In den meisten Anwendungsfällen wird generatorische Leistung nicht genutzt, sondern in Bremswiderständen in Wärme umgesetzt. Die üblicherweise eingesetzten Frequenzumrichter mit Spannungszwischenkreis verfügen netzseitig über einen ungesteuerten Brückengleichrichter, der einen Energiefluss nur in Richtung Antrieb und nicht in Richtung Netz ermöglicht. Eine einfache Art die rückgespeiste Energie zu nutzen ist die Kopplung der Zwischenkreise mehrerer Frequenzumrichter (Zwischenkreisverbund); hier kann die freiwerdende Energie von anderen Antrieben genutzt werden. Bei Antrieben, die einen hohen Anteil an generatorischer Leistung haben, werden rückspeisefähige Frequenzumrichter eingesetzt, die entweder im Gerät integriert oder als Rückspeiseeinheiten gesondert ausgebildet sind.
Bremsen mit Energierückspeisung
In den letzten Jahren wurden von den Herstellern für elektrische Antriebstechnik verstärkt Geräte entwickelt, die Netzrückspeisung durch einen Wechselrichter ermöglichen. Damit wird die generatorische Leistung zum großen Teil wieder in das Netz zurückgespeist. Die eingesetzten Geräte enthalten in der Regel einen rückspeisefähigen Netzstromrichter, der sowohl den Gleichrichter- als auch den Wechselrichterbetrieb in einer Schaltung ermöglicht. Der Netzstromrichter, bestehend aus Leistungstransistoren (in der Regel IGBTs), ersetzt hierbei den üblicherweise eingesetzten Diodengleichrichter. Innerhalb von Logistikprozessen treten vor allem dort generatorische Energien auf, wo Lasten bei Horizontalfördersystemen abgebremst werden (kinetische Energie) oder in Hubwerken abgesenkt werden (potentielle Energie). Da die meisten Horizontalfördersysteme relativ hohe Reibung haben, ist das Potential eher gering. Generatorische Anteile um 5% der eingespeisten Energie sind höchstens 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% Rückspeiseanteil möglich. Eine Kombination aus horizontaler Bewegung und Hub kommt bei Regalbediengeräten vor. Da deren Masse hoch ist (typisch 1,5 bis 3,5t) und Gassenlängen von mehreren 10m sowie Masthöhen bis 25m vorkommen, sind elektrische Anschlussleistungen über 100kW möglich. Entsprechend hohe Rückspeiseleistungen sind zu erwarten. Um den Anteil generatorischer Energie zu bestimmen, wurde vom Projektpartner Lenze ein Regalbediengerät für Paletten mit Brems-Chopper über einen Wochenzyklus hinsichtlich seines Energieverbrauchs vermessen. Dazu wurde sowohl die Netzleistung als auch die im Bremswiderstand in Wärme umgesetzte Leistung gemessen und integriert, sodass die jeweilige Energiemenge bestimmt werden konnte. Zusätzlich wurde der Fahrweg horizontal und vertikal für jeden Bewegungsvorgang aufgenommen, um statistische Verteilung abschätzen zu können (Bild 2). In einer Woche wurden 520kWh aus dem Netz aufgenommen und 175kWh 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 diese konkrete Anwendung ein Rückspeisemodul mit 40kW Spitzenleistung erforderlich, um sämtliche generatorische Energie nutzen zu können.
Neue Rückspeiseschaltung
Der Anschluss erfolgt an den Zwischenkreisanschlüssen (Bild 3). Die generatorische Leistung wird über einen eigenen Netzstromrichter ins Netz eingespeist. Durch diese Entkopplung von Einspeise- und Rückspeisenetz-Stromrichter kann der ungesteuerte Brückengleichrichter bestehen bleiben und die Rückspeiseschaltung sowie das Netzfilter auf die tatsächlich notwendige Rückspeiseleistung ausgelegt werden. Weiterhin soll das Klemmenverhalten der Rückspeiseschaltung dem eines Bremswiderstands ähneln, sodass diese Schaltung auch bei bereits bestehenden Antriebssystemen nachgerüstet werden kann. Die Rückspeiseschaltung soll insbesondere bei Antrieben kleiner Leistung Anwendung finden, wo sich aus Kostengründen bisher keine Rückspeisung rechnet. Der fokussierte Leistungsbereich der Einzelantriebe liegt zwischen 0,5 und 10kW. 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, sodass hier ähnliche Schaltungstopologien geeignet erscheinen.
Realisierte Schaltungstopologie
Die verwendete Schaltungstopologie eines dreiphasigen indirekten Stromzwischenkreis-Wechselrichters zeichnet sich durch geringe Bauteilanzahl und hohen Wirkungsgrad aus. Die verwendete Topologie besteht aus drei Schaltungsteilen (Bild 4), dem Gleichstromsteller, dem Synchronwechselrichter und dem Netzfilter. Der Gleichstromsteller dient zur Entkopplung von Zwischenkreis- und Netzspannung. Der Synchronwechselrichter schaltet den konstanten Strom auf die Netzphasen mit der höchsten Außenleiterspannung. Die schaltfrequenten Anteile im Netzstrom werden von einem Netzfilter ausgefiltert. Der Tiefsetzsteller besteht aus dem Leistungstransistor, einer Freilaufdiode und der Speicherdrossel. Der Leistungstransistor wird mit einer konstanten Schaltfrequenz betrieben. Mit zunehmender Schaltfrequenz verringern sich die Baugrößen des Netzfilters und der Speicherdrossel. Die notwendige Sperrspannung, die vorgegebene Schaltfrequenz, sowie die Betriebsströme ergeben die Beanspruchungsgrößen für Leistungstransistor und Freilaufdiode. Da in der Schaltung nur ein schnellschaltender Leistungstransistor vorhanden ist, bietet es sich an hier Leistungshalbleiter auf SIC-Basis oder prinzipiell verlustfreie Entlastungsnetzwerke einzusetzen. Die Regelung des Tiefsetzstellers ist ähnlich der Regelung einer Gleichstrommaschine, die Auslegung kann nach dem Betragsoptimum erfolgen. Die Ansteuersignale für die Schalter des Synchronwechselrichters werden netzsynchron entsprechend einer Blocktaktung erzeugt. Das Netzfilter dient zur Unterdrückung schaltfrequenter Oberschwingungsströme.
