Der Einsatz rückspeisefähiger Frequenzumrichter ist eine Antwort bei der Suche nach Einsparpotenzialen angesichts stark gestiegener Energiepreise. Neben einer Drehzahlregelung für mehr Effizienz kommt dabei als neuer Aspekt die Nutzung generato rischer Betriebszustände zur Senkung der Energieaufnahme von Frequenzumrichtern mittels einer Rückspeisung ins Versorgungsnetz hinzu.
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Inhaltsverzeichnis
1. Analyse zur Energierückspeisung von Frequenzumrichtern
2. Sicherheitszuschlag bei der Auslegung reduziert Energieausbeute
3. Beurteilung der Verluste in Frequenzumrichtern
4. Netzrückwirkungen und erhöhte Motorspannung
5. Nur wenige Applikationen für Rückspeisung geeignet
Der Gedanke, in der Anwendung generatorisch erzeugte Energie zu nutzen, ist auf den ersten Blick äußerst verlockend. In den weitaus meisten Fällen leitet der Anwender diese Energie in Bremswiderstände und wandelt sie dort in Wärme um. Wäre es nicht sinnvoller, diese Energie ins Versorgungsnetz zurückzuspeisen oder anderen Maschinen zur Verfügung zu stellen? So paradox es klingt: Nur in wenige Fällen ist eine solche Lösung ökologisch oder ökonomisch wirklich sinnvoll. In der Regel überschätzen nämlich Betreiber meist den Anteil der erzeugten generatorischen Energie. Daher sollten sie die Anwendung genau analysieren.
Analyse zur Energierückspeisung von Frequenzumrichtern
Eine Ermittlung des generatorischen Anteils am Betriebszyklus, sowie die Abschätzung der durchschnittlichen Bremsenergie des Systems sind für eine Beurteilung unumgänglich. Kommt ein System ohne Bremswiderstand aus, ist die erzeugte Energie für eine Rückspeisung viel zu gering. Bei Frequenzumrichterbetrieb entsteht bei den meisten Anwendungen generatorische Energie während Verzögerungsvorgängen. Über die Zeit gesehen, ergibt sich während dieser Rampe ein theoretisch höchster Wert von 50 %. Für eine Abschätzung der generatorischen Energie muss der Betreiber den Anteil dieser Betriebszustände am gesamten Betriebszyklus ermitteln. Unter Einbeziehung der Einschaltdauer des Antriebs sowie von Wartungs- und anderen Stillstandszeiten ergibt sich dann die Gesamtdauer, in der der Antrieb überhaupt generatorisch arbeitet und Energie rückspeisen kann.
Obwohl der Wirkungsgrad eines Drehstromasynchronmotors sowohl im motorischen als auch generatorischen Betrieb gleich bleibt, steht nicht die komplette, an der Motorwelle eingespeiste Energie zur Abgabe ins Netz zur Verfügung. Verluste im Motor, auf den Kabeln und im Umrichter reduzieren sie. Abhängig von vielen Faktoren wie Höhe der Zwischenkreisspannung, Motordrehzahl, Reibungsverlusten und Trägheitsmoment lässt sich die generatorische Energie berechnen. Bildlich dargestellt ist eine beispielhafte Berechnung für einen 11-kW-Motor. Im Diagramm angegeben sind – ausgehend von der im Netz eingespeisten Leistung – alle Verluste, bis zu der an der Welle abgegebenen Leistung. Die Verluste stellen typische Werte eines kompletten Antriebsstrangs dar.
Sicherheitszuschlag bei der Auslegung reduziert Energieausbeute
Die im Motorbetrieb wirksamen Verluste fallen reduziert auch bei generatorischem Betrieb an. So bleiben am Ende noch 9,2 kW für eine Rückspeisung übrig – theoretisch. Denn diese Betrachtung geht vom Idealfall aus, dass die Anwendung die gleiche Energie zurückspeist, die sie aufnimmt. Da oft der Motor überdimensioniert ist, kann der Anwender in der Realität von einer wesentlich kleineren „Energieausbeute“ ausgehen. So reduziert ein Sicherheitszuschlag von 20 % bei der Motorauslegung die verfügbare Energie auf 7,1 kW. Berücksichtigt der Anwender noch zusätzlich mechanische Verluste, beispielsweise durch ein Stirnradgetriebe, sind es sogar nur noch 6,86 kW. Bezogen auf die Nennleistung des Motors ergibt sich somit ein „generatorsicherer“ Wirkungsgrad von 62 %.
Beurteilung der Verluste in Frequenzumrichtern
Rückspeisefähige Umrichter können im System erzeugte generatorische Energie sinnvoll verwenden. Außerdem erzeugen sie im generatorischen Betrieb im Vergleich zu Bremswiderständen weniger Wärmeverluste im Schaltschrank, was eventuell Vorteile bei den Klimatisierungskosten des Schaltschrankes zur Folge hat. Allerdings erzeugen aktive Eingangsbaustufen ebenfalls höhere Verluste im Vergleich zu ungesteuerten Varianten. Neben der Ermittlung der nutzbaren Energiemenge sollte der Betreiber folgende Punkte unbedingt beachten:
- Wirkungsgrad:
Für die Energierückspeisung ins Netz benötigen Frequenzumrichter aktive, gesteuerte Gleichrichter, sogenannte Wechselrichter. Ihre Verluste können bis zu 25 % höher sein als bei vergleichbaren Geräten mit ungesteuertem Gleichrichter. Diese Verluste sind in allen Betriebsarten wirksam. - Standby:
Gesteuerte Gleichrichter müssen auch bei Stillstand des Motors aktiv sein. Dies erfordert einen höheren Standby-Strom. Die Höhe und Phasenlage dieses Stromes hängt vom Ansteuerverfahren und der Ausführung des Umrichters ab. Bei einem 4-kW-Umrichter kann beispielsweise ein kapazitiver Standby-Strom von 3 A auftreten. Zur Reduzierung dieser Verluste lassen sich deshalb oft die Leistungsteile von größeren Umrichtern im Standby spannungslos schalten.
Netzrückwirkungen und erhöhte Motorspannung
Durch die Ansteuerung des Gleichrichters entstehen harmonische Oberschwingungen, die das Netz belasten. Je besser die Ansteuerung und die eingesetzten Filter, desto weniger netzseitige Oberschwingungen erzeugt der Umrichter und desto höher ist der Gerätepreis. Rückspeisefähige Umrichter benötigen zudem sowohl im generatorischen wie auch im motorischen Betrieb eine höhere Zwischenkreisspannung. In der Praxis wird das durch Hochsetzsteller realisiert. Die meisten rückspeisefähigen Umrichter reichen allerdings diese dauerhaft erhöhte Zwischenkreisspannung direkt an den Motor weiter. Dies belastet dessen Isolationssystems ständig entsprechend stärker, ein Absinken der Lebensdauer ist meist die Folge.
Abhängig von der erzeugten Energiemenge kann der Anwender berechnen, welchen Anteil der generatorische Betrieb an der Gesamtlaufzeit mindestens erreichen muss, damit die Kostenersparnis durch die Rückspeisung die zwangsläufig höheren Verluste im motorischen Betrieb ausgleicht. Bildlich dargestellt sind für das oben angeführte Beispiel die größeren Verluste des rückspeisefähigen Umrichters im motorischen Betrieb gegenüber der erzeugten Energie . Allerdings sind die höheren Leerlaufverluste im Diagramm noch nicht berücksichtigt. Im Beispiel lohnt sich energetisch der Einsatz eines rückspeisefähigen Umrichters also erst, wenn die generatorische Betriebsart mindestens 25 % überschreitet. Höhere Anschaffungskosten sind dabei noch nicht berücksichtigt.
Nur wenige Applikationen für Rückspeisung geeignet
In realen Anlagen dominiert der motorische Betriebszustand. Die durch Rückspeisung gewonnene Energie ist häufig geringer, als die zusätzlichen Verluste, die im gesteuerten Gleichrichter während des Motorbetriebs entstehen. Daher rechnen sich rückspeisefähige Umrichter oft erst bei größeren Leistungen unter Berücksichtung des Lastzyklus und vielen Randbedingungen wie beispielsweise häufigem Bremsen. Ein typisches Beispiel ist eine Krananwendung oder eine Zentrifuge. Allen für eine solche Betrachtung interessanten Anwendungen ist gemein, dass sie in erheblichem Umfang auch Verzögerungen beinhalten und gleichzeitig meist Umrichter größerer Leistung einsetzen.
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