Eine Publikation der Binkert Medien AG
Bremsenergie ins Netz zurückzuführen, kann interessant sein, eine Evaluation ist aber zwingend : Ausgabe 02/2013, 05.10.2013

Netzrückspeisung – verlockend, aber nicht immer lohnend

Stark gestiegene Energiepreise zwingen Anlagenbetreiber zur Suche nach Einsparpotenzialen. Ein Aspekt ist die Nutzung generatorischer Betriebszustände zur Senkung der Energieaufnahme von Frequenzumrichtern mittels Netzrückspeisung. Dabei muss man stets die Wirtschaftlichkeit im Auge behalten, denn wenn der Anteil an Bremsbewegungen zu gering ist, kostet eine entsprechende Lösung am Ende mehr Energie.

Autor: Michael Burghardt

Der Gedanke, in der Anwendung, wie beispielsweise bei Aufzügen, generatorisch erzeugte Energie zu nutzen, ist auf den ersten Blick recht verlockend. Etabliert ist heute meist die Ableitung dieser Energie in Bremswiderstände und die Umwandlung in Wärme. Dabei klingt es interessanter, diese Energie ins Versorgungsnetz zurückzuspeisen oder anderen Maschinen zur Verfügung zu stellen (Bild 1).

So paradox es klingt: Nur in wenigen Fällen ist eine solche Lösung ökologisch oder ökonomisch wirklich sinnvoll. Häufig überschätzen Betreiber den Anteil der erzeugten generatorischen Energie. Eine genaue Analyse der Anwendung über einen längeren Zeitraum im Vorfeld ist deswegen sehr wichtig.

Genaue Analyse: Wie häufig lässt sich Energie überhaupt zurückspeisen?

Eine Ermittlung des generatorischen Anteils am Betriebszyklus sowie die Abschätzung der durchschnittlichen Bremsenergie des Systems sind für eine Beurteilung nötig. 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 Prozent. Für eine Abschätzung der generatorischen Energie muss der Betreiber den Anteil dieser Betriebszustände am gesamten Betriebszyklus ermitteln. Unter Einbeziehung der Einschaltdauer, ED, des Antriebs sowie von Wartungs- und anderen Stillstandszeiten ergibt sich dann die Gesamtdauer, in der der Antrieb überhaupt generatorisch arbeitet und Energie rückspeisen kann.

Wie viel Energie ist 100 Prozent generatorische Energie?

Obwohl der Wirkungsgrad eines Drehstrom-asynchronmotors 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. Bild 2 zeigt 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.

Die im Motorbetrieb wirksamen Verluste fallen reduziert auch bei generatorischem Betrieb an. So bleiben am Ende noch 9,51 kW für eine Rückspeisung übrig – theoretisch. Denn diese Betrachtung geht vom Idealfall aus, dass die Anwendung die gleiche Energie zurückspeist, die sie aufnimmt. Da der Motor oft überdimensioniert ist, kann der Anwender in der Realität von einer wesentlich kleineren «Energieausbeute» ausgehen. So reduziert ein Sicherheitszuschlag von 20 Prozent bei der Motorauslegung die verfügbare Energie auf 7,6 kW. Berücksichtigt der Anwender noch zusätzlich mechanische Verluste, beispielsweise durch ein Stirnradgetriebe, sind es sogar nur noch 6,82 kW. Bezogen auf die Nennleistung des Motors ergibt sich somit ein «generator-sicherer» Wirkungsgrad von 62 Prozent.

Höhere Verluste überwiegen häufig gewonnene Energie

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 erzeu-gen 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 Prozent höher sein als bei vergleichbaren Geräten mit ungesteuertem Gleichrichter. Diese Verluste sind in allen Betriebsarten wirksam.

Stand-by

Gesteuerte Gleichrichter müssen auch bei Stillstand des Motors aktiv sein. Dies erfordert einen höheren Stand-by-Strom. Die Höhe und Phasenlage dieses Stromes hängen vom Ansteuerverfahren und der Ausführung des Umrichters ab. Bei einem 4-kW-Umrichter kann beispielsweise ein kapazitiver Stand-by-Strom von 3 A auftreten. Zur Reduzierung dieser Verluste lassen sich deshalb oft die Leistungsteile von grösseren Umrichtern im Stand-by 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 als auch im motorischen Betrieb eine höhere Zwischenkreisspannung. In der Praxis wird das durch Aufwärtswandler 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. Bild 3 stellt für das angeführte Beispiel die grösseren Verluste des rückspeisefähigen Umrichters im motorischen Betrieb der erzeugten Energie gegenüber. 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 Prozent überschreitet. Höhere Anschaffungskosten sind dabei noch nicht berücksichtigt.

Wenige Applikationen sind 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 vieler 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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Bild 1: Eine der Anwendungen, die sich für die Rückspeisung eignen kann: Aufzüge. Es hängt aber auch hier sehr von den Betriebszeiten – oder genauer Stillstandszeiten – ab, ob sich das Ganze lohnt


Bild 2: Bei der Betrachtung eines Antriebssystems für einen Rückspeise-betrieb entstehen auch bei dieser Lösung im System Verluste. Die rück- speisbare Energie wird dadurch deutlich reduziert


Bild 3: Da der rückspeisefähige Frequenzumrichter zwei gesteuerte Wechselrichter benötigt, muss er mehr Energie aufnehmen, was den Wirkungsgrad verschlechtert und im Leerlauf die Verluste des Geräts erhöht

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Sektion 33: Elektrische Antriebe Sektion 35: Mechanische Antriebe

Autor

Michael Burghardt ist Produktmanager bei Danfoss GmbH VLT Antriebstechnik in Offenbach