Energieeffizienz

Effiziente Antriebslösung ermöglicht Energierückspeisung

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Durch den Einsatz eines Asynchronmotors mit Frequenzumrichter von Eaton anstelle der bisherigen Schleifringläufermotorlösung, konnte das Prüflabor I²PS die Energieeffizienz sowie Flexibilität seiner Anlage steigern.

Das Prüfen von Betriebsmitteln der Niederspannungstechnik mit extremen Kurzschlussströmen (bis zu 300 kA) ist eines der Kerngebiete des Prüflaboratoriums Institute for International Product Safety – kurz I²PS in Bonn. Die für die Versuche erforderliche hohe Energie liefert ein Stoßgenerator mit separater Erregermaschine. Eine spezielle Regeleinrichtung ermöglicht die Nachregelung der von der Erregermaschine erzeugten Stoßerregung noch während des Kurzschlussstroms. So 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, heißt es vonseiten des Laboratoriums.
Bisher wurde die Erregermaschine des Stoßgenerators im Prüflabor von einem Schleifringläufermotor mit ölgekühlten Anlasswiderständen angetrieben, bei dem sich die Widerstände beim Start und Abbremsen des Motors stark erwärmen. Um zukünftig die erforderliche längere Abkühlphase vor jedem Neustart des Motors zu sparen, war das Laboratorium auf der Suche nach einer neuen Antriebslösung. Diese sollte mindestens mittelfristig ausfallfrei funktionieren, energiesparend arbeiten und Neustarts ohne lange Wartezeiten ermöglichen. Zudem sollte ein passender Service bei etwaigen Störungen sichergestellt sein.
Einsatz eines Asynchronmotors mit elektronischer Antriebseinheit
Gemeinsam mit Eaton Technologies, einem Anbieter von Energiemanagement-Lösungen, hat der Anwender die bestehende Schleifringlösung durch einen Asynchronmotor ersetzt, der von einer elektronischen Antriebseinheit bestehend aus Frequenzumrichter und Rückspeiseeinheit angetrieben wird. Im Prüflabor sind nun ein Wechselrichter sowie eine luftgekühlte Rückspeiseeinheit im Einsatz. Bei der Rückspeiseeinheit handelt es sich um einen bidirektionalen Spannungsumformer für das Frontend eines gemeinsamen Gleichstrom-Buses. Sie wandelt Wechselstrom beziehungsweise -spannung in Gleichstrom beziehungsweise -spannung um. Die Leistung wird vom Netz in den DC-Bus übertragen oder umgekehrt.
Beim Einsatz als Antrieb der Erregermaschine des Stoßgenerators speist die Rückspeiseinheit die kinetische Energie, die beim Abbremsen der Erregermaschine frei wird, ins Netz zurück. Würde man die Erregermaschine beim Abschalten einfach austrudeln lassen, käme sie erst nach rund 30 Minuten zum Stillstand. Mit der SPA-Rückspeiseeinheit bleibt sie innerhalb von 120 Sekunden stehen und ist in derselben Zeit wieder auf Nenndrehzahl – ganz ohne Abkühlphase. Der vorgeschaltete LCL-Filter gewährleistet laut Herstellerangaben sehr geringe Netzrückwirkungen. Mit diesem liegt die harmonische Verzerrung bei unter 5 %. Zum Vergleich: Normale Sechs-Puls-Frequenzumrichter weisen eine harmonische Verzerrung von etwa 35 bis 40 % auf.
Als Alternative für ein schnelles Abbremsen der Erregermaschine könnte theoretisch auch ein Brems-Chopper zum Einsatz kommen. Allerdings würde dieser die kinetische Energie in Wärme umsetzen, die wiederum abzuführen wäre. Ein solcher Bremswiderstand müsste großzügig dimensioniert werden und würde somit viel Platz beanspruchen.
„Die Möglichkeit, den Generator beliebig oft stoppen und anfahren zu können, ist für uns der entscheidende Vorteil der Modernisierung. Überdies arbeitet die neue Antriebslösung deutlich energieeffizienter als der Schleifringläufermotor. Die Energieeinsparung setzt sich somit zusammen aus dem energetisch günstiger betreibbaren Antriebssystem, der Energieeinsparung durch das Abschalten des Generators während der Umbauphasen sowie der Rückeinspeisung der Bremsenergie ins Netz, die vorher in Form von Wärme verloren ging“, ist Klaus Heidelberger, Leiter Energie/Schaltleistung bei I²PS, begeistert.
Das modernisierte Antriebssystem der Erregermaschine ist mittlerweile Teil einer Stoßgeneratoranlage mit einer Stoßkurzschlussleistung von 298 MVA. Kurzschlussversuche im Niederspannungsbereich mit Prüfströmen von bis zu 300 kA sind damit möglich. Im Fall von langwierigen Testaufbauten kann es sinnvoll sein, den Stoßgenerator zu stoppen, um Energie zu sparen. Vor der Modernisierung war dies aufgrund der ölgekühlten Anlass- beziehungsweise Bremswiderstände maximal dreimal pro Tag möglich. Die vorher erforderlichen Abkühlphasen für das stark erhitzte Öl entfallen nun, da die Bremsenergie des Erregermotors wird ins Netz zurückgespeist wird. Die Anlage kann damit im Fall zeitintensiver Umbauarbeiten der Versuchsanordnung problemlos gestoppt und anschließend wieder angefahren werden. Parallel steigt damit die Flexibilität des Prüflabors, erklärt der Anbieter. (nu)


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