Moderne Antriebslösung aus Frequenzumrichtern mit Rückspeiseeinheit spart Energie im Prüflabor

Prüfungen mit extremen Strömen an Niederspannungsschaltgeräten und -anlagen gehören zu den Kernkompetenzen des Prüflaboratorium I²PS in Bonn. Es setzt dazu einen der weltweit leistungsfähigsten Stoßgeneratoranlagen ein. Während der Modernisierung dieses Systems entschied sich das Unternehmen, den verfügbaren Frequenzumrichter des Erregungsgenerators zu erneuern. Erreicht wurde dies durch den Einsatz eines Asynchronmotors mit Frequenzumrichtertechnik von Eaton. Das Ergebnis war eine Steigerung der Energieeffizienz des Systems sowie seiner Flexibilität.

Hintergrund

Das Institute for International Product Safety GmbH – kurz I²PS – führt in ihrem Bonner Laboratorium mit Hilfe modernster Prüfanlagen und Messtechnik Tests und Versuche im Bereich Elektrotechnik, Elektronik und Umweltanforderungen nach nationalen und internationalen Normen durch. Das in Bonn ansässige Prüflabor verfügt über modernste Prüfmittel und Messtechnik und ist nach DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiert. Die Prüfleistungen umfassen die Bereiche industrielle Niederspannungsgeräte und -systeme, die Sicherheit von elektrischen Geräten und der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) sowie Umweltprüfungen. Die Prüfung von Geräten der Niederspannungstechnik mit Kurzschluss- und Störlichtbogenprüfung mit Strömen bis 300 kA ist ebenfalls Bestandteil der Leistungen.

Die für die Versuche erforderliche hohe Energie liefert ein Stoßgenerator 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 bzw. transformatornahen Kurzschluss nachzubilden. Kundenreferenz I²PS - Institute for International Product Safety GmbH Marktsegment Maschinenbau

Herausforderung

Die Erregermaschine des Stoßgenerators im I²PS-Prüflabor wurde bisher von einem Schleifringläufermotor mit ölgekühlten Anlasswiderständen angetrieben. 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, ließ man den Generator auch während längerer Umbauphasen der Versuchsanordnung in Betrieb. Das allerdings kostete viel Energie. Überdies war der Schleifringläufermotor bereits mehr als 40 Jahre alt, sodass auch die Wartungsarbeiten und die Beschaffung notwendiger Ersatzteile immer aufwendiger wurden.

Aus diesem Grund war I²PS auf der Suche nach einer zeitgemäßen Antriebslösung. Das neue Antriebssystem musste folgende Anforderungen erfüllen: Es sollte mindestens mittelfristig ausfallfrei funktionieren, energiesparend arbeiten und Neustarts ohne lange Wartezeiten ermöglichen. Darüber hinaus sollte sichergestellt sein, dass bei etwaigen Störungen ein adäquater Service zur Verfügung steht. 

Lösung

Vor diesem Hintergrund hat I²PS in Zusammenarbeit mit Eaton eine Lösung entwickelt, die den Schleifringläufermotor durch einen asynchronen ersetzt. Angesteuert wird dieser durch eine elektronische Antriebseinheit bestehend aus Frequenzumrichter und regenerativer Bremseinheit (AFE, Active Front End).

Beide Komponenten gehören zur 9000X-Serie von Eaton; zu dieser umfangreichen Palette von DC-Busantrieben gehören mehrere regenerative Einheiten und Frequenzumrichter mit Leistungen von 0,55 bis 2.750 kW bei 460 und 690 V. Sie folgen einem modularen, kompakten Konzept und bieten vielseitige Funktionen wie Schnellstart, flexible Kommunikation und umfangreiche Konfigurationsmöglichkeiten. So ermöglichen optionale E/Aund Kommunikationskarten die individuelle Anpassung an kundenspezifische Anforderungen durch Nutzung der fünf verfügbaren Steckplätze. Diverse Kommunikationsprotokolle gestatten die Anbindung an ein breites Spektrum von Automatisierungssystemen basierend unter anderem auf Modbus/TCP, Modbus/RTU, ProfibusDP und Ethernet/IP. Zudem erleichtert die modulare Trennung von Leistungs- und Steuereinheiten die Installation und reduziert den Ersatzteilbedarf.

Im Fall 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-Buses. Sie wandelt Wechselstrom bzw. -spannung in Gleichstrom bzw. -spannung um. Die Leistung wird vom Netz in den DC-Bus übertragen oder umgekehrt.

Beim Einsatz als Antrieb der Erregermaschine des Stoßgenerators speist die Eaton-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 ca. 30 min zum Stillstand. Mit der SPA-Rückspeiseeinheit bleibt sie bereits innerhalb von 120 s stehen und ist gleichermaßen in 120 s 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 5 %. Zum Vergleich: normale Sechs-Puls-Frequenzumrichter weisen eine THD von ca. 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 von I²PS favorisierte Lösung hingegen 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 im Fall von I²PS – zurück ins Netz gespeist werden. Wie die Rückspeiseeinheit auch verfügt der luftgekühlte Wechselrichter über IGBT-Technologie sowie ein alphanumerisches Keypad und entspricht der EMC-Klasse T (EN 61800-3 für IT-Netzwerke) sowie der Sicherheitsnorm CE/UL.

Ergebnis

Das modernisierte Antriebssystem des Erregers ist nun Teil einer Überspannungsgeneratoranlage mit einer Spitzenkurzschlussleistung von 298 MVA. Kurzschlussprüfungen für den Niederspannungsbereich mit Prüfströmen bis 300 kA sind somit möglich. Bei längeren Testaufbauten ist es nun möglich, den Überspannungsgenerator zu stoppen, um Energie zu sparen, ohne Zeit zu verlieren. Vor der Modernisierung war dies aufgrund der ölgekühlten Anlass- bzw. Bremswiderstände maximal dreimal pro Tag möglich. Die hier erforderlichen Abkühlphasen für das stark erhitzte Öl entfallen dank der neuen Antriebslösung. Denn die Bremsenergie des Erregermotors wird nun ins Netz zurückgespeist. Somit kann das System bei zeitaufwendigen Umbauarbeiten des Versuchsaufbaus leicht gestoppt und dann schnell wieder gestartet werden. Gleichzeitig hat sich die Flexibilität des Prüflabors erhöht.

Klaus Heidelberg, Manager Energy/Switching Power, I²PS, zog folgende Schlussfolgerung: 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. Darüber hinaus bot der Eaton-Kundendienst gerade in der Installations- und Inbetriebnahmephase eine unverzichtbare Unterstützung.“