Das Laboratorium I²PS hat sich vor allem auf die Prüfung von extremen Kurzschlussströmen spezialisiert. Es setzt dazu einen der weltweit leistungsfähigsten Stoßgeneratoranlagen ein. Als diese Anlage modernisiert wurde, entschied sich das Labor, den vorhandenen Antrieb des Erregergenerators durch einen Asynchronmotor mit Frequenzumrichtertechnologie von Eaton zu erneuern und steigert damit nicht nur die Energieeffizienz seiner Anlage, sondern auch die Flexibilität.
Das Prüfen von Betriebsmitteln der Niederspannungstechnik mit extremen Kurzschlussströmen (bis zu 300 kA) ist eines der Kerngebiete des Prüflaboratoriums Institute for International Product Safety – kurz I²PS in Bonn. Die für die Versuche erforderliche hohe Energie liefert ein Stoßgenerator mit separater Erregermaschine. Eine spezielle Regeleinrichtung ermöglicht die Nachregelung der von der Erregermaschine erzeugten Stoßerregung noch während des Kurzschlussstromes. So steht ein konstanter Kurzschlussstrom sowohl bei kurzen Stromflusszeiten im Bereich von 100 ms als auch bei längeren Stromflusszeiten im Sekundenbereich zur Verfügung. Damit ist es möglich, den von den Normen geforderten generatorfernen beziehungsweise transformatornahen Kurzschluss nachzubilden, heißt es.
Die Erregermaschine des Stoßgenerators im Prüflabor wurde bisher von einem Schleifringläufermotor mit ölgekühlten Anlasswiderständen angetrieben. Diese ölgekühlten Widerstände erwärmen sich stark beim Start und auch beim Abbremsen des Motors wird die Bremsenergie an das Öl abgegeben. Vor einem Neustart des Motors musste daher jedes Mal eine längere Abkühlphase abgewartet werden. Um diese Zeit zu sparen, ließ man den Generator auch während längerer Umbauphasen der Versuchsanordnung in Betrieb. Das allerdings kostete viel Energie. Überdies war der Schleifringläufermotor bereits mehr als 40 Jahre alt, sodass auch die Wartungsarbeiten und die Beschaffung notwendiger Ersatzteile immer aufwendiger wurden. Aus diesem Grund war das Laboratorium auf der Suche nach einer zeitgemäßen Antriebslösung. Das neue Antriebssystem musste folgende Anforderungen erfüllen: Es sollte mindestens mittelfristig ausfallfrei funktionieren, energiesparend arbeiten und Neustarts ohne lange Wartezeiten ermöglichen. Darüber hinaus sollte sichergestellt sein, dass bei etwaigen Störungen ein adäquater Service zur Verfügung steht.
Vor diesem Hintergrund entwickelte das Prüflabor in Kooperation mit Eaton Technologies, einem Anbieter von Energiemanagement-Lösungen, eine Lösung, die den Schleifringläufermotor durch einen Asynchronmotor ersetzt, der von einer elektronischen Antriebseinheit bestehend aus Frequenzumrichter und Rückspeiseeinheit (AFE, Active Front End) angetrieben wird.
Viele Einsatzmöglichkeiten denkbar
Beide Komponenten gehören zu Eatons umfangreichem Angebot an DC-Bus-Antrieben der Baureihe 9000X. Die Serie umfasst eine Vielzahl von Rückspeiseeinheiten und Frequenzumrichtern mit Leistungen von 0,55 bis 2750 kW bei 460 V und 690 V. Ihre modulare kompakte Bauform, ein Schnellstartassistent, hohe Kommunikationsflexibilität und umfangreiche Konfigurationsoptionen eröffnen Anwendern vielseitige Einsatzmöglichkeiten. So ermöglichen optionale E/A- und Kommunikationskarten die individuelle Anpassung an kundenspezifische Anforderungen durch Nutzung der fünf verfügbaren Steckplätze. Diverse Kommunikationsprotokolle gestatten die Anbindung an ein breites Spektrum von Automatisierungssystemen basierend unter anderem auf Modbus/TCP, Modbus/RTU, ProfibusDP und Ethernet/IP. Zudem erleichtert die modulare Trennung von Leistungs- und Steuereinheiten die Installation und reduziert den Ersatzteilbedarf.
Im Fall I²PS kommen der Wechselrichter SPI300A0–4A3N1 und die luftgekühlte Rückspeiseeinheit SPA300A0–4A3N1 zum Einsatz. Bei der AFE-Einheit SPA handelt es sich um einen bidirektionalen Spannungsumformer für das Frontend eines gemeinsamen Gleichstrom-Buses. Sie wandelt Wechselstrom bzw. -spannung in Gleichstrom bzw. -spannung um. Die Leistung wird vom Netz in den DC-Bus übertragen oder umgekehrt.
Beim Einsatz als Antrieb der Erregermaschine des Stoßgenerators speist die Eaton-Rückspeiseinheit die kinetische Energie, die beim Abbremsen der Erregermaschine frei wird, ins Netz zurück. Würde man die Erregermaschine beim Abschalten einfach austrudeln lassen, käme sie erst nach ca. 30 min zum Stillstand. Mit der SPA-Rückspeiseeinheit bleibt sie bereits innerhalb von 120 s stehen und ist gleichermaßen in 120 s wieder auf Nenndrehzahl – ganz ohne Abkühlphase. Der vorgeschaltete LCL-Filter gewährleistet sehr geringe Netzrückwirkungen. Mit diesem liegt die harmonische Verzerrung (THD, Total Harmonic Distortion) unter 5 %. Zum Vergleich: normale Sechs-Puls-Frequenzumrichter weisen eine THD von ca. 35 bis 40 % auf.
Als Alternative für ein schnelles Abbremsen der Erregermaschine könnte theoretisch auch ein Brems-Chopper zum Einsatz kommen. Allerdings würde dieser die kinetische Energie in Wärme umsetzen, die wiederum abzuführen wäre. Ein solcher Bremswiderstand müsste großzügig dimensioniert werden und würde somit viel Platz beanspruchen. Die von I²PS favorisierte Lösung hingegen ist nicht nur energieeffizienter, sondern auch platzsparender als diese durchaus gängige, aber deutlich aufwendigere Technik. ag
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