Prinzipschaltbild der Rückspeise-Schaltung am Zwischenkreis (links) beziehungsweise am Brems-Chopper (rechts).

© Lennart Siekmann, Hochschule Ostwestfalen-Lippe

Rückspeise-Einheiten mit Blockmodulation arbeiten mit einer ähnlichen Schaltungstopologie wie der AFE-Converter. Die netzseitigen Leistungshalbleiter werden jedoch nicht hochfrequent getaktet, sondern schalten mit Netzfrequenz. Dabei erfolgt die Ansteuerung der Schalter immer derart, dass jeweils die Netzphase mit der höchsten Spannung an das Plus-Potenzial des Zwischenkreises und die Netzphase mit der niedrigsten Spannung an das Minus-Potenzial geschaltet wird. Damit ist jeder Schalter für jeweils 120° elektrisch leitend. Der Netzstromrichter ist immer dann aktiv, wenn die Zwischenkreisspannung einen Maximalwert überschritten hat, der über dem Scheitelwert der Netzspannung liegt. Für die Entkopplung von Netz- und Zwischenkreisspannung müssen allerdings relativ großvolumige und damit teure Netzdrosseln vorgeschaltet werden. Der Netzstrom ­ähnelt dem eines ungesteuerten Brückengleichrichters, jedoch mit 180° Phasenverschiebung.

Der Hardware-Aufbau der Rückspeise-Schaltung: Das Gehäuse besteht aus Aluminium-Strangguss und bietet die Schutzart IP20. Aufgrund des hohen Wirkungsgrades sind keine zusätzlichen Kühlmaßnahmen erforderlich.

© Lennart Siekmann, Hochschule Ostwestfalen-Lippe

Da die Leistungshalbleiter nur mit Netzfrequenz geschaltet werden, haben Rückspeise-Einheiten mit Blocktaktung einen besseren Wirkungsgrad als AFE-Converter; nachteilig ist jedoch der nichtsinusförmige Stromverlauf. Diese Rückspeise-Einheiten sind grundsätzlich auch im Zwischenkreisverbund mehrerer Antriebe einsetzbar, jedoch können hier Kreisströme auftreten.

F3E-Converter schließlich haben im Unterschied zum U-Umrichter mit AFE keinen großen Zwischenkreiskondensator. In praktischen Ausführungen ist eine geringe Zwischenkreiskapazität für die Kommutierung des Maschinenstromrichters nötig. Die Ansteuerung der Leistungshalbleiter des Netzstromrichters erfolgt wie bei Rückspeisung mit Blocktaktung. Durch die geringe Zwischenkreiskapazität ergibt sich eine wellige Zwischenkreisspannung und dadurch bedingt eine geringere Ausgangsspannung des Motorstromrichters.

Der Netzstrom ist blockförmig und überlagert von pulsfrequenten Anteilen des Motorstromrichters, die durch einen netzseitigen Filter zu reduzieren sind. Vorteile des F3E-Converters sind der vergleichsweise hohe Wirkungsgrad sowie der geringe Filteraufwand. Durch den kleinen Zwischenkreiskondensator ist aber keine Entkopplung von Netz- und Maschinenstromrichter gegeben und dadurch ein Mehrachsverbund problematisch.

Auf den Punkt gebracht: Nachteil bei den bisher eingesetzten Topologien ist der relativ hohe Kostenaufwand. Die IGBTs sind deutlich teuer als Gleichrichterdioden, zusätzlich ist ein Netzfilter notwendig. Da Gleichrichter und Wechselrichterbetrieb mit einer Schaltung realisiert werden, sind alle Leistungshalbleiter und das Netzfilter sowohl für den maximal vorkommenden Strom als auch für den Bemessungsstrom des Gerätes auszulegen. Im Betrieb entstehen durch das Netzfilter zusätzliche Verluste, außerdem ist der Wirkungsgrad des Netzstromrichters im Gleichrichterbetrieb schlechter als der einer ungesteuerten B6-Brücke.

Das neue Konzept der Rückspeiseschaltung

Vor dem Hintergrund der Nachteile der geschilderten Rückspeise-Ansätze wurde im Rahmen eines Vorgängerprojektes von IASI das Konzept einer Rückspeise-Schaltung erstellt, welches derzeit zu Komponenten für den IASI-Baukasten weiterentwickelt wird. Der Anschluss der neuen Rückspeise-Schaltung erfolgt an den Zwischenkreisanschlüssen oder, wenn diese fehlen, an den Anschlussklemmen für den Bremswiderstand. Die generatorische Leistung wird bei dieser Lösung über einen eigenen Netzstromrichter ins Netz einspeist.

Darstellung der Stromverläufe (mitte), die sich bei Netzrückspeisung ergeben. Beim Bremsen steigt die Zwischenkreisspannung an (unten). Bei Erreichen des Schwellwerts von 660V, wird der Gleichstromsteller aktiv und entlädt den Zwischenenkreis.

© Lennart Siekmann, Hochschule Ostwestfalen-Lippe

Durch diese Entkopplung von Einspeise- und Rückspeise-Netzstromrichter kann der ungesteuerte Brückengleichrichter bestehen bleiben und die Rückspeiseschaltung sowie das Netzfilter lassen sich auf die tatsächlich notwendige Rückspeiseleistung auslegen. Weiterhin soll das Klemmenverhalten der Rückspeiseschaltung dem eines Bremswiderstands ähneln, so dass diese Schaltung auch bei bereits bestehenden Antriebssystemen nachrüstbar ist. Zur Anwendung soll die Rückspeiseschaltung insbesondere bei Antrieben kleiner Leistung kommen, wo sich aus Kostengründen bisher keine Rück­speisung rechnet.

Der fokussierte Leistungsbereich der Einzelantriebe liegt zwischen 500 W und 10 kW. Daneben sollen Zwischenkreisverbünde anvisiert werden, bei denen eine Teilrückspeisung sinnvoll ist. Hier kann die Leistung auch höher sein. Die Anforderungen sind vergleichbar mit denen von Solarwechselrichtern, so dass hier ähnliche Schaltungstopologien geeignet erscheinen.

Die verwendete Topologie besteht aus drei Schaltungsteilen: einem Gleichstromsteller, einem Synchronwechselrichter und einem Netzfilter. Der Gleichstromsteller – bestehend aus den Leistungshalbleitern, der Diode und der Drossel – dient mit seiner schnellen Stromregelung zur Entkopplung von Zwischenkreis und Netzspannung. Dabei wird der Schalter so angesteuert, dass sich ein im zeitlichen Mittel konstanter Strom in der Induktivität ergibt. Der Synchronwechselrichter schaltet den gere­gelten Strom auf die Netzphasen mit der höchsten Außenleiterspannung. Die schaltfrequenten Anteile im Netzstrom werden von einem Netzfilter ausgefiltert.

Insbesondere durch die schnelle Stromregelung des Gleichstromsteller wird erreicht, dass sowohl aus Zwischenkreisen mit geringer als auch ­hoher Kapazität, zum Beispiel bei ­Zwischenkreisverbund, zurückgespeist werden kann. Ebenso ist ein Parallelbetrieb mit Bremswiderstand möglich. Dadurch ergeben sich vielfältige modulare Aufbaumöglichkeiten. Für die praktische Erprobung der Rückspeiseschaltung wurde zunächst ein Labormuster mit einer Rückspeiseleistung von etwa 2 kW entwickelt. Für eine erste Inbetriebnahme der Rückspeiseschaltung wurde der Labor­aufbau aus einem Netzteil mit einer konstanten Eingangsspannung von 620 V versorgt. Der sich einstellende Strom in das Netzfilter sowie der Netzstrom sind im Bild oben dargestellt. Im Ausgangsstrom, vor dem Netzfilter, ist der durch den Tiefsetzsteller erzeugte Wechselanteil des Stroms zu erkennen. Der Netzstrom ist nahezu frei von schaltfrequenten Anteilen, der Blockform ist ein geringer kapazitiver Grundschwingungsstrom überlagert, bedingt durch die Filterkondensatoren.

Als nächster Schritt wurde das Labormuster an den Zwischenkreis eines 1,5-kW-Frequenzumrichters der Bau­reihe 8400 von Lenze angeschlossen. Dieser  betreibt eine 1,5-kW-Asynchronmaschine mit Schwungmasse. Der Motor wird zunächst beschleunigt und dann mit einer konstanten negativen ­Beschleunigung abgebremst. Die beim Abbremsen freiwerdende kinetische Energie wird in den Zwischenkreis rückgespeist und ­bewirkt ein Ansteigen der Zwischenkreisspannung. Bei einer Zwischenkreisspannung von 660 V wird die Rück­speiseschaltung aktiviert und speist Energie aus dem Zwischenkreis ins Netz. Die Ausschaltschwelle liegt bei 620 V. Das Verhalten ist vergleichbar dem eines Brems-Choppers mit Bremswiderstand. Aufgrund der Schalt­schwellen werden kurze Stromblöcke in das Netz eingespeist. Die Zeit zwischen den Strom­blöcken wird beim Bremsen mit konstanter negativer Beschleunigung immer länger, da die Rückspeiseleistung linear zur Drehzahl ­abnimmt.

Aktuell werden im letzten Teil des ­Projekts drei Baugrößen der Rückspeise-Schaltung entwickelt, so dass sich zukünftig im Baukasten von itsowl-IASI ein Leistungsbereich von weniger als 1 kW bis zu 48 kW an Spitzen-Rückspeise-Leistung ab­decken lässt.

Autoren:
Johann Austermann ist Mitarbeiter im Labor Leistungselektronik und Elektrische Antriebe an der Hochschule Ostwestfalen-Lippe in Lemgo;
Prof. Dr. Holger Borcherding ist Professor für Leistungselektronik, elektrische Antriebstechnik und EMV an der Hochschule Ostwestfalen-Lippe in Lemgo.

Das Potenzial im Logistikprozess

Messung der Energieaufnahme eines Paletten Regalbediengerätes (RGB) über eine Woche.

© Lenze

Innerhalb von Logistikprozessen treten vor allem dort generatorische Energien auf, wo Lasten bei Horizontalfördersystemen abgebremst (kinetische Energie) oder in Hubwerken abgesenkt werden (potenzielle Energie). Da die meisten Horizontalfördersysteme relativ hohe Reibung haben, ist das Potenzial eher gering, sprich es sind höchstens 5 % generatorische Anteile der eingespeisten Energie zu erwarten. Anders sieht es bei Hubwerken aus. Hier ist der Anteil deutlich höher. Je nach Effizienz der Komponenten sind in einigen Fällen über 50 % Rückspeise-Anteil möglich.

Eine Kombination aus horizontaler Bewegung und Hub kommt bei Regalbediengeräten (RBG) vor. Da die Masse der RBG hoch ist (typisch 1,5 bis 3,5 t) und Gassenlängen bis mehrere 10 m sowie Masthöhen bis 25 m vorkommen, sind elektrische Anschlussleistungen über 100 kW möglich. Entsprechend hohe Rückspeise-­Leistungen sind zu erwarten.

Um den Anteil generatorischer Energie zu bestimmen, wurde vom Projektpartner Lenze ein Paletten-RBG mit Brems-Chopper über einen Wochenzyklus hinsichtlich seiner Energie-Aufnahme vermessen. Dazu wurde sowohl die Netzleistung als auch die im Bremswiderstand in Wärme umgesetzte Leistung gemessen und integriert, so dass die jeweilige Energiemenge bestimmt werden konnte. Zusätzlich wurde der Fahrweg horizontal und vertikal für jeden Bewegungsvorgang aufgenommen, um statistische Verteilung abschätzen zu können.
Die Daten des Paletten-Regal-Bedien-Gerätes waren:

• Nutzlast: 1.200 kg
• Fahrantrieb: maximale Fahrgeschwindigkeit 300 m/min, maximale Beschleunigung 1,5 m/s²
• Hubantrieb: maximale Fahrgeschwindigkeit 70 m/min, maximale Beschleunigung 1 m/s²

In einer Woche wurden 520 kWh aus dem Netz aufgenommen und 175 kWh in den Bremswiderständen in Wärme umgesetzt. Somit könnten in diesem konkreten Fall 30 % der elektrischen Energie durch Netzrückspeisung eingespart werden. Entsprechend der Pulsleistung am Brems­widerstand wäre für diese konkrete Anwendung ein Rückspeisemodul mit 40 kW Spitzenleistung erforderlich, um sämtliche generatorische Energie nutzen zu können.