit der Ladeschaltungen meist auch nur geringfügig passiv erweitert werden können. Aus diesem Grund steht der Weg aktiver Erweiterung der Zwischenkreiskapazitäten offen, wie ihn Koch mit seinen dynamischen Energiespeicherlösungen anbietet. Ein solches System mit dem Dynamischen Speicher-Manager DSM 4.0, der die Energieströme zwischen Drive Controller und Speichermedium aktiv organisiert, kann entsprechend der Aufgabe Energiemengen bis weit über ein Megajoule umfassen.
Gerade in solchen industriellen Applikationen, die schnelle und häufige Lastwechsel mit sich bringen, kommen als Kapazitäten bei Zyklen im Sekundentakt nur Elektrolytkondensatoren oder bei Zyklen im Minutentakt Superkondensatoren in Frage. Beim Einsatz von Superkondensatoren reicht Kochs serienmäßiges Systemangebot bis zu kurzzeitigen Spitzenleistungen von über 200 kW und Energiemengen bis knapp 1,7 MJ. Physikalisch bedeutet dies ein System, das anschluss- und betriebsfertig in einem Schaltschrank der Dimension von H x B x T 2.000 x 1.200 x 600 mm von Koch aufgebaut und applikationsgerecht vorkonfiguriert unter der Typenbezeichnung KTS-x200x geliefert wird. Mit einem solchen System wird die Eigenschaft ‚Plug & Play‘ vollumfassend realisiert.
Primär für die Entladung von Superkondensatoren
Kondensatoren gleich welcher Bauart sind in besonderen Fällen, wie etwa vor Wartungsarbeiten, auf ein ungefährliches Spannungsniveau zu entladen. Dies unterscheidet Kondensatoren beispielsweise von Batterien, die in solchen Fällen vom Gesamtsystem nur getrennt werden müssen. Geht es um Kapazitäten bis wenige Hundert Kilojoule, findet sich bei Koch schon eine sichere Lösung, die das Unternehmen mit der Typenbezeichnung SDU auf den Markt gebracht hat. Eine solche zuschaltbare ‚Sichere Entladeeinheit‘ kann 200 beziehungsweise 400 kJ aufnehmen und Systeme dieser Größenordnung in rund zehn Minuten auf ein Spannungsniveau von ungefährlichen zehn Volt bringen. Für den Fall einer sicheren Entladung von Kondensator-Kapazitäten in einem KTS-System mit höheren Energien fehlte es bislang allerdings an intelligenten Möglichkeiten. Diese Lücke schließt Koch mit dem neu entwickelten Dynamischen Entlade-Manager DDM 4.0.
Diese sinnvolle Ergänzung des Produktprogramms mit der Zielrichtung, die Sicherheit von Anlagen weiter zu erhöhen, sorgt in Verbindung mit einem optimierten Bremswiderstand aus eigenem Haus dafür, dass große Elko- oder Superkondensator-Kapazitäten sehr zügig und vor allem sicher auf ein Spannungsniveau von nur noch zehn Volt entladen werden können. Das Gerät vom Typ Dynamischer Entlade-Manager DDM 4.0 entnimmt in Verbindung mit den verbauten Dynamischen Speicher-Managern DSM 4.0 dem System in serienmäßiger Einstellung 3,5 kW Leistung und führt dies in den passenden ohmschen Widerstand vom Typ B3H3.6100-1000 ab. Dies bedeutet zum Beispiel, dass Kapazitäten mit einer Energiemenge von einem Megajoule in maximal 310 s auf ein ungefährliches Spannungsniveau von 10 V gebracht werden. Applikationsspezifisch kann die Entladeleistung und damit auch der sichere Bremswiderstand auf besondere Anforderungen angepasst werden.
System inner- und außerhalb des Schaltschranks
Optisch erscheint der DDM 4.0 als ein bekanntes, dennoch neues Gesicht im Schaltschrank. Im gleichen Gehäuse wie die gesamte Reihe der dynamischen Energiespeicherlösungen 4.0 von Koch unterscheidet sich der DDM 4.0 nicht nur in der eingesetzten Hard- und Software, sondern hebt sich durch eine veränderte Front innerhalb der Gerätefamilie ab. Das ist wichtig, um Verwechslungen bei der Montage zu vermeiden. Die Montage des Geräts mit Schutzart IP20 im Schaltschrank ist sehr einfach. Angeschlossen wird der DDM 4.0 mit den beiden rechten großen, ohne Werkzeug zu bedienenden Federzugklemmen an der Front direkt an den Plus- und Minuspolen des Gleichstromzwischenkreises.
Mit den beiden linken Klemmen werden die Litzen des sicheren Bremswiderstands angeschlossen. Die für den Verbund ausgewählte Einheit ist in Schutzart IP65 ausgeführt, womit gewährleistet ist, dass der Lastwiderstand problemlos außerhalb des Schaltschranks montiert werden kann. Somit wird der Schaltschrank um die Wärmeenergie entlastet. Auf eine Dauerleistung von 3,6kW ausgelegt, nimmt er mit der DDM 4.0-Leistung von 3,5 kW jede anstehende Energiemenge von maximal 2 MJ klaglos auf und setzt diese in Wärme um. Applikationsabhängig können auch sichere Bremswiderstände höherer Leistung ausgewählt werden. Dies erfolgt allerdings im Prozess des Applikationsengineerings in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden. Da es sich um eher seltene Einsatzfälle handelt, wird die generell festgelegte Größenordnung des Verbundes als grundsätzlich ausreichend betrachtet.
Besonderer Kniff für den Betrieb
Für den Betrieb bedient sich der DDM 4.0 der Eigenschaften des oder der im System vorhandenen Dynamischen Speicher-Manager DSM 4.0. Letztere entleeren die Speicher in den Gleichstromzwischenkreis und halten dort das Spannungsniveau auf hohen 470 V DC, wodurch es dem Dynamischen Entlade-Manager DSM 4.0 gelingt, mit weitgehend stetiger Leistung die Energie auf den angeschlossenen sicheren Bremswiderstand zu entladen. Dieser Kniff des optimalen Zusammenspiels bringt die deutliche Reduktion der Entladezeit gegenüber passiver Entladung auf einen ohmschen Widerstand. Wartungs- oder Umbauarbeiten im Schaltschrank sind dadurch nicht nur sicherer, sondern auch nach bislang ungekannt kurzer Wartezeit durchführbar.
Das Gerät kann über mehrere Möglichkeiten aktiviert werden. Es erhält über den digitalen Eingang ein Signal entweder von einem Schalter oder von einer übergeordneten Steuerung. Ein weiterer und eleganter Weg ist der über einen Klartextbefehl, der ebenfalls von einer übergeordneten Steuerung gesendet wird. Gleichzeitig muss das gesamte System selbstredend vom Stromnetz getrennt sein. Zudem ist der DDM 4.0 mit Eigenschaften ausgestattet, die jederzeit die Sicherheit des Systems und damit des Personals die notwendige Priorität geben. Schließlich war es ja auch das Thema Sicherheit, das als Ausgangspunkt der Entwicklung des Dynamischen Entlade-Managers DDM 4.0 gelten darf. Das Gerät selbst ergänzt in Verbindung mit dem festgelegten sicheren Bremswiderstand aus gleichem Haus das Baukastensystem der dynamischen Energiemanagementlösungen um einen weiteren Sicherheitsfaktor.
