In der elektrischen Energieübertragung von Chemieanlagen ist der Einsatz von Frequenzumrichtern für Zentrifugen weit verbreitet. Prozess- und antriebstechnisch bedingt tritt häufig Bremsenergie auf. Bei Frequenzumrichtern gibt es zwei gängige Methoden zur Nutzung dieser Bremsenergie: (1) Ableitung über einen Bremswiderstand, der parallel zum Kondensator im Gleichstrompfad geschaltet ist (Leistungsbremsung); (2) Rückspeisung ins Stromnetz (Rückkopplungsbremsung, auch regenerative Bremsung genannt). Das Prinzip des Gleichstrom-Sammelschienensystems basiert auf einem universellen Frequenzumrichter mit AC-DC-AC-Frequenzumwandlung. Befindet sich der Motor im Bremszustand, wird seine Bremsenergie auf die Gleichstromseite zurückgespeist. Um die Rückkopplungsbremsenergie besser zu nutzen, werden die Gleichstromseiten der einzelnen Frequenzumrichter miteinander verbunden. Befindet sich beispielsweise ein Frequenzumrichter im Brems- und ein anderer im Beschleunigungsmodus, ergänzen sich die Energien. Dieser Artikel schlägt ein Verfahren zur Verwendung eines universellen Frequenzumrichters mit gemeinsamem Gleichstromzwischenkreis in Zentrifugen chemischer Betriebe vor und erläutert dessen Anwendung in der Rückkopplungseinheit von Zentrifugen. Derzeit gibt es mehrere Möglichkeiten zur Nutzung eines gemeinsamen Gleichstromzwischenkreises: (1) Eine gemeinsame, unabhängige Gleichrichtereinheit kann nicht-invertierbar oder invertierbar sein. Erstere verbraucht Energie über einen externen Bremswiderstand, während letztere überschüssige Energie vom Gleichstromzwischenkreis direkt ins Stromnetz zurückspeist, was eine höhere Energieeffizienz und einen besseren Umweltschutz ermöglicht. Der Nachteil ist der höhere Preis. (2) Die große Frequenzumrichtereinheit ist an den Gleichstromzwischenkreis des gemeinsamen großen Frequenzumrichters im Stromnetz angeschlossen. Der kleine Frequenzumrichter benötigt keinen Anschluss an das Stromnetz und somit kein Gleichrichtermodul. Der große Frequenzumrichter ist extern mit einem Bremswiderstand verbunden. (3) Jede Frequenzumrichtereinheit ist an das Stromnetz angeschlossen. Jede Frequenzumrichtereinheit ist mit Gleichrichter- und Wechselrichterschaltungen sowie externen Bremswiderständen ausgestattet, und die Gleichstromzwischenkreise sind miteinander verbunden. Diese Konfiguration kommt häufig zum Einsatz, wenn die Leistung der einzelnen Frequenzumrichter nahe beieinander liegt. Nach der Demontage können sie weiterhin unabhängig voneinander betrieben werden, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Der in diesem Artikel vorgestellte gemeinsame Gleichstrombus stellt die dritte Methode dar und bietet gegenüber den ersten beiden Methoden erhebliche Vorteile: a) Ein gemeinsamer Gleichstrombus reduziert die redundante Konfiguration der Bremseinheiten deutlich, zeichnet sich durch eine einfache und sinnvolle Struktur aus und ist wirtschaftlich zuverlässig. b) Die Zwischenspannung des gemeinsamen Gleichstrombusses ist konstant, und der integrierte Kondensator verfügt über eine hohe Energiespeicherkapazität, wodurch Schwankungen im Stromnetz reduziert werden können.c) Jeder Motor arbeitet in unterschiedlichen Zuständen mit komplementärer Energierückkopplung, wodurch die dynamischen Eigenschaften des Systems optimiert werden. d) Die von verschiedenen Frequenzumrichtern im Stromnetz erzeugten Oberwellenstörungen können sich gegenseitig aufheben und so die Oberwellenverzerrung des Stromnetzes reduzieren. 2. Schema für das Drehzahlregelungssystem mit variabler Frequenz vor der Modernisierung 2.1 Einführung in das Zentrifugen-Steuerungssystem Insgesamt wurden 12 Zentrifugen modernisiert, deren Steuerungssysteme jeweils identisch sind. Der Frequenzumrichter ist ein Emerson EV2000 der Serie mit 22 kW Leistung und konstantem Drehmoment. Die Rückkopplungseinheiten sind allesamt IPC-PF-1S-Rückkopplungsbremseinheiten. Alle Steuerungssysteme sind in acht identischen Einheiten zentralisiert. Das Systemdiagramm ist in Abbildung 1 dargestellt. Wie in Abbildung 1 gezeigt, benötigt jeder Frequenzumrichter eine Rückkopplungsbremseinheit, und die jeweiligen Steuerungssysteme sind vollständig unabhängig. 2.2 Analyse des Bremsvorgangs: Beim Bremsen der Zentrifuge befindet sich der Motor im regenerativen Bremszustand. Die im System gespeicherte mechanische Energie wird vom Motor in elektrische Energie umgewandelt und über die sechs Freilaufdioden des Wechselrichters in dessen Gleichstromkreis zurückgespeist. Der Wechselrichter arbeitet dabei gleichgerichtet. Werden im Frequenzumrichter keine Maßnahmen zur Energieeinsparung ergriffen, führt diese Energie zu einem Anstieg der Spannung des Energiespeicherkondensators im Zwischenkreis. Dadurch steigt die Zwischenkreisspannung des Kondensators. Sobald sie 680 V erreicht, wird die Bremseinheit aktiviert und speist überschüssige elektrische Energie ins Netz zurück. Die Zwischenkreisspannung des jeweiligen Frequenzumrichters wird dabei unter 680 V (ca. 690 V) gehalten, und der Frequenzumrichter meldet keine Überspannungsfehler. Die Stromkennlinie der Bremseinheit eines einzelnen Frequenzumrichters während des Bremsvorgangs ist in Abbildung 2 dargestellt (Bremszeit: 3 Minuten). Als Messgerät diente ein einphasiger Netzqualitätsanalysator FLUKE 43B, die Analysesoftware „FlukeView Power Quality Analyzer Version 3.10.1“. Abbildung 2: Stromkennlinie der Bremseinheit im Betrieb. Daraus ist ersichtlich, dass die Bremseinheit bei jedem Bremsvorgang mit einem Maximalstrom von 27 A arbeiten muss. Der Nennstrom der Bremseinheit beträgt 45 A. Die Bremseinheit befindet sich somit im Halblastbetrieb. 3. Modifiziertes Drehzahlregelungssystem für Frequenzumrichter 3.1 Umgang mit dem gemeinsamen DC-Bus Ein wichtiger Aspekt bei der Verwendung eines gemeinsamen DC-Busses ist die umfassende Berücksichtigung der Frequenzumrichtersteuerung, von Übertragungsfehlern, der Lastcharakteristik und der Aufrechterhaltung des Eingangsnetzes beim Einschalten. Der Plan umfasst eine dreiphasige Eingangsleitung (bei gleichbleibender Phase), einen Gleichstromzwischenkreis, eine universelle Frequenzumrichtergruppe, eine gemeinsame Bremseinheit oder ein Energierückkopplungsgerät sowie einige Hilfskomponenten.Für einen universellen Frequenzumrichter zeigt Abbildung 3 eine der gängigen Lösungen. Das Hauptschaltbild nach Auswahl des dritten Transformationsschemas ist ebenfalls in Abbildung 3 dargestellt. Die Luftschalter Q1 bis Q4 in Abbildung 3 sind die Eingangsschutzgeräte der einzelnen Frequenzumrichter, KM1 bis KM4 die Einschaltschütze. KMZ1 bis KMZ3 sind Parallelschütze für den DC-Zwischenkreis. Die Zentrifugen 1 und 2 teilen sich eine Bremseinheit und bilden eine Gruppe, ebenso wie die Zentrifugen 3 und 4. Bei ordnungsgemäßem Betrieb beider Gruppen können diese parallel geschaltet werden. Die Bremsung der Zentrifugen 1 und 2 sowie der Zentrifugen 3 und 4 erfolgt zu unterschiedlichen Zeitpunkten und richtet sich nach der Arbeitsreihenfolge der Bediener vor Ort. Im Normalbetrieb sind üblicherweise die Zentrifugen 1 und 3 sowie die Zentrifugen 2 und 4 jeweils zu einer Gruppe verbunden. Vier Zentrifugen bremsen im Allgemeinen nicht gleichzeitig. Aufgrund der komplexen Umgebungsbedingungen an realen Baustellen kommt es häufig zu Schwankungen im Stromnetz und zum Auftreten von Oberschwingungen. Die Zentrifugen können auch zur Erhöhung der Impedanz der Stromversorgung und zur Absorption von Überspannungen und Spannungsspitzen im Hauptnetz beitragen, die beim Betrieb benachbarter Geräte entstehen. Dadurch wird die Gleichrichtereinheit des Frequenzumrichters aufrechterhalten. Jeder Frequenzumrichter kann zudem mit einer Eingangsdrossel ausgestattet werden, um diese Einflüsse effektiv zu verhindern. Da die ursprüngliche Anlage im Rahmen der Modernisierung dieses Projekts nicht mit Eingangsdrosseln ausgestattet war, wurden keine Eingangsdrosseln oder andere Oberschwingungsunterdrückungseinrichtungen installiert. Abbildung 3: Schematische Darstellung des modifizierten Frequenzumrichter- und Bremssystems.Es kann auch zur Erhöhung der Impedanz der Stromversorgung und zur Absorption von Überspannungen und Spannungsspitzen der Hauptstromversorgung verwendet werden, die beim Betrieb benachbarter Geräte entstehen. Dadurch wird die Gleichrichtereinheit des Frequenzumrichters erhalten. Jeder Frequenzumrichter kann zudem mit einer Eingangsdrossel ausgestattet sein, um diese Einflüsse wirksam zu verhindern. Da die Originalausrüstung im Rahmen der Modernisierung dieses Projekts nicht mit Eingangsdrosseln ausgestattet war, wurden keine Eingangsdrosseln oder andere Oberwellenunterdrückungseinrichtungen vorgesehen. Abbildung 3: Schematische Darstellung des modifizierten Frequenzumrichter- und Bremssystems.Es kann auch zur Erhöhung der Impedanz der Stromversorgung und zur Absorption von Überspannungen und Spannungsspitzen der Hauptstromversorgung verwendet werden, die beim Betrieb benachbarter Geräte entstehen. Dadurch wird die Gleichrichtereinheit des Frequenzumrichters erhalten. Jeder Frequenzumrichter kann zudem mit einer Eingangsdrossel ausgestattet sein, um diese Einflüsse wirksam zu verhindern. Da die Originalausrüstung im Rahmen der Modernisierung dieses Projekts nicht mit Eingangsdrosseln ausgestattet war, wurden keine Eingangsdrosseln oder andere Oberwellenunterdrückungseinrichtungen vorgesehen. Abbildung 3: Schematische Darstellung des modifizierten Frequenzumrichter- und Bremssystems.
3.2 Steuerungssystemschema: Der Steuerschaltkreis ist in Abbildung 4 dargestellt. Nachdem die vier Frequenzumrichter eingeschaltet und betriebsbereit sind, wird die Ausgangsoption des Fehlerrelais für Frequenzumrichter auf „Betriebsbereit“ eingestellt. Nur wenn die Frequenzumrichter eingeschaltet und funktionsfähig sind, können sie parallel geschaltet werden. Bei einem Fehler in einem der Umrichter schließt der Zwischenkreisschütz nicht. Die Ausgangsanschlüsse TA und TC des Fehlerrelais sind normalerweise geöffnet. Nach dem Einschalten ist der Frequenzumrichter betriebsbereit, die Anschlüsse TA und TC jedes Umrichters schließen und der Zwischenkreisschütz wird nacheinander geschlossen. Andernfalls trennt der Schütz. 3.3 Merkmale des Plans (1) Verwendung eines kompletten Frequenzumrichters anstelle mehrerer Wechselrichter an der Gleichrichterbrücke. (2) Separate Gleichrichterbrücken, Ladeeinheiten, Kondensatorbänke und Wechselrichter sind nicht erforderlich. (3) Jeder Frequenzumrichter kann unabhängig vom DC-Bus betrieben werden, ohne andere Systeme zu beeinträchtigen. (4) Steuerung des DC-Zwischenkreisanschlusses des Frequenzumrichters über verriegelte Schütze. (5) Kettensteuerung schützt die am DC-Bus hängenden Kondensatoreinheiten des Frequenzumrichters. (6) Alle an der Sammelschiene montierten Frequenzumrichter müssen die gleiche Dreiphasen-Stromversorgung nutzen. (7) Schnelles Trennen des Frequenzumrichters vom DC-Bus nach einer Störung, um den Fehlerbereich weiter einzugrenzen. 3.4 Hauptparametereinstellungen des Frequenzumrichters: Auswahl des Betriebsbefehlskanals F0.03=1, maximale Betriebsfrequenz F0.05=50, Beschleunigungszeit F0.10=300, Verzögerungszeit F0.11=300, Auswahl des Fehlerrelaisausgangs F7.12=15, AO1-Ausgangsfunktion F7.26=23.5, modifizierte Testdaten. Im Stillstand: Eingangsspannung: 3PH 380VAC, Busspannung: 530VDC, DC-Busspannung: 650V. Beim Beschleunigen einer Maschine sinkt die Busspannung, während die andere Maschine abbremst. Die DC-Busspannung schwankt zwischen 540V und 670V, wobei die Bremseinheit in diesem Bereich nicht aktiviert ist. Die Bremseinheit arbeitet üblicherweise mit einer DC-Spannung von 680V (siehe Abbildung 5 für Test und Analyse). Abbildung 5: Überwachungsdiagramm des Betriebsstroms der modifizierten Bremseinheit. 4. Energiesparanalyse: Im Vergleich zur Widerstandsbremsung ist die Rückkopplungsbremseinheit energiesparend. Allerdings muss jeder Frequenzumrichter mit einer Bremseinheit ausgestattet sein, wenn eine Bremsung erforderlich ist. Daher müssen mehrere Frequenzumrichter zwangsläufig mit mehreren Bremseinheiten ausgestattet werden. Der Preis der Bremseinheit unterscheidet sich kaum vom Preis des Frequenzumrichters, die Betriebssicherheit ist jedoch gering.Der weitverbreitete Einsatz von Frequenzumrichtern mit gemeinsamer DC-Bus-Ansteuerung in Zentrifugen hat das Problem der Überlastung zwischen den Umrichtern – beim Beschleunigen und Bremsen eines Umrichters – effektiv gelöst. Diese Lösung reduziert die wiederholten Einstellungen der Bremsanlage, senkt die Anzahl der Arbeitszyklen und verringert die Netzstörungen, wodurch die Netzqualität verbessert wird. Die Reduzierung der Investitionskosten, die Steigerung der Anlagenauslastung sowie die Einsparung von Anlagen und Energie sind von großer Bedeutung. 5. Fazit: Der weitverbreitete Einsatz von universellen Frequenzumrichtern mit gemeinsamer DC-Bus-Ansteuerung löst das Problem des asynchronen Energieverbrauchs und der Rückkopplungszeiten effektiv. Dies ist von großer Bedeutung für die Reduzierung der Investitionskosten, die Verringerung von Netzstörungen und die Verbesserung der Anlagenauslastung.