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Versorgungs- und Rückspeisetechnologie

In mehreren Forschungsprojekten wurde zusammen mit den Firmen MSF Vathauer „Energy-Recovery-System (ERS)“ und Lenze ein neues Rückspeisekonzept entwickelt.

Die Steigerung der Energieeffizienz ist seit jeher eins der wichtigsten Ziele bei der Entwicklung von Leistungselektronik. Auch im Bereich der industriellen Antriebstechnik werden Energielabels immer bedeutender, so dass im verstärkten Maße auf Wirkungsgrade der Antriebskomponenten, beispielsweise Energieeffizienzklassen bei Motoren geachtet wird. Ein großes, häufig nicht beachtetes Potential steckt in der Nutzung von Energie, die beim Abbremsen von Antrieben freigesetzt wird. Durch Antriebskomponenten mit höheren Wirkungsgraden fließt ein großer Teil dieser Energie zurück in den Zwischenkreis des Frequenzumrichters und wird dann in den meisten Fällen in Bremswiderständen verheizt. Dieses Verfahren ist nicht nur aus ökologischen und energetischen Gesichtspunkten fragwürdig, sondern sorgt häufig auch für zusätzlichen Aufwand bei der Entwärmung der Bremswiderstände beispielsweise bei Regalbedingeräten in Kühlhäusern. Bereits seit vielen Jahren existieren sogenannte (Active Front End) AFE-Stromrichter, die als bidirektionaler Stromrichter zwischen Netz und Zwischenkreis geschaltet werden. Vorteilhaft ist die nahezu sinusförmige Stromaufnahme, weswegen der AFE-Stromrichter auch als „netzfreundlicher Gleichrichter“ bezeichnet wird, sowie die Rückspeisefähigkeit von Bremsenergie. Nachteilig ist der höhere Kosten- und Bauraumaufwand, sowie ein schlechterer Wirkungsgrad im Gleichrichterbetrieb, verglichen mit ungesteuerten Gleichrichtern. Das LLA forscht bereits seit vielen Jahren auf diesem Gebiet, so hat Prof. Dr.-Ing. Borcherding auf diesem Gebiet promoviert [BOR 99] . In Zusammenarbeit mit den Firmen Lenze (Groß Berkel) und MSF Vathauer (Detmold) wurde 2010 das vom BMBF geförderte Projekt „E-DEAL“ initiiert, das sich zur Aufgabe gemacht hat ein neuartiges Rückspeisekonzept zu erforschen, welches nur für die tatsächlich auftretende Rückspeiseenergie ausgelegt werden muss. Der im LLA entwickelte Stromrichter lässt sich einfach über den Zwischenkreis oder die für den Bremswiderstand gedachten Anschlüsse mit dem Frequenzumrichter verbinden und verhält sich aus Sicht des Frequenzumrichters ähnlich wie ein Bremswiderstand [AUS 13; AUS 13; AUS; AUS 12] .

 

Abbildung 1: Rückspeiseschaltung angeschlossen an Zwischenkreis
Abbildung 2: Rückspeiseschaltung angeschlossen an Bremswiderstandsanschluss

 

Durch die Entkopplung von Ein- und Rückspeisestromrichter kann der im Standard-Frequenzumrichter vorhandene ungesteuerte Gleichrichter weiterhin verwendet werden und der Rückspeisestromrichter ist nur dann aktiv, wenn tatsächlich Bremsenergie auftritt. Die prototypische Umsetzung der Schaltung erfolgte in mehreren Abschlussarbeiten im LLA mit Unterstützung von Lenze und MSF Vathauer. Als Ergebnis konnte MSF Vathauer auf der Hannover Messe 2014 sein „Energy-Recovery-System ERS“ mit großem Erfolg dem Fachpublikum vorführen [KÖN 14], [BEU 14].

 

 

Abbildung 3: Prototyp der Rückspeiseschaltung
Abbildung 4: Demonstrator der Rückspeiseschaltung

 

Kurze Zeit später stellte auch Lenze das Konzept auf der SPS IPC Drives 2014 in Nürnberg vor [HER 14]. Im Dezember 2014 wurde die Zusammenarbeit der Firmen mit dem LLA mit dem Transferpreis OWL ausgezeichnet (Link).

 

Abbildung 5: Transferpreis OWL 2014

 

Die Weiterentwicklung der Rückspeisetechnologie erfolgte in den Projekten itsowl-IASI und itsowl-TT-ELSBE innerhalb des Spitzenclusters its-OWL. Im Projekt ELSBE wurden sowohl grundlegende Untersuchungen bezüglich des Betriebsverhaltens wie EMV, als auch Anpassungen zur Baugrößenreduzierung durchgeführt. Im Projekt itsowl-IASI lag der Schwerpunkt auf der Skalierbarkeit des Schaltungskonzepts für Antriebe von sehr kleiner bis großer Leistung. Speziell für Antriebe bei denen nur ein geringer Anteil an Bremsenergie auftritt wurde ein Bauvolumen-optimierter Rückspeisestromrichter aufgebaut (Abbildung 6) [AUS 15], [BOR 14] und auf der Hannover Messe 2015 vorgestellt (Abbildung 7).

 

Abbildung 6: Rückspeisestromrichter 1kW-Spitzenleistung
Abbildung 7: Messeexponat itsowl-IASI mit Rückspeisestromrichter

Literaturverzeichnis

[AUS 15]Austermann, J.: Compact and Cost-efficient Power Regeneration System for Voltage Source Converters. PCIM Europe 2015. VDE Verlag 2015.

[AUS 12]Austermann, J.; Borcherding, H.: Method and Circuit for the Multi-Phase Operation of an Electrical Motor. W0002013020544A1. 14.02.2013.

[AUS 13]Austermann, J.; Borcherding, H.; Böcker, J.: Design and Practical Evaluation of a Power Regeneration System for Voltage Source Converters. PCIM EUROPE Nürnberg. VDE Verlag 2013.

[AUS 13]Austermann, J.; Borcherding, H.; Böcker, J.: Energierückspeisung bei Frequenzumrichtern mittels neuartiger Leistungselektronik. AALE Stralsund. Deutscher Industrieverlag 2013.

[AUS ]Austermann, J.; Studen, C.; Borcherding, H.; Böcker, J.: Indirect Current Source Inverter with Regenerative Snubber Circuit. PCIM EUROPE Nürnberg. VDE Verlag.

[BEU 14]Beucke, A.: MSF Vathauer: Weltneuheit auf der Hannover Messe 2014. WIRTSCHAFT REGIONAL. 2014.

[BOR 99]Borcherding, H.: Eigenschaften von Netzpulstromrichtern mit eingeprägter Gleichspannung 1999.

[BOR 14]Energieeffiziente Intralogistik – Optimale Nutzung generatorischer Energie durch neuartiges modulares Netzrückspeisekonzept. WEKA Fachmedien GmbH 2014.

[HER 14]Herkommer, G.: Rückspeisen statt verheizen. computer-automation.de. 2014.

[KÖN 14]Königsreuther, P.: Förderanlagen mit Energierückspeisung aufpeppen. MaschinenMarkt Vogel Business Media. 10.04.14. 2014.