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01 Krananwendungen mit einer Reihe von frequenzumrichtergeregelten Motoren eröffnen auch die Möglichkeit, über den Zwischenkreis Energie von bremsenden hin zu beschleunigenden Motoren auszutauschen, ohne den Aufwand zu betreiben, rückspeisefähige Umrichter einsetzen zu müssen

Generatorische Energienutzung will gut durchdacht sein

02 Eine grobe Übersicht der unterschiedlichen Arten an gespeisten Antrieben (Ausleger, Hebewerk, Fahrantriebe) sowie ihre Verbindung untereinander – wobei in der Regel ein Frequenzumrichter für die gesamten Antriebe der Laufkatze ausreicht

Um mit energieeffizienter Antriebstechnik Strom und Kosten zu sparen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bewerkstelligen lässt sich dies durch Drehzahlregelung per Frequenzumrichter, über effizientere Motortypen und nicht zuletzt über eine genaue Systembetrachtung. Vom Prozessablauf ist so auch die Betrachtung der Nutzung der Bremsenergie für andere Antriebe über einen gemeinsam genutzten Zwischenkreis oder deren Rückspeisung ins Netz interessant.

Energetische Optimierungsmaßnahmen auf der Antriebsseite müssen sorgfältig bedacht werden, um den gewünschten Erfolg zu bringen: Neben einer gründlichen Analyse der Ausgangslage ist die Auswahl der optimalen Komponenten, seien es Motoren oder Frequenzumrichter, von entscheidender Bedeutung. So ist die Rückspeisung von Energie ins Netz nicht immer wirtschaftlich sinnvoll.

Auslegung von der Anwendung her
Die Vielzahl der verschiedenen Geräte sowie die immer komplexeren Vorgänge in vielen Anlagen erfordern eine sorgfältige Planung. Ausgangspunkt und besonders wichtig ist immer eine optimale Auslegung ohne übertriebene Reserven. Im nächsten Schritt folgt die energetische Betrachtung. Die Auslegung erfolgt stets von der Maschine zum Netz hin und erfordert gute Kenntnisse über Prozess und Anwendung. Nur so kann der Anwender eine Überdimensionierung des Antriebs wegen der von ihm geplanten Reserven in den verschiedenen Auslegungsstufen vermeiden. Da jede unnötige Überdimensionierung die Wirtschaftlichkeit einer Antriebslösung verschlechtert, muss die elektrische und mechanische Auslegung exakt aufeinander abgestimmt sein.

Die Folge einer sub-optimalen Auslegung sind höhere Kosten durch die Auswahl eines zu großen Motors sowie ein höherer Energieverbrauch im laufenden Betrieb. Die Ursache dafür ist, dass Motoren ihr Wirkungsgradoptimum meist im Nennpunkt haben. Im Teillastbereich sinkt der Wirkungsgrad – wie stark hängt vom Motortyp, dessen Auslegung und der Motorleistung ab. So sinkt der Wirkungsgrad im Teillastbereich bei großen Leistungen langsamer, als bei kleinen. Erreicht ein Motor im Nennpunkt der Anlage zum Beispiel nur 77 % Wirkungsgrad anstelle von 80 % bedeutet das über die Lebensdauer Mehrkosten. Sehr verlockend ist der Gedanke, generatorische Energie zu nutzen, die beim Betrieb einer elektrischen Maschine an einem Frequenzumrichter entsteht. Die Energie entsteht dadurch, dass der Rotor der betriebenen Drehstromasynchron- oder synchronmaschine schneller läuft, als sein speisendes Netz, was hauptsächlich beim Bremsen oder Absenken einer Last auftritt. In den meisten Fällen wird diese Energie in Bremswiderstände geleitet und dort in Wärme umgewandelt. Es scheint naheliegend, diese Energie ins Netz zurückzuspeisen oder anderen Maschinen zur Verfügung zu stellen. In der Praxis sind zwei technische Lösungen üblich:
•Direkter Energieaustausch zwischen den bremsenden und den angetriebenen Motoren über Zwischenkreiskoppelung sowie
•Rückspeisung in das Netz bei generatorischem Betrieb.

Energieausgleich über den Zwischenkreis
Bei Lastaufzügen, Krananwendungen und industriellen Hubanwendeungen kann sich der Energieaustausch zwischen bremsenden und beschleunigenden Antrieben über den Zwischenkreis rechnen. Diese Methode führt außerdem in der Regel bei Applikationen mit hohem Bewegungsanteil wie Bediengeräten in Hochregallagern oder auch Förderanlagen zu spürbaren Verbesserungen. So können Antriebe bei zeitlich versetzten Beschleunigungs-, Fahr- und Bremszyklen gegenseitig Energie austauschen: Wenn ein Antrieb beladen abwärtsfährt, während ein anderer leer hochfährt, lässt sich ein Teil der generatorischen Energie der Senkbewegung in der Hubbewegung nutzen. Die durch Bremsung erzeugte generatorische Energie von einer oder mehreren Achsen lässt sich auf diese Weise über den gemeinsamen Zwischenkreis im Antriebssystem für zu dieser Zeit motorisch betriebene Achsen nutzen. Abhängig vom Lastzyklus ist es damit ungefähr 5 % bis 15 % Energie einsparen. Außerdem reduzieren sich die Gesamtkosten der Komponenten, da Bremswiderstände nur noch für den Fall eines gemeinsamen Not-Stops der Anlage zu dimensionieren sind. Viele Umrichter verfügen über die Möglichkeit, ihren Gleichspannungszwischenkreis mit Zwischenkreisen anderer Geräte zusammenzuschalten. Erzeugte generatorische Energie steht damit anderen Geräten direkt zur Verfügung. Allerdings sind dabei einige Randbedingungen zu beachten. So sollte sichergestellt sein, dass ein Kurzschluss in einem Gerät nicht die anderen Antriebe beschädigt. Selbstverständlich muss der Lösungsansatz berücksichtigen, dass nicht alle gekoppelten Geräte gleichzeitig generatorische Energie abgeben dürfen oder diesen Zustand entsprechend abpuffern.

Anwendungsbezogen denken
Rückspeisefähige Eingangsbaugruppen in einem Frequenzumrichter können durch einen gesteuerten Gleichrichter generatorische Energie ins Netz zurückspeisen. Bei den meisten Anwendungen dominiert aber der motorische Betriebszustand. Die durch Rückspeisung gewonnene Energie ist in vielen Fällen geringer, als die zusätzlichen Verluste, die der Active-Infeed-Gleichrichter und die Netzfilter im motorischen Betrieb verursachen. Daher rechnen sich rückspeisefähige Umrichter oft erst bei großen Leistungen unter Berücksichtigung des Lastzyklus bei häufigem Bremsen. Typische Anwendungen, bei denen sich eine Rückspeisung ins Netz lohnen kann, sind Kräne, Hubwerke oder Förderanwendungen mit hohem Anteil generatorischer Betriebszustände. Beispielsweise kann sich bei Krananwendungen, bei denen mehrere Antriebe hoher Leistung über einen gemeinsamen DC-Zwischenkreis parallel verbunden werden können, der generatorische Betrieb lohnen (Bild 1). Hier wird jeweils beim Absenken der Last Energie frei: Gerade im Verbund mehrerer Anlagen rechnet sich dann die Rückspeisung der Bremsenergie bzw. die Kombination mit einer Zwischenkreiskoppelung. Die Antriebe lassen sich in diesem Fall direkt vernetzen. Ein zur Regelung des Zwischenkreises eingesetztes Active-Frontend (AFE) steuert die Einspeisung der Leistung an alle angeschlossenen Antriebe sowie die Rückspeisung der Leistung, wenn kein Verbraucher zur Verfügung steht (Bild 2).

Ein weiterer positiver Effekt einer AFE-Lösung ist die Reduzierung von Harmonischen und dadurch eine Netzqualitätsverbesserung. Allerdings kann man nur selten komplett auf Bremswiderstände verzichten, da im Falle eines Netzausfalles kinetische Energie immer noch in Wärme umgewandelt werden muss. Betreiber sollten Investitionen in rückspeisefähige Systeme nüchtern und gründlich prüfen. Nicht selten überschätzen sie den (nutzbaren) Anteil der erzeugten Energie. Eine Ermittlung des generatorischen Anteils am Betriebszyklus, eine Wirkungsgradbetrachtung von verwendeten Getrieben und Motoren, Zusatzverluste durch Active-Frontend im motorischem Betrieb sowie die Abschätzung der durchschnittlichen Bremsenergie des Systems sind für eine wirtschaftliche Beurteilung unumgänglich. In vielen Fällen ist immer noch der Einsatz von Bremswiderständen wirtschaftlich und ökologisch sinnvoller, als die Rückspeisung der im Bremsbetrieb erzeugten Energie.

Fazit
Für die Bestimmung des Einsparpotenzials in den unterschiedlichen Bereichen sind genaue Anlagen- und Fachkenntnisse unerlässlich. Nur mit einem solchen Wissen lässt sich sinnvoll einschätzen, ob und welche Maßnahmen auch wirtschaftlich sinnvoll ist. Unabhängig davon, ob es sich um neue oder bestehende Anlagen, bzw. Maschinen handelt, sollte der Betreiber bevor er Maßnahmen zur Energieeinsparung ergreift, erst einmal den Istzustand des gesamten Systems festhalten. Dies ermöglicht ihm eine bessere Identifizierung von Lösungsansätzen und erlaubt die spätere Verifizierung, ob durchgeführte Maßnahmen auch wirksam sind und die gewünschten Einsparungen erreichen.

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Autor:
Martin Cerny ist Produktmanager bei der Danfoss GmbH VLT Antriebstechnik in Offenbach/Main. martin.cerny@danfoss.com