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Michael Koch: „Unser DES funktioniert prinzipiell wie das aus der Formel 1 bekannte Kers-System, ist jedoch langlebiger und viel einfacher anzuwenden, da es keinen Inbetriebnahme- oder Programmieraufwand erfordert.“

Das Kers-System für den Maschinenbau

Michael Koch: „Unkomplizierter kann Inbetriebnahme kaum sein: Man muss lediglich drei Litzen an den DES anschließen. Alles Weitere macht das Gerät selbst.“

Der Vergleich eines Bremszyklus mit Bremschopper (blau) sowie mit DES (rot) zeigt die Energieeinsparung ΔEDES und die reduzierte Zwischenkreisbelastung durch die Spannungsdifferenz ΔUDES

Beim Abbremsen oder beim Senken einer Last arbeiten Elektromotoren als Generatoren. Die dabei entstehende Energie muss über den Umrichter abgeführt werden. Das geschieht meisten mithilfe von Bremswiderständen. Häufig wird auch die Rückspeisung ins Netz propagiert. Einen effizienten und wirtschaftlichen Mittelweg bietet die Michael Koch GmbH an. Die etz-Redaktion fragte Geschäftsführer Michael Koch, was hinter dem dynamischen Energiespeicher steckt.

Angesichts der Vielzahl am Markt verfügbarer Bremswiderstände: Worauf sollte ein Anwender bei der Auswahl achten?
M. Koch: Sicherlich ist nicht jeder Bremswiderstand für jede Anwendung geeignet. So gibt es Unterschiede im Bereich der Schutzart und der Einbaumöglichkeiten – innerhalb oder außerhalb des Schaltschranks. Vor allem kommt es darauf an, dass der Widerstand auch bei dauerhafter Überlastung keine Probleme für das Umfeld darstellt und keinen Schaltschrankbrand oder Körperschluss verursacht. Deswegen muss er bei Überlastung sicher trennen. Allerdings gibt es keine Klassifizierung für Bremswiderstände. Deswegen kann man ihre sichere Funktion nur durch Ausprobieren bzw. die Simulation von Extremfällen überprüfen. Bei uns, der Michael Koch GmbH, ist das unter Laborbedingungen möglich. Aufgrund unserer Erfahrungen in der Antriebstechnik wissen wir um die möglicherweise auftretenden Probleme und legen bei der Entwicklung besonderen Wert darauf, dass unsere Widerstände bei dauerhafter Überlastung wie eine Sicherung sicher trennen. Das ist eine Eigenschaft, die nicht jeder Bremswiderstand am Markt aufzuweisen hat.

Da Bremswiderstände die anfallende generatorische Energie verbrennen, propagieren viele Hersteller die Rückspeisung ins Stromnetz. Warum wird diese Möglichkeit selten genutzt?
M. Koch: In der Regel treten im klassischen Maschinenbau – je nach Größe der eingesetzten Antriebstechnik – sehr kurze und harte Bremsungen auf. Die meisten elektrischen Antriebe haben eine Leistung von weniger als 2,2 kW. Daher sind die anfallenden Energien pro Bremsung eher gering. Die Rückspeiseeinheit bei Frequenzumrichtern ist jedoch nicht günstig und rentiert sich nur, wenn viel Energie beim Bremsen auftritt. Ein klassisches Beispiel dafür sind Aufzüge über viele Stockwerke, bei denen die Bremsenergie für eine Dauer von 10 s bis 30 s ansteht. Allerdings liegt die zurückgewonnene Energie auch hier nur im kWs-Bereich. Die Installation eines zusätzlichen Wechselrichters rentiert sich somit nur in den seltensten Fällen.

Vor etwa zwei Jahren hat Ihr Unternehmen einen dynamischen Energiespeicher als weitere Möglichkeit zur Energieeinsparung präsentiert. Was hat man sich darunter vorzustellen?
M. Koch: Der dynamische Energiespeicher DES funktioniert wie eine Rückspeiseeinheit. Er speist die Energie aber nicht ins Netz zurück, sondern speichert sie. Wenn das Antriebssystem wieder Energie benötigt, steht sie im Zwischenspeicher zur Verfügung. Prinzipiell ist unsere Lösung mit dem Kers-System in der Formel 1 vergleichbar. Im Gegensatz zum Kers-System, das bei einem Rennen vielleicht 300-mal genutzt wird, muss unser DES aber in jeder Sekunde und über einen längeren Zeitraum sicher funktionieren. Innerhalb von zwei Jahren wären das zum Beispiel weit über 80 Millionen Zyklen. Dementsprechend hohe Anforderungen muss der dynamische Energiespeicher hinsichtlich der Störfestigkeit erfüllen.

Was macht die DES-Lösung so einzigartig?
M. Koch: Zunächst haben wir die Problematik der Netzrückspeisung gelöst. Unser Energiespeicher arbeitet unabhängig vom Stromnetz. Dadurch kann es auch nicht zu Rückwirkungen kommen. Zum anderen ist der dynamische Energiespeicher unserer Meinung nach ein Musterbeispiel an einfacher Handhabung. Das System funktioniert mit jedem üblichen Umrichter ohne jeglichen Inbetriebnahme- oder Programmieraufwand. Über die Anschlüsse am Zwischenkreis und am Brems-Chopper-Ausgang des Frequenzumrichters liest es alle benötigten Informationen aus und passt sich an die spezifischen Gegebenheiten des Antriebssystems an.

Eine Parametrierung entfällt also?
M. Koch: Genau. Unser Streben war es, einen aktiven Bremswiderstand als Speicher zu entwickeln, der genauso einfach angeschlossen werden kann, wie ein elektrischer Widerstand. Bei unseren Produkten kommt ein Brems- Chopper-Ausgang als dritter Anschluss hinzu, um das System universell einsetzbar zu machen.

Wie speichern die DES die Energie?
M. Koch: Das wesentliche Merkmal unseres DES ist das sichere Funktionieren über die gesamte Lebensdauer. Bei weit über 10 Millionen Zyklen dürfte klar werden, dass klassische Batterien oder Doppelschicht-Kondensatoren keine Lösung wären. Dank der von uns eingesetzten speziellen Elektrolytkondensatoren erreichen wir Lebensdauern, die über denen des angeschlossenen Frequenzumrichters liegen.

Wirken Ihre Geräte auch der Belastung des Stromnetzes durch Frequenzumrichter entgegen?
M. Koch: Der DES entlastet sowohl den Frequenzumrichter als auch das Versorgungsnetz. Bei direktem Anschluss an den Gleichstromzwischenkreis bildet er sozusagen einen „Energieüberlauf“. Er fängt die Spannungsspitzen bei Bremsungen, die normalerweise so lange anstehen, bis der Bremschopper getriggert wird, auf, speichert die elektrische Energie und stellt sie dem Antrieb wieder zur Verfügung. So wird die Elektronik entlastet, der Chopper wird nicht beansprucht und die Zwischenkreisspannung bleibt stabil. Durch die Energiespeicherung und Rückgabe wird ebenso die Zeit verringert, in der der Umrichter wieder Energie aus dem Netz bezieht. Das schont Netz und Umrichter gleichermaßen.

Die dynamischen Energiespeicher schließen also die Lücke zwischen klassischen Bremswiderständen und Energiespeichern?
M. Koch: So ist es. Beim Seriengerät gibt es allerdings eine Limitierung hinsichtlich der Größe des Energiespeichers, die bei etwa 1,6 kWs liegt. Das reicht jedoch für die marktüblichen kleineren Antriebe. Für das eben erwähnte Beispiel eines elektrischen Aufzugs würde das aber zu wenig sein. Die höheren Kosten für ein DES amortisieren sich durch die Energieeinsparung in zwei bis drei Jahren. Bei kurzen Bremszykluszeiten im einstelligen Sekundenbereich rentiert sich die Investition sogar schneller. Leider wird in vielen Bereichen das Investitionsvolumen immer noch höher bewertet als die laufenden Kosten, sonst wären sicherlich schon viel mehr DES im Einsatz.

Bieten Sie auch Rentabilitätsberechnung an?
M. Koch: Natürlich. Das ist im Falle unserer Geräte relativ einfach. Aus der Bremsenergie, die unser Gerät aufnimmt und die über eine Schnittstelle ausgelesen werden kann, lässt sich die Energieersparnis ohne großen Aufwand ermitteln. Wer bei der Projektierung berechnen möchte, wie viel Energie er bei seiner Anwendung sparen kann, dem steht auf unserer Internetseite (www.bremsenergie.de) eine App für iOS- und Android-Geräte zur Verfügung. Diese enthält neben dem Berechnungstool unter anderem Infos über unsere Bremswiderstände, den dynamischen Energiespeicher und die dynamische Energieversorgung.

Was steckt denn hinter der dynamischen Energieversorgung?
M. Koch: Kurzzeitige Netzunterbrechungen und Netzstörungen können bei sensiblen Antrieben zu Schwierigkeiten und Ausfällen führen. Unsere dynamische Energieversorgung DEV gleicht die Schwankung der Eingangsspannung aus, sodass der Gleichstromzwischenkreis nicht zusammenbricht. Die aktive Kapazitätserweiterung für Gleichstromzwischenkreise hat in ihrer Standardausführung eine Speicherkapazität von rund 2 kWs. Sollte das Speichervolumen einer DEV für die konkrete Anwendung nicht ausreichen, kann es durch sogenannte Erweiterungsmodule unkompliziert in 2-kJ-Schritten ergänzt werden. Während die DES den pulsierenden Betrieb unterstützen, indem sie Bremsenergie speichern und wieder zur Verfügung stellen, fungiert die DEV also als Kurzzeit-USV für Antriebsumrichter und Servoregler. In der Version DEK werden beide Aufgaben kombiniert. Die Typen DEV und DEK melden zudem, wenn das Netz nicht ordnungsgemäß funktioniert, und könnten daher sozusagen auch als Netzdetektor bezeichnet werden. Über eine digitale 24-V-Schnittstelle lässt sich ein Signal an eine SPS senden, die dann ein Nothaltprogramm ausführt und die Maschine mithilfe der in unseren Komponenten gespeicherten Energie in einen sicheren Zustand führt. Der DEK ist also ein dynamischer Energiespeicher mit zusätzlichem Sicherheitspuffer, sodass ein Antrieb in jedem Fall noch in einen sicheren Bereich gefahren werden kann. Hier verlangt übrigens kaum jemand eine Amortisationsrechnung. Wenn durch den Einsatz beispielsweise das Werkzeug oder ein Werkstück vor Zerstörung geschützt oder die Einrichtzeit nach einem Stromausfall minimiert werden kann, wiegen die gesparten Nerven und der vermiedene Ärger alles auf.

Wo sehen Sie das größte Anwendungspotenzial, wo neue Zielgruppen?
M. Koch: Bisher haben wir mit unseren Bremswiderständen hauptsächlich Antriebstechniker und Maschinenbauer bedient. Mit Einführung von DES, DEV und DEK hat sich aber gezeigt, dass sich auch die Anwender der Maschinen, die ja direkt mit den Problemen aufgrund von Netzstörungen konfrontiert werden und verstärkt für Energieeinsparung sensibilisiert sind, für unsere Produkte interessieren. Zudem setzen auch schon einige OEM unsere Produkte ein und vertreiben sie unter ihrer Marke. Dementsprechend gestalten wir die dynamischen Energiespeicher und -versorgungen natürlich auch in ihrem individuellen Corporate Design. (no)

Ausgezeichnete Technik
Für die Entwicklung des dynamischen Energiespeichers DES und der dynamischen Energieversorgung DEV sowie ihre Bemühung zum nachhaltigen Wirtschaften wurden die 30 Mitarbeiter der Michael Koch GmbH schon mehrfach ausgezeichnet. So erhielt das Unternehmen aus Ubstadt-Weiher 2011 im Wettbewerb „Großer Preis des Mittelstandes“ der Oskar-Patzelt-Stiftung die zweithöchste Auszeichnung überhaupt. Dieser Preis wird in der wissenschaftlichen Benchmarkstudie 2011 als wichtigster Wirtschaftspreis Deutschlands gekürt. Auch beim deutschen Innovationspreis 2013, mit dem jährlich zukunftsweisende Innovationen deutscher Unternehmen ausgezeichnet werden, belegte die Michael Koch GmbH den zweiten Platz. Zuletzt gewann das Familienunternehmen den VR-Innovationspreis Mittelstand 2013, dem Innovationswettbewerb der Volks- und Raiffeisenbanken in Baden-Württemberg und erhielt eine Anerkennung beim Dr. Rudolf-Eberle-Preis, dem Innovationspreis des Landes Baden-Württemberg.

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Autor:
Dipl.-Ing. (FH) Frank Nolte ist stellvertretender Chefredakteur der etz