Die steigenden Energiepreise führen bei Betreibern und Herstellern von Maschinen und Anlagen verstärkt zu einer Suche möglicher Einsparpotenziale gerade bei der industriellen Antriebstechnik als größtem Verbraucher um ihre Betriebskosten zu senken. Neben dem Einsatz einer elektronischen Drehzahlregelung für mehr Energieeffizienz gibt es eine weitere Möglichkeit: Treten beim Betrieb einer Drehstromasynchronmaschine generatorische Betriebszustände auf, kann der Anwender diese Energie nutzen, um sie ins Energieversorgungsnetz zurückzuspeisen. Der Gedanke, in der Anwendung generatorisch erzeugte Energie zu nutzen, ist auf den ersten Blick verlockend. In den weitaus meisten Fällen leitet der Anwender diese Energie in Bremswiderstände und wandelt sie dort in Wärme um. Dabei wäre es zwar schön, diese Energie ins Versorgungsnetz zurückzuspeisen oder anderen Maschinen zur Verfügung zu stellen, aber diese Lösung ist nur in wenigen Fällen ökologisch oder ökonomisch sinnvoll. In der Regel überschätzen Betreiber meist den Anteil der erzeugten generatorischen Energie. Daher sollten sie die Anwendung genau analysieren.
Wie viel Energie lässt sich zurückspeisen?
Eine Ermittlung des generatorischen Anteils am Betriebszyklus sowie die Abschätzung der durchschnittlichen Bremsenergie des Systems sind für eine Beurteilung unumgänglich. Kommt ein System ohne Bremswiderstand aus, ist die erzeugte Energie für eine Rückspeisung zu gering. Bei Frequenzumrichterbetrieb entsteht bei den meisten Anwendungen generatorische Energie während des Abbremsens. Über die Zeit gesehen, ergibt sich während dieser Rampe ein theoretisch höchster Wert von 50%. Für eine Abschätzung der generatorischen Energie muss der Betreiber den Anteil dieser Betriebszustände am gesamten Betriebszyklus ermitteln. Bezieht er die Einschaltdauer des Antriebs sowie von Wartungs- und anderen Stillstandszeiten mit ein, ergibt sich die Gesamtdauer, in die der Antrieb überhaupt generatorisch arbeitet und Energie rückspeisen kann. Obwohl der Wirkungsgrad eines Drehstromasynchronmotors sowohl im motorischen als auch generatorischen Betrieb gleich bleibt, steht nicht die komplette, an der Motorwelle eingespeiste Energie zur Abgabe ins Netz zur Verfügung. Verluste im Motor, auf den Kabeln und im Umrichter reduzieren sie. Abhängig von vielen Faktoren wie die Höhe der Zwischenkreisspannung, die Motordrehzahl, Reibungsverluste und das Trägheitsmoment lässt sich die generatorische Energie berechnen. Bild 2 zeigt eine beispielhafte Berechnung für einen 11kW-Motor. Im Diagramm angegeben sind – ausgehend von der im Netz eingespeisten Leistung – alle Verluste, bis zu der an der Welle abgegebenen Leistung. Die Verluste stellen typische Werte eines kompletten Antriebsstrangs dar. Die im Motorbetrieb wirksamen Verluste fallen reduziert auch bei generatorischem Betrieb an. So bleiben am Ende noch 9,2kW für eine Rückspeisung übrig – theoretisch. Denn diese Betrachtung geht vom Idealfall aus, dass die Anwendung die gleiche Energie zurückspeist, die sie aufnimmt. Da oft der Motor überdimensioniert ist, kann der Anwender in der Realität von einer wesentlich kleineren Energieausbeute ausgehen. So reduziert ein Sicherheitszuschlag von 20% bei der Motorauslegung die verfügbare Energie auf 7,1kW. Berücksichtigt der Anwender noch zusätzlich mechanische Verluste, beispielsweise durch ein Stirnradgetriebe, sind es sogar nur noch 6,86kW. Bezogen auf die Nennleistung des Motors ergibt sich somit ein generatorischer Wirkungsgrad von 62%.
Höhere Verluste überwiegen oft Energiegewinn
Rückspeisefähige Umrichter können im System erzeugte generatorische Energie sinnvoll verwenden. Außerdem erzeugen sie im generatorischen Betrieb im Vergleich zu Bremswiderständen weniger Wärmeverluste im Schaltschrank, was eventuell Vorteile bei den Klimatisierungskosten des Schaltschrankes zur Folge hat. Allerdings erzeugen aktive Eingangsbaustufen ebenfalls höhere Verluste im Vergleich zu ungesteuerten Varianten. Neben der Ermittlung der nutzbaren Energiemenge sollte der Betreiber deswegen folgende Punkte unbedingt beachten:
Wirkungsgrad des Frequenzumrichters
Für die Energierückspeisung ins Netz benötigen Frequenzumrichter aktive, gesteuerte Gleichrichter. Ihre Verluste können bis zu 25% höher sein, als bei Geräten mit ungesteuertem Gleichrichter. Diese Verluste fallen in allen Betriebsarten an.
