Wenn die Mechanik mitmacht, lässt sich der Maschinentakt erhöhen

Herr Koch, was sind denn aus Ihrer Sicht die markantesten Änderungen gegenüber der bestehenden Reihe an dynamischen Zwischenkreisspeichern?

Michael Koch: Für mich ganz wesentlich, sind die verbesserten Sicherheitsfeatures. Zum einen haben wir eine ausgefeiltere Leistungs- beziehungsweise Lastüberwachung. Die sichert jetzt alle uns bekannten Eventualitäten ab, etwa unerwartete Spitzen­belastungen. Das gilt gleichermaßen für den Energiespeicher wie auch den Zwischenkreis.

Keiner gibt es gerne zu, aber wir haben öfters defekte Geräte zurückbekommen, bei denen aufgrund eines falschen Anschlusses die DC-Sicherung ausgelöst hat. Daher zähle ich auch den integrierten Verpolschutz zu einem wichtigen Feature der neuen Gerätegneration. Zudem können jetzt auch geladene Speichermodule angeschlossen werden, was insbesondere beim Zuschalten von Batterien und Doppelschichtkondensatormodulen in der Vergangenheit immer wieder mal ein Thema war. Das haben wir jetzt durch eine Ladeschutzschaltung gelöst.

Ansonsten sind die Pxt-Geräte wesentlich leistungsfähiger als die DEx-Baureihe, was Stromtragfähigkeit und den Spannungsbereich betrifft.

Das klingt ja nach einem umfangreichen Pflichtenheft. Ist das zusammen mit Anwendern und Kunden entstanden?

Michael Koch: Wir haben keine klassische Marktforschung und -analyse betrieben. Die Verbesserungen sind das Ergebnis unserer Erfahrungen, die wir über die letzten zehn Jahre zusammengetragen haben. Vor gut zwei Jahren fiel dann der Startschuss für die Entwicklung der neuen Leistungs- und Signalelektronik.

Die Baureihe hat einen etwas kryptischen Namen bekommen: Pxt. Wie ist der entstanden?

Michael Koch: Unser Ziel vor zehn Jahren war es, quasi einen intelligenten Bremswiderstand zu entwickeln. Daraus sind unsere dynamischen Energiespeicher DES entstanden und eine Reihe weiterer spezifischer Geräte. Am Ende reduziert sich deren Funktion auf eine einzige Aufgabe ­­– Leistung über eine gewisse Zeit bereitzustellen. Mathematisch ausgedrückt: Pxt.

Können Sie konkretisieren, in welchen Parametern sich die Pxt-Baureihe verbessert hat?

Michael Koch: Mit dem Pxt FX lösen wir die DEx-Geräte ab. Dabei haben wir die Stromlastfähigkeit von 12 A jetzt 20 A Dauerstrom erhöht. 2/3 mehr Stromlastfähigkeit ist eine Menge Holz. Das wirkt sich auch positiv auf die Dauer des bereitstellbaren Spitzenstroms von 40 A aus. Die Geräte liefern 40 A nun wesentlich länger: Statt bislang sechs Sekunden wird es wahrscheinlich an die Minute rangehen…

…Wieso wahrscheinlich?

Michael Koch:… Es stehen noch abschließende Tests aus. Und ich will nichts versprechen, was wir nicht halten können. Eine weitere signifikante Verbesserung betrifft die Zykluszeit, also die Anzahl von Brems-Start-Zyklen. Mit der FX-Baureihe können wir im Vergleich zum Vorgänger künftig 60 Prozent mehr Energieeinsparung realisieren, denn je kürzer die Zyklen, also je häufiger eine spezifische Energiemenge über eine definierte Zeit aufzunehmen ist, desto höher die Einsparung.

Erweitern die gesteigerten Leistungsparameter den Anwendungsbereich Ihrer Geräte hin zu größeren Antrieben?

Michael Koch: Definitiv ja. Das war eine Zielsetzung bei der Entwicklung. Das andere ist das Spannungs­niveau auf der Speicherseite besser zu nutzen. Da wir häufig mit Kondensatoren oder Doppelschichtkondensatoren arbeiten, bedeutet eine höhere Stromtragfähigkeit eine effektivere Nutzung der Speicher. Andersrum gesagt: Wenn wir für die Leistung aufgrund des höheren Stroms nicht so viel Spannung brauchen, können wir die Speicher etwas tiefer entladen und brauchen so weniger teure Speicher. Wir können also mit der Rest-Spannung der Speicher tiefer gehen, und trotzdem die gleiche Leistung bereitstellen.

Was sind denn die Kernzielanwendungen? Ist es wirklich die klassische Einzelachs-Absicherung?

Wenn die Mechanik mitmacht, lässt sich mit wenig Aufwand der Maschinentakt erhöhen. Redaktion IEE

Michael Koch: Jeder Umrichter oder Drive Controller mit Zwischenkreisabgriff ist prädestiniert dafür, mit unseren Geräten kombiniert zu werden. Das sind nicht nur Einzelachssysteme, sondern auch Multiachs-Anwendungen oder Gleichstromkreise an sich.

Unser Gerät arbeitet autark, das heißt, es ist auch nicht von irgendwelchen Ladeschaltungen im Gleichstromzwischenkreis abhängig. Daher kann unser FX einfach an die Plus- und Minus­kontakte vom Zwischenkreis eines Antriebs angeschlossen werden. Danach arbeitet es als Puffermodul, entweder zur Rekuperation von Bremsenergie oder, wenn das Speichermodul vorher schon geladen wurde, als unterbrechungsfreie Stromversorgung. Weil der Speicher direkt am Gleichstromzwischenkreis hängt ist das dann auch wirklich unterbrechungsfrei.

Sie erwähnten DC-Kreise. Es gibt ein BMBF-gefördertes Projekt, DC-Industrie. Ist das kein Ansatzpunkt für Sie, daran mitzuarbeiten?

Michael Koch: Wir sind jetzt kein aktives Mitglied des Forschungsprojekts. Über das Fraunhofer-Institut, das bei DC Industrie federführend ist, haben wir natürlich Kontakte. Wir haben auch schon die ein oder andere Anlage mit kleinen dynamischen Energiemanagementsystemen ausgerüstet. Schließlich haben wir bereits serienmäßige Lösungen für Energiepuffer zur Verfügung, die in die Lösungen eines Projekts wie DC-Industrie einfach integrierbar wären – ohne großen Forschungs- und Entwicklungsaufwand. Den haben wir ohne Fördergelder über die letzten Jahre bereits geleistet.

Ein Aspekt, der immer wieder genannt wurde, ist die Energie­einsparung durch Nutzung der Bremsenergie bei Antrieben. Ist das tatsächlich die Hauptmotivation für Anwender?

Michael Koch: Es ist zumindest die Überschrift, die das Interesse weckt – immer noch. Als wir vor zehn Jahren mit den aktiven Energiemanagementsystemen begonnen haben, war das der euphorische Claim – bis man im konkreten Fall ausgerechnet hatte, wie viele Rekuperations-Vorgänge es tatsächlich braucht, um eine einzige Kilowattstunde zusammen zu kriegen. Auch war die klassische ROI-Betrachtung anfangs nicht ganz so klar. Mittlerweile ist das eineindeutig: Die Kaufentscheidung wird getroffen, wenn ein Produktivitätsfortschritt erzielt wird.

Und der Produktivitätszuwachs ist zu gering?

Michael Koch: Der kann sehr unterschiedlich ausfallen. Es ist jedenfalls nicht die Energieeinsparung. Oft lässt sich eine Maschine mit unseren Zwischenspeichern schneller betreiben, weil das notwendige Startmoment schneller zur Verfügung steht. Oder wir verhindern Ausfälle durch eine Lebensdauerverlängerung der Elektronik.

Die erwähnte USV-Funktion kann Brownouts und Blackouts natürlich nicht vermeiden; aber wir minimieren die negativen Konsequenzen. Wenn dabei dann auch noch Energie eingespart wird, dann nimmt man das gerne mit. Aber das ist beim Großteil aller Anwendungen nicht die Hauptmotivation.

Letzten Endes überwiegt also die Havarie-Vermeidung.

Michael Koch: Noch mehr die Produktivitätssteigerung. Denn in vielen Fällen ist die Antriebselektronik und deren zu kleine Zwischenkreiskapazität der Flaschenhals. Er wird durch die vielen Lastwechsel stark strapaziert. Unsere Systeme gleichen das als aktive Kapazitätserweiterung aus. Das ermöglicht dann, die Prozesse schneller laufen zu lassen – sofern die Mechanik mitspielt.

Sie sind also primär im geregelten Servoantriebsbereich unterwegs, weniger die klassische Drehzahl­regelung oder Anfahr-Rampen für normale Umrichter?

Michael Koch: Jeder Frequenzumrichter, der in irgendeiner Form eine Unterstützung im Sinne von Energiemanagement, Energiehaushalt in seinem Zwischenkreis gebrauchen kann, ist ein Kandidat für unsere Geräte.

Die Baureihe besteht aus den Grundgerät und Erweiterungs­modulen mit Kondensatoren. Wie erfolgt deren Lastmanagement, um eine gleichmäßige Belastung zu erreichen?

Michael Koch: Beim Grundgerät Pxt FX kommen Elektrolyt­kondensatoren zum Einsatz, die parallelgeschaltet sind, also spannungsgeführt arbeiten. Dazu braucht es kein intelligentes Lastmanagement in Bezug auf die Belastung.

Demnach haben Ihre Elkos kein Alterungsproblem mit der Anzahl an Lade-/Entladezyklen?

Kaum ein Konstrukteur kennt den tatsächlichen Energiebedarf seines Antriebsstrangs. Redaktion IEE

Michael Koch: Wir haben feststellen dürfen, dass nicht jeder Elektrolytkondensator sich für unsere Einsatzszenarien mit ihren hohen Spannungshüben eignet. Wir arbeiten mit Potenzial-Differenzen von mehreren hundert Volt in sehr kurzen Zeiten. Dennoch müssen wir sicherstellen, dass unsere Energiespeicher mindestens 100 Millionen Zyklen halten. Das stellte uns vor die Aufgabe, die richtigen Kondensatoren zu finden und zu qualifizieren. Das war ein intensiver Test- und Forschungsprozess. Nach langem Suchen haben wir einen Hersteller gefunden, der uns die Kondensatoren nach unseren Vorgaben bauen kann.

Die Energiebetrachtung des Antriebsstrangs ist kompliziert. Wie unterstützen Sie denn die Automatisierer beim Maschinenbauer bei der Auslegung und Ermittlung des Energiebedarfs?

Michael Koch: Das ist ein schwieriges Thema. Die wenigsten Maschinenbauer wissen ganz genau, wie viel Leistung an jedem Antrieb über die Lastzyklen bereitgestellt werden muss. Hier kommt unser Vertrieb ins Spiel, der eigentlich mehr Applikationsengineering betreibt. Wir gehen in der Regel gemeinsam mit dem Maschinenbauer vor Ort in die Anlage, schauen uns die Auslegung an und nehmen Messungen vor. Danach können wir das passende System spezifizieren.

Weniger aufwendig ist es, wenn der potenzielle Kunde oder dessen Antriebstechniklieferant Auslegungstools wie Servosoft nutzen. Dann können die Ergebnisse dieser Simulationen übernehmen und in unsere Tools einspielen. Dann steht in kurzer Zeit ein valides Angebot.

Bei einer Maschinenserie mit verschiedenen Baugrößen und Modulen lässt sich schwer im Vorfeld jede Variante komplett berechnen und auslegen.

Michael Koch: Ist insofern kein Problem, wenn wir Leistung oder Energiemenge nur über den Daumen abschätzen können. Dann probieren wir es einfach aus, ohne dass wir groß messen. Anhand der Messtechnik, die in den Geräten eingebaut ist, erkennen wir sehr schnell, wo es hakt. Aufgrund des modularen Aufbaus lässt sich dann die Leistung der aktiven Geräte und die Speichergröße variieren, vergrößern oder eben auch wieder reduzieren.

Bei einem Serienmaschinenbauer oder bei einem Antriebshersteller lohnt sich sicher der Aufwand für die Auslegung. Aber wie ist es bei einem Sondermaschinenbauer, der eben nur drei oder vier Maschinen im Jahr baut? Geht dann ihre interne Kalkulation überhaupt auf?

Michael Koch: Unsere Preisgestaltung ist schlicht und einfach, das heißt stückzahlabhängig. Insofern hat der Serienmaschinen­bauer den Vorteil einer höheren Rabattierung.

Bei speziellen Projekten packt uns auch der Ehrgeiz. Anwendungen wie ein Skilift oder ein Riesenrad, die speziell ausgelegt sein wollen, sehen wir als Referenzprojekte. Die verschaffen uns vielleicht keine monetäre Befriedigung, dafür aber eine emotionale. Schaffen wir solche kniffligen Projekte, dann können wir Serienapplikationen erst recht.

Bei der Auslegung können sie Daten auslesen, ergo, mit den Geräten kommunizieren. Wie verhält sich das im Anlagenbetrieb?

Michael Koch: In den einfachsten Fällen können wir auf die Kommunikation zwischen unseren Energiespeichern und dem Antrieb oder der Steuerung komplett verzichten. Wenn sie denn notwendig sein sollte, haben wir mehrere Möglichkeiten. Die neue Baureihe hat digitale I/Os für Zustandsabfragen sowie einen CAN-basierten internen Bus. Über USB können wir jegliche Informationen über Spannung, Strom, Zustand unserer Geräte und der angeschlossenen Speicher ausgeben.

USB heißt letztendlich Offline. Fordern die Maschinenbauer und die Antriebshersteller nicht mehr Transparenz bei dem System?

Michael Koch: Mittlerweile immer stärker, das ist richtig. Bei den Vorgängergeräten sind wir noch davon ausgegangen, dass unsere Speicher als Peripheriegerät des Umrichters keinen eigenen Kommunikationsbedarf mit übergeordneten Steuerungen haben. Schließlich weiß der Umrichter ja über die Situation unseres Geräts Bescheid. Mittlerweile wird jedoch die Kommunikation nicht nur zum Umrichter gefordert, sondern auch zur über­geordneten Steuerung. Hierfür wird es bis Jahresende eine weitere Ergänzung geben.

Ihre Geräte haben alle einen QR-Code. Welche Infos erhält denn der Elektriker, wenn er den Code scannt?

Michael Koch: Wenn der Automatisierer unsere Android- oder iOS-App auf seinem Device hat, wird er die technischen Daten des Produkts, die individuelle Parametrierung, die wir ab Werk auf Basis der Applikationsdaten einstellen, sehen.

In der App bilden wir darüber hinaus auch die Prüfprotokolle jedes einzelnen Fertigungsschritts ab sowie natürlich die gesamte Gerätedokumentation, von der Montage- und Betriebsanleitung angefangen bis hin zu den Schaltplänen.

Die Parametrierung der Geräte geht immer nur ab Werk?

Michael Koch: Nein, wenn wir davon ausgehen können, dass derjenige, der die Geräte parametriert, auch weiß, was er macht, geben wir den Zugang frei. Vorher qualifizieren wir die Personen natürlich. Bei Serienmaschinenbauern oder Antriebshersteller, die wir als OEM beliefern, ist das beispielsweise der Fall.

Was lässt sich oder muss denn alles eingestellt werden?

Michael Koch: Das sind etwa die Spannungsgrenzen bei der USV-Funktionalität, also die Einsatzgrenzspannung, die von Kontinent zu Kontinent unterschiedlich sein kann. Beim Einsatz zur Leistungsspitzenreduktion gibt es verschiedene Parameter, die wir an die Applikation anpassen müssen. Das alles ist nicht trivial. Deshalb möchten wir die Zugriffsrechte auf Leute beschränken, die sich mit der Thematik auch wirklich auskennen.

Zur Sicherheit hat die neue Generation jetzt auch einen Reset-Knopf, mit dem man das Gerät auf die individuellen Werkseinstellungen zurücksetzen kann.

Die Markteinführung war zur Hannover Messe im April geplant. Ändert sich nach der Verschiebung der Veranstaltung etwas an der Strategie?

Michael Koch: Die Geräte sind keine Dummies, sondern in Serie verfügbar. Unsere Philosophie ist, nur Dinge vorzustellen, die wir dann auch zeitnah unseren Kunden zur Verfügung stellen können. Das ist jetzt nichts, was erst Ende 2020 oder Anfang nächstes Jahr konkret in den Markt eingeführt würde.

Mit den Antriebsherstellern, die unsere Geräte brandlabeln, führen wir aktuell intensive Gespräche, um die Übergangs­szenarien von der alten auf die neue Generation festzulegen. Das Gleiche machen wir mit unseren Serienkunden im Maschinenbau. Grundsätzlich ist die Markteinführung aber sehr breit angelegt. Unser Applikationsengineering steht bereit.

Das Interview führte Chefredakteur Stefan Kuppinger.