Energie als wandelbare Größe

In Verbindung mit der IGBT-Leistungselektronik und der Mikroprozessortechnik übertreffen die AC-Antriebssysteme die DC-Antriebstechnik durch höhere Zuverlässigkeit, niedrige Beschaffungs- und Unterhaltungskosten und bessere Dynamik um ein Vielfaches. Jedoch sind Frequenz- umrichter, Vector- bzw. Servo-regler technisch bedingt nicht in der Lage, automatisch und ohne Zusatzkomponente die Bremsenergie eines Motors und seine Nutzlast zurück in das Versorgungsnetz zu speisen. Entsprechend der Energiebilanz entsteht beim Abbremsen einer Masse ein Energieüberfluss, der entweder in Wärme umgewandelt zurück ins Netz oder an andere Verbraucher geleitet werden muss. Welche von diesen Möglichkeiten verwendet wird, hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Im Folgenden werden verschiedene Möglichkeiten beschrieben.

Bei Applikationen, deren sporadische Bremsvorgänge nicht mehr als 10 bis 15 % des Nennantriebsmomentes benötigen, ist es ausreichend, die zwischenkreisabhängig geführten Rampenzeiten zu aktivieren. Diese Funktion kann über Standardparameter, wie im Frequenzumrichter ERCFW09 von Eurotherm, parametriert werden und ist sowohl im U/f als auch im Vectorregelmodus verwendbar. Die Rampenbremszeit wird hier abhängig von der Zwischenkreisspannung gesteuert und vermeidet die Ausschaltungen des Umrichters aufgrund der Überspannung. Die Lösung verursacht zwar keine zusätzlichen Investi- tionskosten, ist aber nur für einen sehr schmalen Applikationsbereich geeignet.

Ein kurzzeitiges Bremsen der AC- Motoren mit bis zu 30 % des Nennmomentes, hohen Momenten oder Dauerbremsen kann mit Hilfe des optionalen Brems-Choppers oder mit extern angeschlossenen Widerständen ermöglicht werden. Während des Bremsprozesses wird die kinetische Energie der Schwungmassen in den Zwischenkreis des Umrichters zurückgespeist und lädt die Kondensatoren auf. Dies führt zu einer Erhöhung der Zwischenkreisspannung und letztendlich zum Abschalten des Gerätes wegen Überspannung. Bei der Versorgung von 3 x 400 V liegt der Grenzwert bei 740 V. Der eingebaute Brems-Chopper wird spannungsabhängig bei ca. 680 V aktiviert und schaltet dem Zwischenkreis im Pulsverfahren einen externen Widerstand zu. Die Bremsenergie wird im Widerstand in Wärme umgewandelt und somit der unkontrollierte Spannungsanstieg verhindert.

Für die korrekte Dimensionierung des Brems-Choppers und des Widerstandes ist abzuschätzen, welche Schwungmassen in welcher Zeit und wie oft abgebremst werden müssen. Der Maximalwert des fließenden Stromes wird aus der einstellbaren Schwellspannung und dem Widerstandswert berechnet.

Die Bremswiderstände sind so dimensioniert, dass sie etwa 10 bis 20 % der Nennleistung und kurzzeitig die maximale Leistung des Antriebssystems aufnehmen können. Entscheidend bei der Auswahl sind der Einschaltdauerwert (Ed) und der widerstandspezifische Überlastungsfaktor (F). Ed = 100 % • Bremszeit (Bremszeit + Pausezeit) Bei dem Ed von 100 % kann ein Widerstand nur mit 100 W (nominale Leistung) und bei Ed = 20 % mit 400 W belastet werden. Beispielberechnungen findet man unter www.bremswiderstand.de. Weiterhin ist zu beachten, dass die Widerstände vor Überhitzung zu schützen sind. So verfügen Die Umrichter der Serie ERFCW09 standardmäßig über eine elektronische Temperaturüberwachung.

Eine weitere Möglichkeit, kinetische Energie bei Bremsvorgängen von Wechselstrom-Motoren in Wärme umzuwandeln, ist die patentierte Lösung des optimalen Bremsens. Mit diesem Bremsverfahren sind alle Umrichter der Serie ERCFW09 standardmäßig ausgestattet. Ohne zusätzliche Komponenten werden hier die Gesamtverluste des Motors zur Zerstreuung der Bremsenergie verwendet. Die interne Vectorregelung kontrolliert den für das Bremsen benötigten Momentverlauf und gleichzeitig die Zwischenkreisspannung. Dadurch wird die Spannung trotz Veränderung der Verluste im Motor konstant gehalten. Ein 18,5 kW AC-Motor (1800 min-1, Schwungmasse an der Welle mit J = 0,2 kg/m2) kommt bei optimalem Bremsen innerhalb von 1,9 s und beim Bremsen über Brems-Chopper mit 4,1 Ω (1,6 kW) innerhalb von 0,5 s zum Stillstand. Das optimale Bremsen ist zwar weniger effizient als die Brems-Chopper- Methode, aber dafür ohne Zusatzkosten ständig verfügbar. Die Applikation ist allerdings nur für Motoren der Klassen F und H geeignet, die über eine höhere thermische Überlastfähigkeit verfügen und im Vectormodus geregelt werden.

Die Zielsetzung, kürzere Bremszeiten bei hohen Wiederholungsraten zu erhalten oder das ständige Bremsen von beträchtlichen Schwungmassen, erfordert den Einsatz von Rückspeiseeinheiten. Bei den externen Rückspeisegeräten wird Energie von einem Wechselrichter phasensynchron in das Versorgungsnetz zurückgegeben. Diese Lösung ist zwar mit großen Anschaffungskosten verbunden, ermöglicht jedoch bei Antriebssystemen die aus mehreren elektrisch gesteuerten Achsen bestehen, hohe Energieersparnisse. Es findet ein ständiger Energieausgleich zwischen Antrieben statt, die Energie für das Antreiben benötigen und denen die Energie beim Bremsen abgeben. Falls der gesamte Energiehaushalt zu einer Spannungserhöhung im Zwischenkreisnetz führt, leitet die Rückspeiseeinheit den Überfluss zurück ins Netz. Ein mögliches Applikationsbeispiel kann in diesem Fall eine Anlage sein, die aus einem Aufwickler, Abwickler und mehreren Vorschubantrieben besteht.

Hier werden nur die Verluste der Steuerung und der Antriebe in Wärme umgesetzt. Die gesamte Bremsenergie des Abwicklers wird an den Aufwickler, den Leitantrieb und das Druckwerk geleitet. Auch kurze Bremszeiten von großen Schwungmassen können so problemlos realisiert werden. An das Rückspeisesystem können alle Umrichter angeschlossen werden, die über die gleiche Zwischenkreisspannung des Versorgungsnetzes mit Oberwellen und hochfrequenten Störungen verfügen.

Frequenzumrichter KEM 471

Portfolio Eurotherm KEM 472