Pufferung von Leistungsspitzen mittels Supercap

[KondensatorKeule]

Moin, moin!

Ich möchte zu Veranschaulichungszwecken im Themenbereich "Energieflexibilisierung" die Leistungsspitzen von einer Fertigungsmaschine glätten. Dafür möchte ich einen Superkondensator benutzen, der über bis zu 5 Sekunden bis zu 30 Watt bereitstellen bei einer Betriebsspannung von 24 Volt zusteuern soll, wenn meine Maschine gerade besonders schuften muss. Aufladen soll er sich in Zeiten des Produktionszyklus, zu denen die Maschine nicht soviel Leistung frisst. Als Ergebnis möchte ich einen annähernd konstanten Leistungsverbrauch messen können.

Mein Frage: Wie kann ich meinen Supercap verschalten? Was brauche ich an Messelektronik, damit er sich entsprechend ab- und zuschaltet oder tut er das auf Wunderweise automatisch? Und wie könnte eine provisorische Schaltung aussehen?

Vielen lieben Dank! Ich bin sehr gespannt auf eure Antworten.

[witkatz]

Fertigungsmaschine klingt nach Drehstrom und Servotechnik mit DC Zwischenkreis. Die Zwischenkreise die ich so aus der Praxis kenne arbeiten mit bis zu 680V. Die kleineren Servo- und Schrittmotorantriebe werden mit 48V versorgt. Was ist das für eine Fertigungsmaschine, die mit 24V läuft und nur 30W Anschlussleistung hat? Im Prinzip kannst du dein Stützkondensator an die DC anschließen, wenn deine Fertigungsmaschine mit schwankenden Spannungen klar kommt. Schau dir die Kondensator-Entladekurve an, was mit den 24V passiert, wenn der Kondensator entladen wird. Wenn deine Maschine konstante 24V braucht, muss die sinkende Kondensatorspannung mit Boost Converter auf die 24V gebracht werden, dann ist die Schaltung nicht mehr so simpel.

Vielleicht beschreibst du deine Fertigungsmaschine etwas genauer und ein Schaltbild der aktuellen Spannungsversorgung wäre auch hilfreich.

[Manf]

Das Ganze als Modell mit 150 Ws Überbrückungsenergie.
Betrieb der Maschine an einem Schaltnetzteil das mit 110-230V arbeitet.
Speisung aus gleichgerichteter Netzspannung mit Kondensatoren 470µF 450V ab 10Stück für 1,85€ pro Stück.
Nur mal so skizziert.

[Klebwax]

Ich möchte zu Veranschaulichungszwecken im Themenbereich "Energieflexibilisierung" die Leistungsspitzen von einer Fertigungsmaschine glätten. Dafür möchte ich einen Superkondensator benutzen, der über bis zu 5 Sekunden bis zu 30 Watt bereitstellen bei einer Betriebsspannung von 24 Volt zusteuern soll, wenn meine Maschine gerade besonders schuften muss. Aufladen soll er sich in Zeiten des Produktionszyklus, zu denen die Maschine nicht soviel Leistung frisst. Als Ergebnis möchte ich einen annähernd konstanten Leistungsverbrauch messen können.

Das dürfte nicht allzu kompliziert sein. 30W bei 24V ist so rund 1,5A, für moderne Supercaps kein Problem. Schalten muß man eigentlich auch nichts, die ganze Anlage wird einfach direkt aus dem Supercap gespeist, das Netzteil lädt ihn immer wieder auf. Ich hab so etwas ähnliches seit einigen Jahren in Betrieb, nur mit einem Akku.

Bei mir ist es Torantrieb, der bei 12V auch mal 10A benötigt. Motor und Steuerung hängen an einem 12V Akku, der mit einem kleinen Ladegerät, das die 10A nie leisten könnte, ständig auf 13,8V (Bleiakku) gehalten wird. Das ganze ist an manchen Tagen für wenige Minuten, an anderen nie in Betrieb.

Bei dir könnte die Schaltung so aussehen: Netzteil mit 24V, Supercap zwischen 24V und Masse und dann der Verbraucher. Dabei sind im wesentlich 3 Probleme zu lösen. Supercaps vertragen keine 24V, man muß sie also wie Akkuzellen hintereinander schalten. Hier mal etwas Literatur von Maxwell dazu (Die technischen Überlegungen gelten natürlich auch für andere Hersteller). Man muß nur aufpassen, daß die ausgesuchten Typen genügend Strom liefern könne, ihr Innenwiderstand klein genug ist. Die lange bekannten "Goldcaps" taugen z.B. nicht. Wenn jeder Kondensator 2,5V aushält reichen 10 Caps in Reihe knapp aus. 11 wären möglicherweise besser.

Das zweite Problem ist das Aufladen der Kondensatoren, nach dem Einschalten sind sie ja leer. Ihr niedriger Innenwiderstand lässt sehr hohe Ströme zu, die das Netzteil möglicherweise nicht verträgt. Ist das Netzteil kurzschlussfest gibt es eigentlich kein Problem. Ansonsten braucht man eine Strombegrenzung wie hier z.B.

Das dritte Problem kann beim Ausschalten auftreten. Manche Netzteile vertragen es nicht, wenn aus dem geladenen Kondensator Strom rückwärts ins Netzteil fließt. Zur Not hilft da eine Diode.

Insgesamt ist das nicht wirklich problematisch. Jetzt muß man sich nur die zeitliche Verteilung des Stromverbrauchs ansehen und daraus die notwendige Kapazität des Supercaps und des Netzteils bestimmen.

MfG Klebwax

[KondensatorKeule]

Ja stark! Vielen Dank schon mal für eure Antworten, da waren viele Sachen dabei, die mir gedanklich weitergeholfen haben und auf deren Grundlage ich mich weiter

Bei dir könnte die Schaltung so aussehen: Netzteil mit 24V, Supercap zwischen 24V und Masse und dann der Verbraucher.

Wenn ich meinen Kondensator parallel zum Verbraucher schalte, würden auf jeden Fall Lastspitzen beim Anlaufen gepuffert werden. Da habe ich viele Beispiele von Glättungs- oder Pufferkondensatoren gefunden, vor allem im Car-HiFi-Bereich zum Auffangen von "Bassattacken". Wenn mein Kondensator aber dann vollgeladen ist, "macht er nicht mehr". Es ist also doch nicht so einfach, wie ich mir das gewünscht hätte. Oder?

Was mich nämlich vor allem interessiert ist die Glättung der Leistung über den gesamten Betrieb, also ein Aufladen des Supercaps zu Zeiten von geringer Last und ein Entladen der gespeicherten Energie zu Zeiten von hohem Leistungsverbrauch, sodass der Verlauf der Leistung, die der gesamte Stromkreis benötigt, insgesamt geglättet wird. Dabei geht es mir primär darum, dass man den Effekt der Lastglättung zu Veranschaulichungszwecken sichtbar machen kann, wenn man einmal den Leistungsverlauf ohne Supercap aufzeichnet und ihm dem durch den Supercap geglätteten gegenüberstellt.

Könnt ihr mir weiterhelfen, wie ich das auf Schaltungsebene realisieren kann?
Bin ich auf dem richtigen Dampfer oder ist mein Gedankengang noch ganz löchrig vor Verständnislücken?

LG!

[Manf]

die Glättung der Leistung über den gesamten Betrieb

Wenn das Netz beliebig leistungsfähig ist dann ist der Kondensator stets voll und die Leistung kommt aus dem Netz.
Man könnte vor den Kondensator im einfachsten Fall eine Glühbirne schalten, dann sieht man wie die Leitung glüht wenn die Leistung entnommen wird und die Kondensatorspannung sinkt.

(Für den praktischen Fall wird man eine verlustarme Strombegrenzung einführen.)

[Klebwax]

Wenn ich meinen Kondensator parallel zum Verbraucher schalte, würden auf jeden Fall Lastspitzen beim Anlaufen gepuffert werden. Da habe ich viele Beispiele von Glättungs- oder Pufferkondensatoren gefunden, vor allem im Car-HiFi-Bereich zum Auffangen von "Bassattacken". Wenn mein Kondensator aber dann vollgeladen ist, "macht er nicht mehr". Es ist also doch nicht so einfach, wie ich mir das gewünscht hätte. Oder?

Dunkel ist deiner Rede Sinn.

Könnt ihr mir weiterhelfen, wie ich das auf Schaltungsebene realisieren kann?

Ich hab das doch beschrieben, aber hier mal aufgemalt:



Ich versuche auch mal eine Beschreibung der Abläufe, die Werte sind ausgedacht.

Der Verbraucher braucht typisch 1A, Spitzen können aber 10A sein, das Netzteil kann bis 2A liefern und begrenzt den Strom auf diesen Wert (wenn nicht, würde es einfach abbrennen oder die Sicherung des Netzteils kommt). Nach dem Einschalten lädt das Netzteil den Kondensator auf, das dauert etwas. Der Verbraucher sollte da nicht wirklich aktiv sein, sonst dauerts länger. Wenn jetzt der Verbraucher 1A zieht, liefert das das Netzteil den Strom. Man könnte aber auch sagen, der Kondensator liefert den und wird gleichzeitig mit 1A aufgeladen. Kommt auf das gleiche heraus. 1A rein, 1A raus macht in Summe 0, die Ladung auf dem Kondensator ändert sich nicht.

Steigt jetzt der Strom liefert das Netzteil bis 2A. Steigt der Strom weiter, muß der Kondensator liefern im Beispiel die fehlenden 8A. Dabei sinkt seine Spannung, das kann man mit den gängigen Formeln für die Kondensatorladung berechnen. Sinkt der Strom dann wieder auf 1A, liefert das Netzteil 2A, eins für den Verbraucher, das andere lädt den Kondensator auf bis er wieder die Netzteilspannung erreicht hat. Dann muß das Netzteil nur noch 1A liefern.

Wie tief die Spannung in der Hochstromphase sinken darf, hängt vom Verbraucher ab. Aus diesem Wert und der Dauer der Hochstromphase kann ein Mindestwert für die Kapazität des Kondensators bestimmt werden.

Thats's it

MfG Klebwax

[KondensatorKeule]

Salvete,
erstmal nochmals vielen Dank für eure Muße und Genauigkeit der Erklärungen in fortwährend freundlichem Ton, ich bin sehr positiv überrascht. In anderen Foren, die ich durchgelesen habe, ging es oft ein wenig rauer zu. Durch eure schicken Erklärungen, habe ich auch schon eine Menge lernen können. Danke auch dafür!

Ich glaube, dass ich mein Problem am Anfang noch nicht ausführlich genug beschrieben habe.

das Netzteil kann bis 2A liefern und begrenzt den Strom auf diesen Wert

Meine Maschine läuft einwandfrei in ihrer jetzigen Konstellation und das Netzteil ist noch lange nicht ausgelastet. Ich will vielmehr den Kondensator aufladen zu Zeiten, in denen die Maschine wenig verbraucht und ihn entladen und als Strom- und Energiequelle nutzen bei einer Leistungsspitze, damit der Verbrauch geglättet wird. Nicht, weil es technisch notwendig wäre, sondern damit ich zu Anschauungszwecken den geglätteten Lastgang dem ungeglätteten gegenüberstellen kann.
Noch vor dem Netzteil ist nämlich ein Energiemeter verbaut, das fortwährend über eine Spule die Stromstärke und damit auch von der Maschine bezogene Leistung aufzeichnet. Und diesen Wert, die Leistung, die vom Netz bezogen wird möchte ich verändern.

Und das gestaltet sich schaltungstechnisch, fürchte ich, etwas komplizierter. Nach weiterer Recherche kam ich jetzt auf die Idee, einen Transistor zu verwenden, der den parallel geschalteten Supercap in Mini-Intervallen ab- und zuschaltet, sodass die Maschine zu Zeiten hohen Verbrauchs aus ihm und dem Netz gespeist wird, was dann ja die in dem Zeitpunkt vom Netz bezogene Leistung verringert. Wie der Transistor aber erkennt, wann er zu handeln hat und wie das Ganze zu verschalten ist, geht weit über meinen jetzigen Wissenstand hinaus. Habt ihr dazu Ideen?

Mfg und einen schönen Start in den Tag!

[Manf]

Ich hab das doch beschrieben, aber hier mal aufgemalt:

Das geht schon so wie oben auch im Bild dargestellt.

Bei der anderen Lösung, wie von mir beschrieben, befindet sich der Kondensator vor dem Netzteil und der Verbraucher erhält damit eine konstante Spannung.

Wenn Schaltungstechnik das Problem ist dann ist die Glühbirne in der Leitung vielleicht doch eine einfache Lösung. Vor dem Netzteil hat man es allerdings mit entsprechend hohen Spannungen zu tun.

[Klebwax]

Meine Maschine läuft einwandfrei in ihrer jetzigen Konstellation und das Netzteil ist noch lange nicht ausgelastet.

Dann liefert immer das Netzteil. Wenn der Kondensator etwas liefert, sinkt seine Spannung. Das gleicht das Netzteil aber sofort aus, der Kondensator ist wirkungslos. Der Strom aus dem Netzteil muß schon begrenzt sein. Und alles was du dazu baust, um möglicherweise etwas zu schalten wird zusätzliche Verluste erzeugen. Dann stimmt die ganze Sache nicht mehr.

Ich will vielmehr den Kondensator aufladen zu Zeiten, in denen die Maschine wenig verbraucht und ihn entladen und als Strom- und Energiequelle nutzen bei einer Leistungsspitze, damit der Verbrauch geglättet wird. Nicht, weil es technisch notwendig wäre, sondern damit ich zu Anschauungszwecken den geglätteten Lastgang dem ungeglätteten gegenüberstellen kann.

Der Sinn erschließt sich mir nicht wirklich. Wenn deine Maschine im typischen Betrieb (ausgedachte Zahl) 1Wh verbraucht, dann tut sie das geglättet oder ungeglättet. Rechne aus dem Verbrauch einfach den Strom aus, dann ist das der mittlere Strom. Da braucht man nichts zu bauen.



Diese Messgerät z.B. kann dir die Wh anzeigen.

Bei der anderen Lösung, wie von mir beschrieben, befindet sich der Kondensator vor dem Netzteil und der Verbraucher erhält damit eine konstante Spannung.

Dann muß aber alles auf den Spitzenstrom ausgelegt sein, bei meinem Rechenbeispiel für 10A statt für 2A. Das macht schon einen Unterschied in Größe und Preis. Bei meinem Torantrieb mit Akku statt Supercap zieht der Motor 10A oder auch mal mehr, wenn es kalt und das Fett in den Lagern steif ist. Der normale Verbrauch sind einige zehn Milliampere für den µC. Das Netzteil dazu liefert ein gutes Ampere für die Ladeschaltung. Das müsste um ein vielfaches größer sein, wenn es den Spitzenstrom liefern sollte.

Auch der Wirkungsgrad dürfte schlechter sein. Ein 10A Netzteil, das die meisste Zeit mit 10% Leistung arbeitet (mein Rechenbeispiel), ist schlechter als ein 2A Netzteil mit 50% Auslastung.

MfG Klebwax