Netzrückspeisung auch für kleine Leistungen

Bild 1 Durch die Trennung von Einspeise- und Rückspeisepfad können beide Zweige separat ausgelegt werden, was eine exakte Dimensionierung je nach Bedarf der Anlage ermöglicht. Bild: Lenze

Was muss eine modulare, skalierbare Netzrückspeisung für Frequenzumrichter mitbringen, damit ihr Einsatz zum Beispiel in einem Logistikzentrum so effektiv wie möglich ist? Mit dieser zentralen Fragestellung im Hintergrund haben Lenze und die Hochschule Ostwestfalen ein gemeinsames Forschungsprojekt gestartet. Die Partner machten sich mit Unterstützung des Bundesforschungsministeriums auf die Suche nach einer Alternative zu den bekannten Verfahren der Rückspeisung, die alle nur in einem kleinen Anwendungsfenster wirklich sinn- voll einsetzbar sind. Lediglich der Zwischenkreisverbund bietet hohen Nutzen für wenig Geld. So interessant der DC-Verbund in Mehrachssystemen (beispielsweise in einem Handlingsportal) ist, so ungeeignet ist sein Einsatz bei Einzelantrieben. Folglich wird gerade hier die beim Bremsen entstehende generatorische Energie immer noch über Bremswiderstände verheizt, weil die Menge keine teuren Rückspeisesysteme oder rückspeisefähige Frequenzumrichter rechtfertigt.

Der Blick in die Praxis macht das Anforderungsprofil für ein neues System deutlich. Gefragt ist eine skalierbare, modulare Lösung, die die in einer Applikation entstehende generatorische Energie sinnvoll nutzt. Damit der Aufwand im Engineering möglichst gering bleibt, sollen die vom Maschinenbauer verwendeten Frequenzumrichter mit ihren wirkungsgradoptimierten Gleichrichtern idealerweise unverändert bleiben.

Für Notfälle hat ein Bremswiderstand parallel einsetzbar zu bleiben. Damit die neue Technik im Maschinenbau breite Zustimmung findet, muss die Projektierung generell so einfach wie möglich sein.

Schnell bezahlte Investition

Der Forschungsauftrag bestand ebenfalls darin, ein System zu entwickeln, das auch parallel zu einem Zwischenkreisverbund arbeiten kann, damit der direkte Austausch von Energie beim Bremsen und Beschleunigen als effektivste Methode der Nutzung nach wie vor möglich ist. Die Gesamtkapazität des Zwischenkreisverbunds sollte dabei keine Rolle spielen. Weil eine Erfindung erst dann zu einer echten sinnvoll nutzbaren Innovation wird, wenn betriebswirtschaftliche Investitionsentscheidungen vor ökologisch motivierte Handlungen treten, sind kurze Amortisationszeiten gefragt. Auch eine Nachrüstbarkeit im Zuge eines Retro-Fit innerhalb der Einhaltung einschlägiger Normen sollte einfach möglich sein. Erste Geräte im Prototypenstadium präsentierte Lenze der Fachwelt auf der sps ipc drives 2014 in Nürnberg. Aktuell laufen Labortests unter realen Einsatzbedingungen und mit enger Einbeziehung von Maschinenbauern.

Nur das zurückspeisen, was übrig ist

Die Haupteigenschaft der Rück- speiseeinheit besteht darin, dass eine spezielle Rückspeiseschaltung direkt an einen beliebig großen Zwischenkreis angeschlossen werden kann, die generatorische Leistung über einen eigenen Netzstromrichter autark ins Netz einspeist.

Bild 2 Prinzipschaltbild der Rückspeiseschaltung. Bild: Lenze

Die Rückspeisefunktion ist auf eine Weise geregelt, dass nur dann ins Netz zurückgespeist wird, wenn tatsächlich zu viel Energie im Zwischenkreis vorhanden ist. Sonst bleibt das Gerät passiv. Durch diese Entkopplung von Einspeisung- und Netzrückspeisung kann der unge- steuerte Brückengleichrichter des Frequenzumrichters unverändert bestehen bleiben und die Rückspeiseschaltung sowie die erforderlichen EMV-Maßnahmen brauchen nur auf die tatsächlich notwendige Rückspeiseleistung ausgelegt werden. Dieser Weg hat zudem den Vorteil, dass teuer eingekaufter Strom primär möglichst lange im eigenen Prozess genutzt wird, statt ihn für deutlich weniger Geld zurückzuspeisen.

Neue Werkstoffe für neue Möglichkeiten

Bild 3 Das Energie-Rückspeisesystem arbeitet so effektiv, dass künftig auch Fahrantriebe im Materialfluss mit einer Rückspeisung versehen werden können. Bild: Lenze

Herzstück der neuen Rückspeiseeinheiten sind schnell schaltende Halbleiter aus Siliziumcarbid (SiC). Weil diese innovativen Bauteile dank des verwendeten High-Tech-Werkstoffes hohe Schaltfrequenzen ermöglichen, sind die Geräte nur halb so groß und schwer wie der aktuelle Stand der Technik. Die gute Nachricht für den Maschinenbetreiber: Die Geräte werden sich im Vergleich zu Block-kommutierten Lösungen in der Hälfte der Zeit amortisieren. Ziel ist, je nach Energieverbrauch der Maschine eine Amortisationszeit von unter zwei Jahren zu erreichen. Das neue Rückspeisekonzept hat Lenze so konzipiert, dass die Geräte ohne Parametrierung oder Kommunikationsschnittstelle zum Einsatz kommen können. Die Installation erfolgt am Zwischenkreis des Umrichters oder, falls dieser nicht vorhanden ist, am Brems-Chopper-Anschluss. So kann die neue Technologie auch einfach in bestehende Anlagen nachgerüstet werden und ist dabei durch Parallelschaltung in seiner Leistung skalierbar – aktuell in einem Bereich bis 48 kW. Das neue Prinzip eignet sich auf gleiche Weise auch für Anwendungen mit leistungsstärkeren Antrieben.

Fazit

Mit der Entwicklung einer effektiven Rückspeiseschaltung für Frequenz- umrichter mit Gleichspannungs- zwischenkreis haben Lenze und die Hochschule Ostwestfalen einen Weg eröffnet, generatorische Energie optimal zu nutzen. Die Schaltung kann direkt an den Zwischenkreis von Frequenzumrichtern oder die für den Bremswiderstand vorgesehenen Anschlüsse angeschlossen werden und kann auf einfachste Weise, auch nachträglich, in bestehenden Installationen integriert werden. Durch die Entkopplung von Vorwärts- und Rückwärtszweig bleibt der bewährte ungesteuerte Brückengleichrichter bestehen und die Rückspeiseschaltung muss nur für die tatsächliche Rückspeiseleistung ausgelegt werden. Durch die Verwendung neuartiger Bauteile erreicht die Rückspeiseeinheit einen hohen Wirkungsgrad und ist extrem kompakt und leicht. Für den Maschinenbau eröffnen sich damit völlig neue Perspektiven, auch in Anwendungen, in denen sich eine Energierückspeisung bis dato nicht lohnte.