Praktische Umsetzung und Messergebnisse
Für die praktische Erprobung der Rückspeiseschaltung ist ein Labormuster mit einer Rückspeiseleistung von rund 2kW entwickelt worden. Die Schaltung wurde in einem Aluminiumgehäuse in Schutzart IP20 untergebracht. In Bild 1 ist das Labormuster in der Mitte oben zu erkennen. Aufgrund des hohen Wirkungsgrades sind keine zusätzlichen Kühlmaßnahmen erforderlich. Für eine erste Inbetriebnahme der Rückspeiseschaltung wurde der Aufbau aus einem Labornetzteil mit einer Spannung von 620V versorgt. Die Netzspannungen und die Netzleiterströme sind in Bild 5 dargestellt. In den Netzströmen ist der durch den Tiefsetzsteller erzeugte Wechselanteil noch gering zu erkennen. Ansonsten ist er nahezu blockförmig. Bedingt durch die Filte kondensatoren ist ein geringer kapazitiver Grundschwingungsstrom überlagert.
Betrieb am Antriebssystem
Als nächster Schritt ist das Labormuster an den Zwischenkreis eines Lenze-Frequenzumrichters vom Typ 8400 mit 1,5kW angeschlossen worden. Der Frequenzumrichter betreibt eine 1,5kW-Asynchronmaschine mit Schwungmasse (Bild 1). 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. Die Höhe der Zwischenkreisspannung ist dann abhängig von Höhe der Netzspannung, Rückspeiseleistung des angeschlossenen Motors und Kapazität des Zwischenkreiskondensators. Bei einer Zwischenkreisspannung von 660V wird die Rückspeiseschaltung aktiviert und speist Energie aus dem Zwischenkreis ins Netz. Die Ausschaltschwelle wird bei 620V erreicht. Das Verhalten ist vergleichbar dem eines Bremschoppers mit Bremswiderstand. Aufgrund der Schaltschwellen werden kurze Stromblöcke in das Netz eingespeist, die Länge der Blöcke ist relativ konstant und abhängig von der Höhe der Netzspannung, dem Stromsollwert der Rückspeiseschaltung, der Kapazität im Zwischenkreis, der Einschaltschwelle der Rückspeiseschaltung, der Ausschaltschwelle der Rückspeiseschaltung und der in den Zwischenkreis rückgespeisten Bremsleistung. Die Zeit zwischen den Stromblöcken wird beim Bremsen mit konstanter negativer Beschleunigung immer länger, da die Rückspeiseleistung linear zur Drehzahl abnimmt.
Fazit
Ein Teilaspekt des Projekts Projekt itsowl-IASI ist die Nutzung von generatorischer Energie durch eine neuartige, kostengünstige Rückspeiseschaltung für Frequenzumrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis. Die Schaltung kann direkt an den Zwischenkreis von Frequenzumrichtern oder die für den Bremswiderstand vorgesehenen Anschlüsse angeschlossen werden. Durch die Entkopplung von Vorwärts- und Rückwärtszweig kann der ungesteuerte Brückengleichrichter bestehen bleiben und die Rückspeiseschaltung muss nur für die tatsächliche Rückspeiseleistung ausgelegt werden. Die dargestellte Schaltung eines indirekten Stromzwischenkreis-Wechselrichters zeichnet sich durch nur einen hochfrequent getakteten Schalter aus. Durch die Verwendung neuer Bauelemente ergibt sich eine Topologie, die energieeffizient und gleichzeitig kostengünstig ist. Somit ist diese Schaltung auch für den Einsatz bei kleinen Leistungen geeignet, bei denen sich bisher die Rückspeisung nicht lohnte. Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des BMBF im Rahmen des Clusters Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe (it\’s OWL) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. n
