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Blockschaltbild der Rückspeiseschaltung, die direkt an einen beliebig großen Zwischenkreis angeschlossen werden kann und die generatorische Leistung über einen eigenen Stromrichter ins Netz einspeist. Bild: Lenze
Verbrauchsanalyse

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Energierückspeisung für Frequenzumrichter

Text: Holger Borcherding, Lenze
Umrichter-betriebene Antriebe müssen künftig in Klassen eingeteilt und Eigenverbräuche angegeben werden. Vorerst allerdings ohne den generatorischen Betrieb zu berücksichtigen. Daher muss sich Technik zum Nutzen generatorischer Energie wirtschaftlich darstellen lassen, entweder über direkt eingesparte Energiekosten oder durch Vorteile im System, wie gesparte Klimatisierung.

Stand der Technik ist, dass bei Antrieben, die einen hohen Anteil an generatorischer Leistung haben, rückspeisefähige Frequenzumrichter verwendet werden, die entweder im Gerät integriert oder als Rückspeiseeinheiten gesondert ausgebildet sind. Im kleinen Leistungsbereich werden üblicherweise Frequenzumrichter mit Spannungszwischenkreis eingesetzt, die netzseitig über einen ungesteuerten Brückengleichrichter verfügen. Dieser ermöglicht nur einen Energiefluss in Richtung Antrieb, aber nicht zurück ins Netz. Durch Kopplung der Zwischenkreise mehrerer Frequenzumrichter kann hier generatorische Energie von anderen Antrieben genutzt werden. In den meisten Anwendungsfällen, insbesondere bei Antrieben kleiner Leistung oder bei einem geringen Anteil an generatorischem Betrieb wird diese Energie in Bremswiderständen in Wärme umgesetzt.

Generatorische Energie bei Antriebssystemen

Die dargestellten bisherigen Möglichkeiten generatorische Energie zu nutzen, haben fast alle Nachteile, die den Einsatz auf wenige Anwendungsfälle einschränkt. Lediglich beim Zwischenkreis-Verbund ist der Aufwand gering und der Nutzen hoch. Im Folgenden ist aufgelistet, welche Eigenschaften in Kombination optimal wären:

  • Das Konzept sollte skalierbar sein, das heißt die Baugröße sollte an den tatsächlichen Bedarf an generatorischer Energie anpassbar sein. Die Projektierung sollte einfach sein.

  • Ein Frequenzumrichter sollte möglichst unverändert und ohne Zusatzmaßnahmen eingesetzt werden können. Ebenso sollte der wirkungsgradverbesserte Gleichrichter des Frequenzumrichters weiter genutzt werden können. Für Notfälle sollte auch ein Bremswiderstand parallel einsetzbar sein.

  • Ein Zwischenkreisverbund sollte weiterhin möglich sein, so dass ein Teil der Energie direkt ausgetaucht werden kann. Die Gesamtkapazität des Zwischenkreisverbunds sollte dabei ohne Belang sein.

  • Separate Speicher sollten vermieden werden. Besser sollte das Versorgungsnetz mit seinen extrem hohen Puffermöglichkeiten genutzt werden.

  • Wandlungsverluste sollten gering und das Überlastverhalten an Antriebssysteme angepasst sein, um kompakt bauen zu können.

  • Der Aufwand sollte so klein sein, dass sich kurze Amortisationszeiten ergeben.

  • Auch eine Nachrüstbarkeit sollte einfach möglich sein.

Diese Anforderungen wurden in einem neuartigen Schaltungskonzept umgesetzt, das für drehzahlgeregelte elektrische Antriebssysteme mit häufig wechselnden Lasten geeignet ist. Die Haupteigenschaft des Konzepts ist, dass eine spezielle Rückspeiseschaltung direkt an einen beliebig großen Zwischenkreis (Abbildung 1) angeschlossen werden kann und die generatorische Leistung über einen eigenen Stromrichter ins Netz einspeist. Die Rückspeisefunktion ist geregelt. Das heißt, nur wenn tatsächlich zu viel Energie im Zwischenkreis vorhanden ist, wird ins Netz zurückgespeist. Durch diese Entkopplung von Einspeisung und Netzrückspeisung kann der ungesteuerte Brückengleichrichter des Frequenzumrichters unverändert bestehen bleiben und die Rückspeiseschaltung sowie der Netzfilter brauchen nur auf die tatsächlich notwendige Rückspeiseleistung ausgelegt zu werden.

Die verwendete Stromrichterschaltung besteht aus drei Schaltungsteilen: dem Gleichstromsteller, dem Synchron­wechselrichter und dem Netzfilter. Der Gleichstromsteller dient zur Entkopplung von Zwischenkreis- und Netzspannung. Dabei wird der Schalter TS so angesteuert, dass sich ein im zeitlichen Mittel konstanter Strom in der Induktivität LS ergibt. Der Strom ist dabei prinzipbedingt von einem schaltfrequenten Wechselanteil überlagert. Der Synchronwechselrichter schaltet den konstanten Strom auf die Netzphasen mit der höchsten Außenleiterspannung. Die schaltfrequenten Anteile im Netzstrom werden von einem Netzfilter ausgefiltert. Eine Kommutierungsdrossel, wie sie andere Schaltungen benötigen, ist nicht vorhanden.

Lediglich ein schnellschaltender Leistungstransistor TS auf Siliziumcarbid(SiC)-Basis wird mit einer konstanten Schaltfrequenz zwischen 50 und 100 kHz betrieben. Mit zunehmender Schaltfrequenz verringern sich die Baugrößen des Netzfilters und der Speicherdrossel. Der Netzfilter dient zur Unterdrückung schaltfrequenter Oberschwingungsströme. Da die Rückspeiseschaltung stromeinprägend und die Netzimpedanz in den meisten Fällen induktiv ist, müssen zur Vermeidung von Überspannung Kondensatoren netzseitig vorgesehen werden. Die Netzdrossel LF wird lediglich zur Funkentstörung benötigt; sie ist entweder als Gleichtaktdrossel ausgeführt oder kann ganz entfallen. Die notwendigen Bauteile sind mit Platinen bestückbar, so dass kompakte Geräte konstruiert werden können.

Praktische Umsetzung und Messergebnisse

Für die praktische Erprobung der Rückspeiseschaltung ist ein Labormuster mit einer Rückspeiseleistung von zirka 1,5 kW entwickelt worden. Wegen der geringen Verluste – der Wirkungsgrad beträgt 98 Prozent – konnte sogar ein Standard-Kunststoffgehäuse verwendet werden. Der Netzstrom besteht aus je zwei positiven und zwei negativen Stromblöcken je Netzperiode. Die Amplitude entspricht dem aus dem Zwischenkreis des Umrichters entnommenen Gleichstrom iL. Die Lücken ergeben sich durch das Umschalten des Synchronwechselrichters. Damit dieser stromlos schalten kann, wird der Gleichstrom iL vor dem Schalten auf Null geregelt. Dadurch sind auch die Flankensteilheiten am Netz gering und der Wechselrichter schaltet verlustlos. Der Netzstrom ist nahezu frei von schaltfrequenten Anteilen, der Blockform überlagert ist ein geringer kapazitiver Grundschwingungsstrom bedingt durch die Filterkondensatoren.

Bezüglich EMV-Eigenschaften kann folgendes festgehalten werden: Für industrielle Netze sind die Vorgaben aus der IEC 61800-3 [1] einzuhalten. Hier hat die Netzrückspeisung sogar Vorteile gegenüber Frequenz­umrichtern, da die Netzrückwirkung insgesamt geringer ausfällt. Da die enthaltenen Oberschwingungen der Ströme zum großen Teil sogar in Gegenphase zu den Strömen der Gleichrichter sind, kann sogar von einer Abnahme der Spannungsverzerrung in einem Netz durch Kompensation ausgegangen werden, wenn viele Antriebssysteme mit dieser Netzrückspeisung ausgestattet werden.

Rückspeiseschaltung auch für kleine Leistungen

Das Projekt zur optimalen Entwicklung eines Konzepts zur Nutzung generatorischer Energie hat sich zur Aufgabe gesetzt, eine modulare, kompakte Rückspeiseschaltung für Frequenz­umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis zu entwerfen. Die Schaltung kann direkt an den Zwischenkreis von Frequenz­umrichtern angeschlossen werden. Durch die Entkopplung von Vorwärts- und Rückwärtszweig kann der bewährte ungesteuerte Brückengleichrichter bestehen bleiben und die Rückspeiseschaltung muss nur für die tatsächliche Rückspeiseleistung ausgelegt werden.

Durch die Verwendung neuartiger Bauelemente zum Beispiel auf SiC-Basis ergibt sich eine Topologie, die energieeffizient und kostengünstig ist. Somit ist diese Schaltung auch für den Einsatz bei kleinen Rückspeiseleistungen geeignet, bei denen sich bisher Energierückspeisung nicht lohnte. Aber auch im Bereich darüber sind kostengünstige, wirkungsgradverbesserte kompakte Rückspeisemodule realisierbar.

Literatur

[1] DIN EN 61800-3:2012-09; VDE 0160-103:2012-09: Drehzahlveränderbare elektrische Antriebe – Teil 3: EMV-Anforderungen einschließlich spezieller Prüfverfahren (IEC 61800-3:2004 + A1:2011); Deutsche Fassung EN 61800-3:2004 + A1:2012

Weitere Informationen zu Lenze finden Sie im Business-­Profil auf Seite 29.

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