Eine neue Generation von Frequenzumrichtern speist Bremsenergie von Elektromotoren als annähernd oberschwingungsfreien Strom ins Netz zurück. Das bietet sich bei Anwendungen mit zyklischem oder kontinuierlichem Bremsbetrieb an, z.B. bei Kränen (Bild 1).
Auf einen BlickRückspeisung spart Energie Rückspeisefähige Antriebe erfordern eine höhere Investition, die sich durch die Energieersparnis in vielen Anwendungen aber schnell amortisiert
Oberschwingungen Darüber hinaus reduzieren die rückspeisefähige Antriebe die Oberschwingungsbelastung im Netz
Bei vielen Anwendungen in der Industrie und im Gebäude sind Elektromotoren oft zahlreichen Bremsvorgängen ausgesetzt. Eine häufig verwendete Lösung: Ein Brems-Chopper und externe elektrische Widerstände geben Bremsenergie in Form von Wärme ab. Diese Energie ist dann in Form von Wärme verloren, unter Umständen muss sogar zusätzlich gekühlt werden. Rückspeisefähige drehzahlgeregelte Antriebe hingegen können diese Bremsenergie ins Netz zurückspeisen.
Zur Hannover Messe 2018 zeigt ABB nun eine neue Generation von rückspeisefähigen Frequenzumrichtern unter der Bezeichnung »Industrial Drives ACS880«. Sie decken einen Leistungsbereich von 4 kW bis 3200 kW ab. Sie können den Energieverbrauch senken, reduzieren durch die kompakte Bauweise den Platzbedarf um bis zu 85 % und senken so auch die Investitionskosten um bis zu 30 %.
Rückspeisung spart Energie
Rückgespeiste Energie kann von anderen Verbrauchern genutzt werden, wodurch sich der Anlagenwirkungsgrad erhöht. Die neuen rückspeisefähigen Frequenzumrichter können den cos φ der Grundschwingung unter allen Lastbedingungen auf 1 regeln.
Die bei herkömmlichen Verfahren der Widerstands- und mechanischen Bremsung als Wärme abgegeben Bremsenergie erfordert oft eine zusätzliche Kühlung. Die geringere Wärmeabgabe infolge der Energierückspeisung in das Netz führt zu einer weniger aufwendigen Klimatisierung des Elektoraums.
Wie viel Energie solche Lösungen einsparen, zeigt folgendes Beispiel eines Krans für die Abfallentsorgung (Bild 1) mit einem Hubmotor 55 kW, einem Kranfahrtmotor 9 kW und einem Katzfahrtmotor 4,5 kW. Bei Widerstandsbremsung betragen der jährliche Energieverbrauch 49,2 MWh und die Energiekosten 7380 € (bei 15 ct/kWh), bei einem rückspeisefähigen Frequenzumrichter 33,6 MWh bzw. 5040 €. So ergeben sich Einsparungen pro Jahr von 15,6 MWh oder 32 % (Bild 2). Die Amortisationszeit liegt in diesem Fall bei rund 1,5 Jahren, hängt aber stark vom jeweiligen Anwendungsfall ab.
Oberschwingungen reduzieren
Nichtlineare elektrische Verbraucher, also auch drehzahlgeregelte Antriebe, verursachen Oberschwingungen, die zu Verzerrungen der Spannung und des Stroms in den Netzen führen. Oberschwingungen können andere Verbraucher wie Motoren, Transformatoren und weitere elektrische Einrichtungen übermäßig belasten.
Zur Reduktion von Oberschwingungen kann man entsprechende Filter einsetzen. Eine Alternative dazu sind die neuen rückspeisefähigen Frequenzumrichter, sie verhindern Oberschwingungen bevor sie auftreten. Der ACS880 kann den cos φ der Grundschwingung zur Optimierung der Blindleistung unter allen Lastbedingungen auf 1 regeln und erfüllt relevanten Normen, wie IEEE 519, IEC 61000-3-12 und G5/4.
Darüber hinaus haben die rückspeisefähigen Frequenzumrichter eine hohe Störfestigkeit gegenüber Netzstörungen und können die Motorspannung auch bei instabiler Einspeisung stabil halten. Das gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb auch bei einem Abfall der Einspeisespannung unter den Normalwert. Auch eine Spannungserhöhung über 100 % hinaus ist möglich – so kann man ggf. den Motor etwas kleiner dimensionieren.
Geringerer Platzbedarf
Durch den Wegfall externer Bremskomponenten nehmen die rückspeisefähigen Frequenzumrichter weniger Platz ein als herkömmliche Lösungen. Die Wandmontagegeräte ACS880-11, die Einbaumodule ACS880-14 und die Schrankgeräte ACS880-17 haben alle notwendigen Komponenten in einem anschlussfertigen Gehäuse integriert. Das erleichtert und beschleunigt den Schrankeinbau, weil die nachträgliche Verdrahtung verschiedener Komponenten (Netzfilter, Einspeiseeinheit, Wechselrichter) entfällt.
Verglichen mit der Widerstandsbremsung sind bis zu 85 % Platzeinsparung möglich (Bild 3). Eine ebenso hohe Platzreduktion ergibt sich beim Vergleich mit modularen rückspeisefähigen Lösungen.
Zur Wahl stehen nun Geräte für die Spannungen 400 V, 500 V und 690 V. Sie decken einen Leistungsbereich von 4 kW bis zu 3200 kW ab (Bild 4).