Elektrische Antriebstechnik Verheizen oder rückspeisen?

Energie einzusparen ist ein heiß diskutiertes Thema. Hohe Energiekosten und ein gestiegenes Umweltbewusstsein sind die wesentlichen Treiber dieser Entwicklung. Unter diesen Prämissen scheint die Rückspeisung von elektrischer Energie ins Netz beim Abbremsen eines Antriebs eine sehr elegante Lösung zu sein. Doch ist diese Lösung in allen Fällen besser als der klassische Bremswiderstand?

Heutzutage kommen in der elektrischen Antriebstechnik häufig Servomotoren zum Einsatz, angesteuert von Frequenzumrichtern. Über einen Gleichrichter, einen Gleichstromzwischenkreis und einen anschließenden Wechselrichter lassen sich Drehzahl und Drehmoment des Motors präzise regeln. Im so genannten Vierquadrantenbetrieb kann der Frequenzumrichter den Motor in beide Drehrichtungen sowohl beschleunigen als auch abbremsen. Beim Bremsen wird dabei Energie in den Zwischenkreis zurückgespeist.

Da der Zwischenkreis nicht unbeschränkt Energie aufnehmen kann, wird diese - falls es der Umrichter zulässt - ins Netz zurückgespeist. Alternativ kommt ein Brems-Chopper zum Einsatz, der bei Bedarf Energie in einem angeschlossenen Bremswiderstand in Wärme umwandelt. Energierückspeisung ins Netz scheint generell eine gute Idee zu sein. Statt die überschüssige Energie einfach in einem Bremswiderstand zu »verheizen«, lässt sie sich in anderen Verbrauchern sinnvoll einsetzen.

Dass die Rückspeisung aber nicht in allen Fällen die günstigste Alternative ist, lässt sich mit einem Blick auf die gesamte Wirtschaftlichkeit erkennen. Zunächst einmal ist ein rückspeisefähiger Vierquadranten-Umrichter in der Regel teurer als ein vergleichbarer Umrichter mit Brems-Chopper und Bremswiderstand. Zusätzlich sollte man bedenken, dass die zusätzlichen gesteuerten Leistungshalbleiter im Regelbetrieb zu einer höheren Verlustleistung führen. Ein rückspeisefähiger Umrichter rechnet sich also nur dann, wenn regelmäßige Beschleunigungs- und Bremszyklen auftreten. In jedem Fall sollten Anwender alle Faktoren wie Anschaffungs- und Betriebskosten, Verluste im Regelbetrieb sowie mögliche Energieeinsparung durch Rückspeisung detailliert berücksichtigen.

Aspekte der Sicherheit

Einige Anwendungen lassen sich ohne Bremswiderstände kaum oder nur schwer realisieren. Dazu gehören beispielsweise Anwendungen, in denen ein Not-Aus integriert sein muss. So sind bestimmte Anlagenteile innerhalb vorgeschriebener Zeiten gefährdungsfrei stillzusetzen, wenn ein Notfall eintritt beziehungsweise ein Not-Aus betätigt wird. Eine Rückspeisung ist in solchen Anwendungen wirtschaftlich kaum sinnvoll, da nur im Notfall - also sehr selten - Energie ins Netz zurückgespeist würde. Ganz abgesehen von der Situation, dass im Notfall eventuell gar kein Netz für eine Rückspeisung zur Verfügung steht.

Neben der wirtschaftlichen Betrachtung sind hier auch Aspekte der Sicherheit zu berücksichtigen. Um entsprechende Sicherheitsvorschriften zu erfüllen, führt in solchen Anwendungen kaum ein Weg am Einsatz eines Not-Aus-Bremswiderstands vorbei. Um die Netzqualität in elektrischen Versorgungsnetzen zu garantieren, sind die Rückwirkungen von angeschlossenen Geräten auf ein gewisses Maß zu begrenzen.

Für Netzrückwirkungen elektrischer Geräte durch Oberschwingungen gelten je nach Gesamtstromaufnahme die Normen EN 61000-3-2 (für Ströme bis 16 A) beziehungsweise EN 61000-3-12 (für Ströme zwischen 16 A bis 75 A). Selbstverständlich gelten diese Normen auch für die Rückspeisung von Bremsenergie durch Frequenzumrichter. Um die Normen erfüllen zu können, sind in der Regel zusätzliche Filterelemente notwendig, die wiederum in ihren Grundelementen aus Kombinationen von Induktivitäten, Kondensatoren und Leistungswiderständen bestehen.

Netzrückwirkungen beziehungsweise Störungen können auch aus der Verwendung regenerativer Energienquellen resultieren. In den vergangenen Jahren hat die energiepolitische Situation dazu geführt, dass der Anteil der elek-trischen Energie, der mit Windenergie- und Photovoltaikanlagen erzeugt wird, stetig ansteigt. Auch in diesem Bereich gibt es zahlreiche Anwendungen für Leistungswiderstände. Außer als Bremswiderstand kommen Leistungswiderstände hier als Filter-, Anlass-, Überschalt-, Symmetrier-, Lade-, Entlade- und Haltestromwiderstände für Leistungshalbleiter zum Einsatz.

Als rein passive Elemente sind Widerstände servicefreundlich und müssen nicht gewartet werden. Da sie ohne Leistungselektronik und aktive Teile auskommen, ist ihre durchschnittliche Lebensdauer in der Regel deutlich länger als die der Anlage, in der sie eingesetzt werden. Außerdem sind Widerstände unempfindlich gegenüber Störungen und Schwankungen der Netzqualität. In Netzen mit schlechter oder wechselnder Netzqualität ist eine Rückspeisung eventuell auch schon generell ausgeschlossen. Da Widerstände in der Regel aus wenigen Grundrohstoffen bestehen, lassen sie sich mit wenig Aufwand recyceln, sodass ein Großteil der Rohstoffe wiederverwertet werden kann.

Leistungswiderstände vom Spezialisten
Einge große Palette an Leistungswiderständen bietet das Unternehmen Frizlen an.  Die Palette umfasst Widerstände im Leistungsbereich von 10 W bis 300 kW - auch in Schutzart IP67. Für die Abfuhr großer Wärmemengen sind auch wassergekühlte Modelle erhältlich. Alle wichtigen Baureihen haben eine UL-Zulassung und können damit auch in den amerikanischen und kanadischen Markt geliefert werden. Auf der Innenseite lassen sich über ein Auswahltool schnell die passenden Widerstände für die Anwendung aussuchen.