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Wie rückspeisende Lasten die industrielle Netzqualität beeinflussen
Rückspeisende Lasten sind in modernen Industriesystemen häufig. Sie treten auf, wenn ein Motor von der Leistungsaufnahme zur Rückspeisung von Energie wechselt.
Dies geschieht häufig beim Bremsen, Absenken, Verzögern oder bei schnellen Geschwindigkeitsänderungen.
Krane, Hebezeuge, Aufzüge, Walzwerke, Zentrifugen, Prüfstände und Fördersysteme können alle rückspeisende Lasten erzeugen.
Diese Systeme verbessern die Steuerung und Energienutzung. Allerdings können rückspeisende Lasten auch die industrielle Netzqualität beeinflussen.
Sie können Spannungserhöhungen, Überspannungen im DC-Zwischenkreis, einen instabilen Leistungsfaktor und Belastungen für industrielle Antriebe verursachen.
Das Problem wird ernster, wenn das elektrische System die zurückgespeiste Energie nicht aufnehmen kann.
Dieser Artikel erklärt, wie rückspeisende Lasten funktionieren, wie sie die industrielle Netzqualität beeinflussen und wie dynamische Kompensation die Systemstabilität verbessern kann.
Rückspeisende Lasten geben elektrische Energie an das System zurück.
Eine normale Motorlast nimmt elektrische Leistung aus dem Netz auf. Sie wandelt diese Leistung in mechanische Bewegung um.
Eine rückspeisende Last arbeitet während eines Teils ihres Betriebszyklus in die entgegengesetzte Richtung.
Der Motor wirkt wie ein Generator. Mechanische Energie wird über den industriellen Antrieb zurückgeführt.
Dieser Zustand tritt häufig auf, wenn:
Rückspeisende Lasten sind keine Fehler.
Sie sind ein normaler Bestandteil vieler industrieller Prozesse.
Die Herausforderung besteht darin, die zurückgeführte Energie zu steuern, ohne Probleme mit der Netzqualität zu verursachen.
Rückspeisende Lasten treten auf, wenn das mechanische System den Motor antreibt.
Betrachten wir einen Kran, der einen schweren Gegenstand hebt.
Beim Heben verbraucht der Motor elektrische Leistung. Beim Absenken zieht die Schwerkraft die Last nach unten.
Der Motor muss diese Bewegung steuern. Er wirkt als Generator und sendet Energie zurück zum industriellen Antrieb.
Der gleiche Prozess tritt bei schneller Verzögerung auf.
Ein rotierender Motor und eine Maschine enthalten gespeicherte mechanische Energie. Wenn das System langsamer wird, muss diese Energie irgendwohin gelangen.
Sie kann:
Wenn das System diese Energie nicht verwalten kann, kann die Spannung schnell ansteigen.
Industrielle Antriebe steuern Motordrehzahl, Drehmoment, Beschleunigung und Bremsen.
Während des normalen Motorbetriebs nimmt der Antrieb Leistung aus der elektrischen Versorgung auf.
Während der Rückspeisung fließt Energie zurück zum Gleichstromzwischenkreis.
Dies kann zu einer Überspannung des Gleichstromzwischenkreises führen.
Der Gleichstromzwischenkreis enthält Kondensatoren, die elektrische Energie speichern. Wenn rückspeisende Lasten zu viel Energie zurückführen, steigt die Spannung des Gleichstromzwischenkreises an.
Wenn die Spannung den sicheren Grenzwert überschreitet, kann der Industrieantrieb abschalten.
Häufige Folgen sind:
Eine Abschaltung des Antriebs schützt die Ausrüstung. Wiederholte Abschaltungen verringern jedoch die Produktionszuverlässigkeit.
Die Lösung hängt davon ab, wie häufig Rückspeisung auftritt und wie viel Energie zurückgeführt wird.
Eine Überspannung des Gleichstromzwischenkreises ist eines der häufigsten Probleme im Zusammenhang mit rückspeisenden Lasten.
Das Problem tritt auf, wenn zurückgeführte Energie schneller in den Gleichstromzwischenkreis gelangt, als das System sie entfernen kann.
Die Spannung steigt dann an.
Ein kurzer Rückspeisevorgang kann nur eine geringe Änderung verursachen. Eine schwere Last oder ein schneller Bremszyklus kann einen deutlich größeren Spannungsanstieg erzeugen.
Eine Überspannung des Gleichstromzwischenkreises tritt häufig auf bei:
Häufige Überspannungen des Gleichstromzwischenkreises können Kondensatoren und leistungselektronische Komponenten beschädigen.
Sie können Bediener auch dazu zwingen, langsamere Bremszeiten zu verwenden.
Dies kann die Produktionsgeschwindigkeit verringern.
Rückspeisende Lasten können auch einen Spannungsanstieg im größeren elektrischen System verursachen.
Wenn Energie in das Netz zurückgeführt wird, kann die lokale Spannung ansteigen.
Die Auswirkung hängt von der Stärke der elektrischen Versorgung ab.
Ein starkes Stromnetz kann normalerweise mehr zurückgeführte Energie aufnehmen. Ein schwaches Netz hat weniger Kapazität, den Spannungsanstieg zu kontrollieren.
Ein Spannungsanstieg wird wahrscheinlicher, wenn der Standort Folgendes aufweist:
Die Kombination aus rückspeisenden Lasten und Solarstromerzeugung kann einen schwierigen Zustand erzeugen.
Beide Systeme können gleichzeitig Leistung in Richtung des Netzes senden.
Dies kann die Spannung am gemeinsamen Anschlusspunkt erhöhen.
Rückspeisende Lasten beeinflussen mehr als nur den Antrieb.
Sie können die industrielle Stromqualität im gesamten verbundenen Netz beeinflussen.
Zu den wichtigsten Problemen der Stromqualität gehören:
Das genaue Problem hängt von der Auslegung des Antriebs ab.
Einige industrielle Antriebe verwenden Diodengleichrichter. Diese Antriebe können Energie nicht direkt in das Netz zurückspeisen.
Andere Systeme verwenden Antriebe mit aktivem Front-End. Sie können Energie zurück in die elektrische Versorgung speisen.
Antriebe mit aktivem Front-End bieten eine bessere Rückspeiseregelung. Sie benötigen jedoch weiterhin eine korrekte Systemauslegung.
Eine schlechte Regelung kann Spannungs-, Oberschwingungs- oder Blindleistungsprobleme verursachen.
Bremswiderstände sind eine häufige Lösung für rückspeisende Lasten.
Sie wandeln zurückgespeiste elektrische Energie in Wärme um.
Dies hilft, eine Überspannung des Gleichstromzwischenkreises zu verhindern.
Bremswiderstände sind einfach und effektiv für kurze Bremszyklen. Sie haben jedoch auch klare Grenzen.
Sie:
Ein Bremswiderstand kann das Gleichstromzwischenkreisproblem innerhalb eines einzelnen Antriebs lösen.
Er steuert nicht den Spannungsanstieg oder die Blindleistung im gesamten elektrischen System.
Bei häufigem Rückspeisebetrieb kann ein rückspeisender Antrieb oder ein aktives Front-End eine bessere Leistung bieten.
Rückspeisende Lasten können auch einen sich ändernden Blindleistungsbedarf erzeugen.
Der industrielle Antrieb kann während des Motor- und Generatorbetriebs unterschiedlich arbeiten.
Während eines Teils des Zyklus kann das System Blindleistung verbrauchen. Während eines anderen Teils kann sich der Blindleistungszustand schnell ändern.
Dies kann zu einem instabilen Leistungsfaktor führen.
Herkömmliche Kondensatorbänke können diesen schnellen Änderungen möglicherweise nicht folgen.
Eine Kondensatorbank arbeitet in festen Stufen. Während kurzer regenerativer Zyklen kann sie möglicherweise zu langsam reagieren.
Dies kann zu Folgendem führen:
Die dynamische Blindleistungskompensation reagiert genauer auf sich ändernde regenerative Lasten.
Ein statischer Var-Generator bietet eine dynamische Blindleistungskompensation.
Er misst Strom, Spannung, Leistungsfaktor und Blindleistung in Echtzeit.
Der SVG liefert oder nimmt dann Blindleistung entsprechend dem tatsächlichen Systemzustand auf.
Dies ist für regenerative Lasten nützlich, da sich ihr elektrisches Verhalten schnell ändert.
Ein SVG kann helfen:
Der SVG nimmt nicht die aktive regenerative Energie auf, die im Gleichspannungszwischenkreis gespeichert ist.
Diese Funktion gehört zu einem Bremswiderstand, einem regenerativen Antrieb, einem Energiespeichersystem oder einem aktiven Front-End.
Der SVG steuert die Blindleistung und den Spannungszustand rund um die regenerative Last.
Diese Unterscheidung ist wichtig.
Eine vollständige Lösung kann sowohl eine Steuerung regenerativer Energie als auch eine dynamische Blindleistungskompensation erfordern.
Industrielle Antriebe sind nichtlineare Lasten.
Sie können bei der Steuerung regenerativer Lasten Oberschwingungsverzerrungen erzeugen.
Der Oberschwingungspegel hängt von der Topologie des Antriebs ab.
Ein standardmäßiger Sechspulsantrieb erzeugt häufig starke Oberschwingungsströme der 5. und 7. Ordnung.
Ein Antrieb mit aktivem Front-End kann einige Eingangsoberschwingungen reduzieren. Schaltharmonische und andere Verzerrungen können jedoch weiterhin auftreten.
Eine hohe Oberschwingungsverzerrung kann verursachen:
Wenn der Oberschwingungsstrom hoch ist, kann ein aktiver Oberschwingungsfilter erforderlich sein.
Der aktive Oberschwingungsfilter misst den Oberschwingungsstrom und speist einen entgegengesetzten Strom ein.
Dies reduziert die Verzerrung in Echtzeit.
Eine Anlage kann daher verwenden:
Das endgültige Design hängt von den gemessenen Systemdaten ab.
Kräne erzeugen starke rückspeisende Lasten beim Absenken von schwerem Material.
Die Last kann sich schnell ändern. Dies kann zu einer Überspannung des Gleichspannungszwischenkreises und einem instabilen Leistungsfaktor führen.
Die dynamische Kompensation hilft, das elektrische System während Hebe- und Senkzyklen zu stabilisieren.
Aufzüge speisen Energie zurück, wenn sie sich mit einer schweren Kabine nach unten bewegen.
Sie können auch Energie zurückspeisen, wenn sie eine leichte Kabine mit einem schweren Gegengewicht anheben.
Große Aufzugsgruppen können wiederholte Rückspeiseereignisse erzeugen.
Walzwerke ändern häufig Geschwindigkeit und Richtung.
Ihre industriellen Antriebe müssen ein hohes Drehmoment und eine schnelle Verzögerung steuern.
Dies erzeugt wechselnde Bedingungen für Wirk- und Blindleistung.
Zentrifugen speichern große Mengen mechanischer Energie.
Während des Bremsens wird diese Energie an den industriellen Antrieb zurückgeführt.
Eine schlechte Energiekontrolle kann eine Überspannung des Gleichspannungszwischenkreises verursachen.
Motorprüfstände betreiben häufig einen Motor gegen einen anderen.
Die Lastmaschine nimmt Energie auf und erzeugt eine kontinuierliche Rückspeisung.
Diese Systeme benötigen eine sorgfältige Steuerung von Energiefluss, Spannung, Oberschwingungen und Blindleistung.
Eine einzelne Strommessung ist nicht ausreichend.
Ingenieure sollten das System während des vollständigen Betriebszyklus messen.
Der Test sollte Folgendes umfassen:
Wichtige Werte umfassen:
Die Messung sollte zeigen, wann sich die Leistungsrichtung ändert.
Sie sollte auch zeigen, ob das Hauptproblem Wirkleistung, Blindleistung, harmonische Verzerrung oder alle drei betrifft.
Die richtige Lösung hängt von der Anwendung ab.
Ingenieure sollten Folgendes prüfen:
Ein Bremswiderstand kann für gelegentliche Rückspeisung funktionieren.
Ein rückspeisefähiger Antrieb kann bei häufigem Bremsen besser geeignet sein.
Ein SVG kann bei schnellen Änderungen der Blindleistung erforderlich sein.
Ein aktiver Oberschwingungsfilter kann erforderlich sein, wenn die harmonische Verzerrung hoch ist.
Die endgültige Lösung sollte auf Messdaten basieren und nicht nur auf der Motortypenschildleistung.
Rückspeisende Lasten führen während des Bremsens, Absenkens oder Verzögerns mechanische Energie an den industriellen Antrieb oder das elektrische Netz zurück und senken dadurch den Energieverbrauch.
Eine Überspannung im Gleichstromzwischenkreis tritt auf, wenn rückgespeiste Energie schneller in den Gleichstromzwischenkreis gelangt, als das System sie entfernen kann.
Ja. Zurückgespeiste Wirkleistung kann die lokale Spannung erhöhen, insbesondere in schwachen elektrischen Netzen.
Eine Kondensatorbank kann den gleichmäßigen Blindleistungsbedarf unterstützen. Sie kann keine rückgespeiste Wirkleistung aufnehmen und reagiert möglicherweise zu langsam auf schnelle Laständerungen.
SVG steuert die Blindleistung in Echtzeit. Es verbessert den Leistungsfaktor und unterstützt die Spannungsstabilität bei wechselnden Betriebsbedingungen.
Ein aktiver Oberschwingungsfilter kann erforderlich sein, wenn industrielle Antriebe hohe Oberschwingungsströme erzeugen.
Rückspeisende Lasten sind bei Kränen, Hebezeugen, Aufzügen, Walzwerken, Zentrifugen und Motorprüfsystemen weit verbreitet.
Sie verbessern die Energienutzung, indem sie während des Bremsens und der Verzögerung Leistung zurückführen.
Rückspeisende Lasten können jedoch auch Überspannungen im Gleichstromzwischenkreis, Spannungsanstiege, einen instabilen Leistungsfaktor und Oberschwingungsverzerrungen verursachen.
Die richtige Lösung hängt von der Ursache des Problems ab.
Bremswiderstände steuern kurze Rückspeiseereignisse. Rückspeisende Antriebe führen Wirkleistung in das Netz zurück. SVG steuert sich ändernde Blindleistung. Aktive Oberschwingungsfilter reduzieren Oberschwingungsverzerrungen.
Eine vollständige Untersuchung der Netzqualität sollte den gesamten Lastzyklus messen.
Dies hilft Ingenieuren, die richtige Lösung auszuwählen und die industrielle Netzqualität bei rückspeisenden Lasten zu verbessern.
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