In der elektrischen Antriebstechnik kommen heute häufig Servomotoren zum Einsatz, die von Frequenzumrichtern angesteuert werden. Über einen Gleichrichter, einen Gleichstromzwischenkreis und einen anschließenden Wechselrichter können die Drehzahl und das Drehmoment des Motors präzise geregelt werden. Im sogenannten Vierquadranten-Betrieb kann der Frequenzumrichter den Motor in beide Drehrichtungen sowohl beschleunigen als auch abbremsen. Beim Bremsen wird dabei Energie in den Zwischenkreis zurück gespeist. Da der Zwischenkreis nicht unbeschränkt Energie aufnehmen kann, wird diese – falls es der Umrichter zulässt – ins Netz rückgespeist. Alternativ kommt ein Bremschopper zum Einsatz, der bei Bedarf Energie in einem angeschlossenen Bremswiderstand in Wärme umwandelt.
Wirtschaftliche Alternative
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 Bremschopper und Bremswiderstand. Zusätzlich sollte bedacht werden, 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 sollte die wirtschaftliche Betrachtung alle Faktoren, wie Anschaffungskosten, Betriebskosten, Verluste im Regelbetrieb und mögliche Energieeinsparung durch Rückspeisung, detailliert berücksichtigen.
Einige Anwendungen lassen sich ohne Bremswiderstände kaum oder nur schwer realisieren. Dazu gehören beispielsweise Anwendungen, in denen ein Not-Aus realisiert werden muss. So sind bestimmte Anlagenteile innerhalb vorgeschriebener Zeiten gefährdungsfrei still zu setzen, 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.
Normen sichern die Netzqualität
Um die Netzqualität in elektrischen Versorgungsnetzen zu garantieren, müssen die Rückwirkungen von angeschlossenen Geräten auf ein gewisses Maß begrenzt werden. Für Netzrückwirkungen elektrischer Geräte durch Oberschwingungen gelten je nach Gesamtstrom-Aufnahme die Normen DIN EN 61000-3-2 (für Ströme bis 16 A) eziehungsweise DIN EN 61000-3-12 (für Ströme zwischen 16 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 Energiequellen resultieren. In den vergangenen Jahren hat die aktuelle energiepolitische Situation dazu geführt, dass der Anteil der elektrischen 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 länger als die der Anlage, in der sie zum Einsatz kommen. Außerdem sind Widerstände unempfindlich gegenüber Störungen und Schwankungen in der Netzqualität. In Netzen mit schlechter oder wechselnder Netzqualität ist daher eine Rückspeisung eventuell auch schon generell ausgeschlossen. Da Widerstände in der Regel aus wenigen Grundrohstoffen bestehen, lassen sie sich mit wenig Aufwand recyclen, sodass ein Großteil der Rohstoffe wiederverwertet werden kann.
Leistungswiderstände vom Spezialisten
Eine große Palette an Leistungswiderständen bietet Frizlen an. Die Palette umfasst Widerstände im Leistungsbereich von 10 W bis 300 KW. Darüber hinaus bietet das Unternehmen Leistungswiderstände an, die die Schutzart IP67 erfüllen. Für das Abführen 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.
Joachim Klingler
(hw)
