Energieeffizienz Sparfuchs beim Bremsen: Ausfallfreie Antriebslösung für Stoßgenerator

Bei I²PS ging viel Energie bei Prüfungen im Niederspannungsbereich verloren. Für die Modernisierung des Stoßgenerators entschied sich das Labor für eine Antriebslösung von Eaton

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Prüfungen mit extremen Strömen an Niederspannungsschaltgeräten und -anlagen gehören zu den Kernkompetenzen des I²PS, dem Institute for International Product Safety. In Bonn führt es Versuche im Bereich Elektrotechnik, Elektronik und Umweltanforderungen nach nationalen und internationalen Normen durch.

Die dafür erforderliche hohe Energie liefert einer der weltweit leistungsfähigsten Stoßgeneratoren mit separater Erregermaschine. Eine spezielle Regeleinrichtung gestattet die Nachregelung der von der Erregermaschine erzeugten Stoßerregung noch während des Kurzschlussstromes. Auf diese Weise steht ein konstanter Kurzschlussstrom sowohl bei kurzen Stromflusszeiten im Bereich von 100 ms als auch bei längeren Stromflusszeiten im Sekundenbereich zur Verfügung. Damit ist es möglich, den von den Normen geforderten generatorfernen beziehungsweise transformatornahen Kurzschluss nachzubilden.

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Für die Modernisierung der Anlage entschied sich das Labor, den vorhandenen Antrieb des Erregergenerators durch einen Asynchronmotor mit Frequenzumrichtertechnologie von Eaton zu erneuern. Bisher war die Erregermaschine des Stoßgenerators im I²PS-Prüflabor von einem Schleifringläufermotor mit ölgekühlten Anlasswiderständen angetrieben worden. Diese ölgekühlten Widerstände erwärmen sich beim Start sehr stark, und auch beim Abbremsen des Motors wird die Bremsenergie an das Öl abgegeben. Vor einem Neustart des Motors musste daher jedes Mal eine längere Abkühlphase abgewartet werden. Um diese Zeit zu sparen, ließen die Prüfer den Generator auch während längerer Umbauphasen der Versuchsanordnung in Betrieb. Das allerdings kostete viel Energie. Auch war der Schleifringläufermotor bereits mehr als 40 Jahre alt, was die Wartungsarbeiten und die Beschaffung notwendiger Ersatzteile immer aufwendiger machte. Deshalb suchte I²PS nach einer zeitgemäßen Antriebslösung. Sie sollte mindestens mittelfristig ausfallfrei funktionieren, energiesparend arbeiten und Neustarts ohne lange Wartezeiten ermöglichen.

Die Lösung: Frequenzumrichter und Rückspeiseeinheit

Vor diesem Hintergrund entwickelte I²PS in Kooperation mit Eaton eine Lösung, die den Schleifringläufermotor durch einen Asynchronmotor ersetzt. Dieser wird von einer elektronischen Antriebseinheit angetrieben, die aus Frequenzumrichter und Rückspeiseeinheit (AFE, Active Front End) besteht. Beide Komponenten gehören zu Eatons Angebot an DC-Bus-Antrieben der Baureihe 9000X. Die Serie umfasst eine Vielzahl von Rückspeiseeinheiten und Frequenzumrichtern mit Leistungen von 0,55 bis 2.750 kW bei 460 V und 690 V. Diverse Kommunikationsprotokolle gestatten die Anbindung an ein Spektrum von Automatisierungssysteme.

Bei I²PS kommen der Wechselrichter SPI300A0-4A3N1 und die luftgekühlte Rückspeiseeinheit SPA300A0-4A3N1 zum Einsatz. Bei der AFE-Einheit SPA handelt es sich um einen bidirektionalen Spannungsumformer für das Frontend eines gemeinsamen Gleichstrom-Bus. Sie wandelt Wechselstrom bzw. -spannung in Gleichstrom bzw. -spannung um. Die Leistung wird vom Netz in den DC-Bus übertragen oder umgekehrt.

Als Antrieb der Erregermaschine des Stoßgenerators speist die Eaton-Rückspeiseinheit die kinetische Energie, die beim Abbremsen der Erregermaschine frei wird, ins Netz zurück. Ließe man die Erregermaschine beim Abschalten einfach austrudeln, käme sie erst nach ca. 30 Minuten zum Stillstand. Mit der SPA-Rückspeiseeinheit bleibt sie bereits innerhalb von 120 Sekunden stehen und ist auch in 120 Sekunden wieder auf Nenndrehzahl – ganz ohne Abkühlphase. Der vorgeschaltete LCL-Filter gewährleistet sehr geringe Netzrückwirkungen. Mit diesem liegt die harmonische Verzerrung (THD, Total Harmonic Distortion) unter fünf Prozent. Zum Vergleich: normale Sechs-Puls-Frequenzumrichter weisen eine THD von ca. 35 bis 40 Prozent auf.

Als Alternative für ein schnelles Abbremsen der Erregermaschine wäre theoretisch auch ein Brems-Chopper möglich. Allerdings setzt dieser die kinetische Energie in Wärme um, die abzuführen wäre. Ein solcher Bremswiderstand müsste zudem großzügig dimensioniert werden. Die von I²PS favorisierte Lösung ist nicht nur energieeffizienter, sondern auch platzsparender als diese durchaus gängige, aber deutlich aufwendigere Technik.

Bei dem verwendeten SPI-Wechselrichter handelt es sich um einen bidirektionalen, Gleichstrom gespeisten Frequenzumrichter für die Ansteuerung von Wechselstrommotoren. Der Umrichter verfügt über eine DC-Bus-Kopplung und erlaubt dem Anwender auch den generatorischen Betrieb eines Antriebssystems. Auf diese Weise kann die Bremsenergie der Antriebe über eine Zwischenkreiskopplung wahlweise direkt auf einen motorisch treibenden Antrieb übertragen oder – wie bei I²PS – zurück ins Netz gespeist werden. Wie die Rückspeiseeinheit verfügt der luftgekühlte Wechselrichter über IGBT-Technologie, ein alphanumerisches Keypad und entspricht der EMC-Klasse T (EN 61800-3 für IT-Netzwerke) sowie der Sicherheitsnorm CE/UL.

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