Der Lieferant der Frequenzumrichter-Bremseinheit weist darauf hin, dass in der industriellen Fertigung zur Verbesserung der Energieeffizienz und zur Reduzierung von Energieverlusten beim Bremsvorgang die Rückgewinnung der Bremsenergie und deren Rückspeisung ins Stromnetz erforderlich ist. Angesichts der derzeitigen Stromknappheit in verschiedenen Regionen Chinas infolge der rasanten wirtschaftlichen Entwicklung ist die Förderung und Anwendung von Rückkopplungsbremsen von großer Bedeutung für die Energieeinsparung. Daher ist die Beschleunigung der Forschung und Produktion entsprechender Produkte im Inland von erheblicher praktischer Relevanz.
Derzeit wird in AC-Frequenzregelungssystemen häufig einfaches Bremsen mit hohem Energieverbrauch eingesetzt. Dieses Verfahren weist jedoch Nachteile wie Energieverschwendung, starke Erwärmung durch den Widerstand und ein unzureichendes Schnellbremsverhalten auf. Bei häufigem Bremsen von Asynchronmotoren ist die Rückkopplungsbremsung eine sehr effektive Energiesparmethode, die Umweltschäden und Schäden an Anlagen während des Bremsvorgangs vermeidet. In Branchen wie Elektrolokomotiven und der Ölförderung wurden damit bereits zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. Mit der ständigen Entwicklung neuer Leistungselektronikgeräte, steigender Kosteneffizienz und dem wachsenden Bewusstsein der Bevölkerung für Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung eröffnen sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.
Die Energierückkopplungsbremse eignet sich besonders für Anwendungen mit hoher Motorleistung (ab 100 kW), großem Trägheitsmoment gd² der Anlage und wiederholtem, kurzzeitigem Dauerbetrieb. Dabei ist eine starke Bremswirkung bei hoher Drehzahlreduktion, kurzer Bremszeit und hohem Bremsdruck erforderlich. Um die Energieeffizienz zu steigern und Energieverluste während des Bremsvorgangs zu minimieren, wird die Bremsenergie zurückgewonnen und ins Stromnetz eingespeist.
Rückkopplungsbremsprinzip
Im Frequenzumrichtersystem wird das Abbremsen und Anhalten des Motors durch schrittweises Reduzieren der Frequenz erreicht. Mit sinkender Frequenz verringert sich auch die Synchrondrehzahl des Motors. Aufgrund der mechanischen Trägheit bleibt die Rotordrehzahl jedoch zunächst unverändert, ihre Änderung weist eine gewisse Verzögerung auf. In diesem Moment ist die tatsächliche Drehzahl höher als die Solldrehzahl, wodurch die induzierte Gegenspannung e des Motors die Gleichspannung u des Frequenzumrichters übersteigt (e > u). Der Elektromotor fungiert nun als Generator und benötigt keine Netzstromversorgung mehr, sondern kann sogar Strom ins Netz einspeisen. Dies erzielt nicht nur eine gute Bremswirkung, sondern wandelt auch kinetische Energie in elektrische Energie um, die zur Energierückgewinnung ins Netz eingespeist werden kann – ein doppelter Vorteil. Selbstverständlich ist hierfür eine Energierückkopplungsvorrichtung zur automatischen Steuerung erforderlich, wie im Schaltplan in Abbildung 1 dargestellt. Darüber hinaus sollte der Energierückkopplungskreis auch Wechsel- und Gleichstromdrosseln, Widerstands-Kapazitäts-Absorber, elektronische Schalter usw. enthalten.
Prinzip und Eigenschaften der Rückkopplungsbremsung von Frequenzumrichtern
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Rückkopplungsbremsschaltung des Frequenzumrichters
Wie bekannt, ist die Brückengleichrichterschaltung herkömmlicher Frequenzumrichter dreiphasig und nicht steuerbar, wodurch ein bidirektionaler Energieaustausch zwischen Gleichstromkreis und Stromversorgung nicht möglich ist. Die effektivste Lösung dieses Problems ist der Einsatz aktiver Wechselrichtertechnologie. Der Gleichrichterteil verwendet einen reversiblen Gleichrichter, auch netzseitiger Umrichter genannt. Durch Ansteuerung des netzseitigen Wechselrichters wird die zurückgewonnene elektrische Energie in Wechselstrom mit der gleichen Frequenz und Phase wie das Netz umgewandelt und zur Bremsung ins Netz zurückgespeist. Bisher verwendeten aktive Wechselrichter hauptsächlich Thyristorschaltungen, die nur bei stabiler Netzspannung und geringen Netzspannungsschwankungen (maximal 10 %) sicher funktionieren. Diese Schaltungsart ermöglicht den sicheren Betrieb des Wechselrichters nur bei stabiler Netzspannung und geringen Netzspannungsschwankungen (maximal 10 %). Denn während der Bremsung der Stromerzeugung kann es bei einer Bremszeit der Netzspannung von mehr als 2 ms zu Kommutierungsfehlern und Bauteilschäden kommen. Darüber hinaus weist diese Methode bei tiefer Regelung einen niedrigen Leistungsfaktor, einen hohen Oberwellengehalt und überlappende Kommutierungen auf, was zu Verzerrungen der Netzspannungswellenform führt. Gleichzeitig ist die Regelung komplex und kostspielig. Mit der praktischen Anwendung vollgesteuerter Geräte wurden choppergesteuerte reversible Umrichter mit PWM-Steuerung entwickelt. Dadurch ist die Struktur des netzseitigen Wechselrichters identisch mit der des Wechselrichters, da beide die PWM-Steuerung nutzen.
Aus der obigen Analyse geht hervor, dass für eine tatsächliche Energierückkopplungsbremsung des Wechselrichters die Steuerung des netzseitigen Wechselrichters entscheidend ist.
Rückkopplungsbremscharakteristik
Streng genommen kann der netzseitige Wechselrichter nicht einfach als „Gleichrichter“ bezeichnet werden, da er sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter fungiert. Durch den Einsatz von Selbstabschaltvorrichtungen lassen sich Amplitude und Phase des Wechselstroms mittels geeigneter Pulsweitenmodulation (PWM) steuern. Dadurch nähert sich der Eingangsstrom einer Sinuswelle an und der Leistungsfaktor des Systems liegt stets nahe bei 1. Erhöht die vom Wechselrichter durch die Motorbremsung zurückgewonnene Energie die Gleichspannung, kann die Phase des Wechselstrom-Eingangsstroms gegenüber der Phase der Versorgungsspannung umgekehrt werden, um einen regenerativen Betrieb zu ermöglichen. Die zurückgewonnene Energie wird in das Wechselstromnetz eingespeist, während die Gleichspannung auf dem vorgegebenen Wert gehalten wird. In diesem Fall arbeitet der netzseitige Wechselrichter im aktiven Wechselrichterbetrieb. Dies ermöglicht einen einfachen bidirektionalen Leistungsfluss und eine schnelle dynamische Reaktionszeit. Gleichzeitig erlaubt diese Topologiestruktur die vollständige Steuerung des Austauschs von Blind- und Wirkleistung zwischen Wechsel- und Gleichstromseite mit einem Wirkungsgrad von bis zu 97 % und erheblichen wirtschaftlichen Vorteilen. Der Wärmeverlust beträgt 1 % des Energieverbrauchs beim Bremsen und belastet das Stromnetz nicht. Der Leistungsfaktor liegt bei etwa 1, was umweltfreundlich ist. Daher eignet sich die Rückkopplungsbremsung hervorragend für energiesparende Betriebsabläufe in PWM-Wechselstromübertragungssystemen, insbesondere bei häufigem Bremsen. Die Leistung des Elektromotors ist ebenfalls hoch, und der Energiespareffekt ist signifikant. Je nach Betriebsbedingungen beträgt die durchschnittliche Energieeinsparung etwa 20 % oder mehr.