Frequenzumrichter Mit Bremsenergie sinnvoll umgehen

Rückspeisefähige Frequenzumrichter machen Antriebssysteme energieeffizienter – haben aber auch weitere Vorteile. Wo sie diese ausspielen, erklären wir hier.

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Ein elektrisch betriebener Abfallentsorgungskran mit 55-kW-Hubmotor, 9-kW-Kranfahrtmotor und 4,5-kW-Katzfahrmotor verbraucht im Jahr 49,2 MWh Energie. Der Einsatz von rückspeisefähigen Frequenzumrichtern kann den Energieverbrauch senken. ABB ist Hersteller solcher Geräte und verspricht für einen solchen Kran Energieeinsparungen von 32 %. Dies bedeutet in Zahlen: Der Kran verbraucht im Jahr 33,6 MWh Energie; also 15,6 MWh weniger als mit der herkömmlichen Antriebstechnologie. Bei Energiekosten von 0,15 Euro/kWh liegt die Energiekostenersparnis bei 2340 Euro. „Das hört sich im ersten Moment noch moderat an, aber oftmals sind mehrere Kräne im Einsatz, oder größere Motoren – hier summiert sich der Betrag sehr schnell“, weiß Fred Donabauer, Leiter des Produktmanagements LV Drives bei ABB.

Energiefresser Industrie

Das Streben nach energieeffizienten Maschinen und Anlagen ist in der deutschen Industrie nach wie vor im Fokus. Denn ca. 50% des Stromverbrauchs in Deutschland fällt auf die Industrie zurück. Laut statistischem Bundesamt lag der Energieverbrauch der inländischen Industrie im Jahr 2016 bei 2,4 GJ pro 1000 € Bruttoproduktionswert. Mit der EU-Öko-Design-Richtlinie möchte die Politik der energiefressenden Industrie entgegensteuern. Und so ist der Bedarf nach Technologien, die Energie einsparen können, hoch.

Rückspeisefähige Frequenzumrichter sind hierfür ein guter Ansatz. Denn eigentlich muss generatorische Energie, also Energie, die bei Bremsvorgängen entsteht, über einen Bremswiderstand in thermische Energie umgewandelt werden, damit die Zwischenkreispannung nicht über das zulässige Maß ansteigt. „Die Energie ist somit nicht mehr verwendbar“, erklärt Heiko Füller, Marktmanager bei SEW-Eurodrive. „Der Vorteil rückspeisefähiger Geräte liegt darin, dass diese generatorische Energie wieder in das Netz zurückgespeist werden kann. Das hat einen positiven Effekt auf die Energiekosten.“ Auch SEW-Eurodrive bietet separate Netzrückspeisemodule für Leistungsbereiche von 15 kW bis 250 kW.

Frequenzumrichter

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Aufbau rückspeisefähiger Systeme

Ein rückspeisefähiges System besteht aus mehreren Komponenten, die im Schaltschrank integriert sind. Bei Rockwell Automation, ebenfalls ein Hersteller dieser Frequenzumrichter-Lösungen, bestehen diese laut Rachid Bardach, Produktspezialist Standard Antriebe beim Unternehmen, aus einem AC-Vorlademodul, das den AC-Eingangsstrom reguliert und dadurch die Belastungen der Leistungskomponenten während des Einschaltens reduziert; einem LCL-Filter, der für niedrige Oberwellen sorgt und die Stromverzerrung in das Versorgungsnetz minimiert; einem netzseitigen Gleichrichter, der die Leistung aus dem AC-Netz ohne Verzerrung von Oberwellen zieht und sie in DC-Leistung umwandelt. Dieser bietet auch die Möglichkeit zur Rückspeisung in das Netz. Zudem gehört ein motorseitiger Wechselrichter zum System, der die Spannung und den Strom des Motors regelt. Auch die Geräte von Rockwell Automation kommen beispielsweise in Kran-Anlagen zum Einsatz. Außerdem auch in Zentrifugen, Prüfständen für Motoren und Getriebe, Pressen und Rolltreppen. Also überall dort, wo Antriebe immer wieder über einen längeren Zeitraum abgebremst werden müssen und so eben generatorische Energie entsteht.

Alternative Energiespeicherung

Reinhard Mansius, Produktmanager Antriebstechnik bei Bosch Rexroth macht allerdings auch auf Anwendungen aufmerksam, bei denen der Einsatz rückspeisefähiger Geräte nicht lohnt: „Bei zyklisch kurz aufeinander folgenden Start-Stopp-Bewegungen ist es in den meisten Fällen nicht effizient, die generatorische Energie beim Abbremsen in das Versorgungsnetz zurück zu speisen und beim nächsten Beschleunigen wieder von dort zu beziehen.“ Hier sei es effizienter, die Energie innerhalb des Antriebssystems zu speichern. Dafür gebe es mehrere Möglichkeiten wie die Nutzung von elektrischen oder kinetischen Energiespeichern, weiß der Antriebsspezialist.

Neben der positiven Energiebilanz gibt es aber auch weitere Gründe, die für den Einsatz der rückspeisefähigen Geräte sprechen. „Stellen Netzbetreiber am Aufstellort der Maschinen erhöhte Anforderungen an die Einhaltung der Netzqualität und der Netzbelastung, sind die sehr gute Netzverträglichkeit durch geringe THD-Werte sowie eine aktive Leistungsfaktorregelung Eigenschaften rückspeisefähiger Systeme, die diese Vorteile ermöglichen“, erklärt Mansius. Muss für Maschinen sichergestellt werden, dass sie – unabhängig von den Netzspannungsverhältnissen am Aufstellort – stets eine konstante Performance bzw. Output liefern, sei auch das mit rückspeisefähigen Systemen zu erreichen. Ihre konstant geregelte Zwischenkreisspannung gewährleiste, dass die angeschlossenen Motorwechselrichter immer eine entsprechend hohe Ausgangsspannung erzeugen können. So erreichten die Motoren immer ihre projektierten Drehzahlen und die erforderliche Maschinenperformance.

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ABB zeigt neues Kompaktgerät auf der Hannover Messe

ABB zeigt auf der Hannover Messe auch eine Weiterentwicklung seiner rückspeisefähigen Frequenzumrichter. Und zwar ein Kompaktgerät, bei dem alle Einzelkomponenten für ein rückspeisefähiges System (Netzfilter, Einspeiseeinheit und Wechselrichter) in einem Gerät integriert sind. „Die Lösung ist platzsparend, eine Montage ohne Schrank ist möglich und auch die Inbetriebnahme ist einfach und ohne zusätzliche Einstellungen umsetzbar“, erklärt Fred Donabauer.

Zugspitzbahn – prominentes Anwendungsbeispiel

Eine der prominentesten Anwendungen von ABB-Frequenzumrichtern ist die neue Zugspitzbahn, die seit Dezember 2017 ihren Betrieb aufgenommen hat. Die Frey AG als Lieferant von Seilbahnsteuerungen hat eigenen Angaben zufolge nur beste Erfahrungen mit den Frequenzumrichter-Antrieben von ABB gemacht. Auch in anderen Ländern kommen sie in Seilbahnsteuerungen für Luftseilbahnen, Standseilbahnen sowie Umlaufbahnen der Frey AG zum Einsatz. „Ein Frequenzumrichter-Antrieb ermöglicht einen Powerfaktor im motorischen und generatorischen Bereich von praktisch 1.0. Die Belastungen des speisenden Netzes durch Oberwellen und Spannungsverzerrungen sind unkritisch“, sagt Andreas Bucher der Frey AG. Konkrete Zahlen zum Energieverbrauch liegen allerdings noch nicht vor, da die Seilbahn zu kurz im Betrieb ist.

Umgebungstemperatur konstant halten

Auch bei SEW-Eurodrive zeigt ein konkretes Projekt, dass beim Einsatz der Geräte nicht immer die Energieeffizienz im Vordergrund steht. Da Bremswiderstände generatorische Energie in thermische Energie umwandeln, erhöht sich die Umgebungstemperatur. Das ist beispielsweise in einem Kühllager kontraproduktiv, denn man müsste viel mehr Energie für das Kühlen der Raumtemperatur aus dem Netz beziehen. Daher entschied sich ein Anwender eines Regalbediengerätes in einem solchen Kühllager für die Netzrückspeisung von SEW-Eurodrive, denn rückgespeiste Energie muss nicht in thermische Energie umgewandelt werden und die Raumtemperatur bleibt konstant.

Rückspeisefähige Frequenzumrichter sind nicht neu auf dem Markt. Aber Weiterentwicklungen und erweiterte Leistungsbereiche lassen auch das Anwendungsgebiet wachsen. Alle renommierten Hersteller sind überzeugt von der Technologie. Allerdings seien immer auch wirtschaftliche Aspekte zu betrachten, hier sind sich alle einig. Oder eben der spezifische Anwendungsfall.

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