SINAMICS DCM. DC Converter Applikation 12-Puls Parallelschaltung mit Saugdrosselentkopplung. Einleitung 1. Beschreibung der Applikation 2

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3 Einleitung 1 Beschreibung der Applikation 2 SINAMICS DCM DC Converter Applikation 12-Puls Parallelschaltung mit Saugdrosselentkopplung Applikationshandbuch Inbetriebnahme 3 Auslegungsbeispiel 4 Symbole 5 Referenzen 6 05/2017 A5E A/RS-AA/001

4 Rechtliche Hinweise Warnhinweiskonzept Dieses Handbuch enthält Hinweise, die Sie zu Ihrer persönlichen Sicherheit sowie zur Vermeidung von Sachschäden beachten müssen. Die Hinweise zu Ihrer persönlichen Sicherheit sind durch ein Warndreieck hervorgehoben, Hinweise zu alleinigen Sachschäden stehen ohne Warndreieck. Je nach Gefährdungsstufe werden die Warnhinweise in abnehmender Reihenfolge wie folgt dargestellt. GEFAHR bedeutet, dass Tod oder schwere Körperverletzung eintreten wird, wenn die entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen nicht getroffen werden. WARNUNG bedeutet, dass Tod oder schwere Körperverletzung eintreten kann, wenn die entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen nicht getroffen werden. VORSICHT bedeutet, dass eine leichte Körperverletzung eintreten kann, wenn die entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen nicht getroffen werden. ACHTUNG bedeutet, dass Sachschaden eintreten kann, wenn die entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen nicht getroffen werden. Beim Auftreten mehrerer Gefährdungsstufen wird immer der Warnhinweis zur jeweils höchsten Stufe verwendet. Wenn in einem Warnhinweis mit dem Warndreieck vor Personenschäden gewarnt wird, dann kann im selben Warnhinweis zusätzlich eine Warnung vor Sachschäden angefügt sein. Qualifiziertes Personal Das zu dieser Dokumentation zugehörige Produkt/System darf nur von für die jeweilige Aufgabenstellung qualifiziertem Personal gehandhabt werden unter Beachtung der für die jeweilige Aufgabenstellung zugehörigen Dokumentation, insbesondere der darin enthaltenen Sicherheits- und Warnhinweise. Qualifiziertes Personal ist auf Grund seiner Ausbildung und Erfahrung befähigt, im Umgang mit diesen Produkten/Systemen Risiken zu erkennen und mögliche Gefährdungen zu vermeiden. Bestimmungsgemäßer Gebrauch von Siemens-Produkten Beachten Sie Folgendes: Marken WARNUNG Siemens-Produkte dürfen nur für die im Katalog und in der zugehörigen technischen Dokumentation vorgesehenen Einsatzfälle verwendet werden. Falls Fremdprodukte und -komponenten zum Einsatz kommen, müssen diese von Siemens empfohlen bzw. zugelassen sein. Der einwandfreie und sichere Betrieb der Produkte setzt sachgemäßen Transport, sachgemäße Lagerung, Aufstellung, Montage, Installation, Inbetriebnahme, Bedienung und Instandhaltung voraus. Die zulässigen Umgebungsbedingungen müssen eingehalten werden. Hinweise in den zugehörigen Dokumentationen müssen beachtet werden. Alle mit dem Schutzrechtsvermerk gekennzeichneten Bezeichnungen sind eingetragene Marken der Siemens AG. Die übrigen Bezeichnungen in dieser Schrift können Marken sein, deren Benutzung durch Dritte für deren Zwecke die Rechte der Inhaber verletzen kann. Haftungsausschluss Wir haben den Inhalt der Druckschrift auf Übereinstimmung mit der beschriebenen Hard- und Software geprüft. Dennoch können Abweichungen nicht ausgeschlossen werden, so dass wir für die vollständige Übereinstimmung keine Gewähr übernehmen. Die Angaben in dieser Druckschrift werden regelmäßig überprüft, notwendige Korrekturen sind in den nachfolgenden Auflagen enthalten. Siemens AG Division Process Industries and Drives Postfach NÜRNBERG DEUTSCHLAND A5E A/RS-AA/001 P 07/2017 Änderungen vorbehalten Copyright Siemens AG Alle Rechte vorbehalten

5 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Wichtiger Hinweis Vorbemerkungen Beschreibung der Applikation Einspeisetransformator Stromrichter Saugdrossel Stromwandler Antriebsmotor / Last Istwerterfassung der Lastspannung Inbetriebnahme Stromregleroptimierung Test Auslegungsbeispiel Symbole Referenzen Applikationshandbuch, 05/2017, A5E A/RS-AA/001 5

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7 Einleitung Wichtiger Hinweis Die angeführten Beispiele sind unverbindlich und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit hinsichtlich Konfiguration und Parametrierung sowie jeglicher Eventualitäten. Der Auslegungsbeispiel stellt keine kundenspezifische Lösungen dar, sondern sollte lediglich Hilfestellung bei typischen Aufgabenstellungen bieten. Der Betreiber ist für den sachgemäßen Betrieb der ausgelegten Anlagen selbst verantwortlich. SIEMENS behält sich das Recht vor, Änderungen an diesem Dokument jederzeit ohne Ankündigung durchzuführen. Bei Abweichungen zwischen den Vorschlägen in diesem Dokument und anderen Siemens Publikationen, wie z.b. Katalogen, hat der Inhalt der anderen Dokumentation Vorrang. 1.2 Vorbemerkungen Die 12-Puls Schaltung der Stromrichter mit der Saugdrossel eignet sich für die Applikationen wo die Bauvolumen und/oder Kosten für die Einzeldrossellösung nicht vertretbar sind. Die Saugdrossel wirkt stromkompensierend in Richtung Last, daher ist durch eine ideale Saugdrossel nahezu keine Glättung des Laststromes wirksam. Applikationshandbuch, 05/2017, A5E A/RS-AA/001 7

8 Einleitung 1.2 Vorbemerkungen 8 Applikationshandbuch, 05/2017, A5E A/RS-AA/001

9 Beschreibung der Applikation 2 Die Basis für die Applikation mit der Saugdrossel ist der Applikationsschift Applikation 12- puls Anwendungen 09/2015, Referenz [1] zu entnehmen. Damit wird die Basisverschaltung und Parametrierung definiert. Bei der Auslegung der Einzelkomponenten sind die in diesem Kapitel sowie in Kapitel 4 (Seite 15) folgenden Hinweise zu beachten. Applikationshandbuch, 05/2017, A5E A/RS-AA/001 9

10 Beschreibung der Applikation Bild 2-1 Schaltungsübersicht Ankerkreis mit relevanten Signalen Legende Position Element 1 Einspeisetransformator (Siehe Kap. 2.1) 2 Stromrichter (Siehe Kap. 2.2) 3 Stromrichter (Siehe Kap. 2.2) 4 Saugdrossel (Siehe Kap. 2.3) 5 Stromwandler (Siehe Kap. 2.4) 6 Antriebsmotor / Last (Siehe Kap. 2.5) 7 Sollwertkanal 8 Parallelschaltschnittstelle 9 Istwert Lastspannung 10 Istwert Laststrom 11 Istwerterfassung Lastspannung 10 Applikationshandbuch, 05/2017, A5E A/RS-AA/001

11 Beschreibung der Applikation 2.1 Einspeisetransformator 2.1 Einspeisetransformator 3-Wicklungstransformator oder Gruppe aus 2 Transformatoren. Phasenverschiebung der Sekundärspannungen um 30 el. Mögliche Schaltgruppen sind Dd0y11, Dd0y5, Yy0d11, Yy0d5. Gleiche nominale Sekundärspannungen Kurzschlussspannung Primär-Sekundär uk1-2 und uk1-3 sollte mindestens 4 % betragen. Die Missachtung dieser Anforderung kann durch den Einbau von Kommutierungdrosseln zwischen dem Transformator und den einzelnen Stromrichtern kompensiert werden, gemäß Projektierungsvorgaben [2]. Die Kurzschlussspannung mit Einrechnung der Reaktanz der etwaigen Kommutierungsdrosseln sollte 12%, bezogen auf Nennstrom des Stromrichters nicht überschreiten. Möglichst gleiche Kurzschlussspannungen Primär-Sekundär für beide Sekundärseiten, uk1-2 und uk1-3. Abweichungen bis 10% im Bezug auf die jeweiligen Werte sind zulässig (z.b. maximale Abweichung uk1-2 = 3,6 % und uk1-3 = 4,4 %). Die Mindestkurzschlussspannung zwischen Sekundärwicklungen uk2-3 sollte über 10 % betragen. Geringere Entkopplung der beiden Systeme könnte zu Instabilitäten in der Stromaufteilung zwischen beiden Systemhälften führen. 2.2 Stromrichter Stromrichter sind die Geräte der Produktreihe SINAMICS DCM. Die Applikationsschrift wird für die ausgewählten Geräte für typische Applikationen ausgeführt, grundsätzlich ist die Anwendung aller Geräte SINAMICS DCM möglich. 2.3 Saugdrossel Die Saugdrossel wird als Ein-Phasen-Transformator ausgelegt. Übersetzung 1:1 Frequenz = 6-fache Netzfrequenz (300Hz bei 50Hz System, 360Hz bei 60Hz System) Der Leerlaufstrom I0 sollte 5-12% Nennstroms betragen. Der Wert des Leerlaufstromes sollte durch Luftspalt im Kern der Saugdrossel erreicht werden. Die Primär-/Sekundärspannung ist das U1_N = U2_N ist das 0,65 fache der Außenleiterspannung der Sekundärseite des Einspeisetransformators. Die thermischen Nennströme I1_N = I2_N der Wicklungen entsprechen dem halben DC- Ausgangsstrom der Anlage. Die Bauleistung der Saugdrossel SN* beträgt das 0,12 fache der Bauleistung des Stromrichtertrafos. Die Kurzschlussspannung uk der Saugdrossel sollte mindestens 10% betragen, betrachtet als ein Transformator. Eine höhere Kurzschlussspannung bewirkt eine bessere Stromglättung und erhöht die Netzrückwirkungen. Applikationshandbuch, 05/2017, A5E A/RS-AA/001 11

12 Beschreibung der Applikation 2.4 Stromwandler Der Luftspalt in der Saugdrossel bewirkt neben Erhöhen des Leerlaufstromes auch die Unempfindlichkeit der Saugdrossel gegenüber Sättigungseffekten bei dem nicht balancierten Betrieb der beiden Stromrichter. Die Reduzierung bzw. sogar Verzicht auf den Luftspalt im Kern der Saugdrossel verringert den Leerlaufstrom und erhöht dadurch die Wirkung der Saugdrossel für die Verbesserung der Netzrückwirkungen des Systems. Dabei ist aber zu beachten, dass die Reduzierung des Luftspaltes die Sättigungsempfindlichkeit der Saugdrossel erhöht. Sollte der Leerlaufstrom der Saugdrossel unter 10% liegen, ist für jedes % unter 10% die Bauleistung um den Faktor 1,1 zu erhöhen. Die präzise Auslegung der Kurzschlussspannung uk (bzw. Streuinduktivität) und des Leerlaufstromes (bzw. Hauptinduktivität) der Saugdrossel ist anwendungsabhängig. Dazu sind weitere Angaben wie z.b. Lastinduktivität, zulässige Stromwelligkeit, erforderliche Regeldynamik usw. erforderlich. Die Anforderungen an die zulässigen Netzrückwirkungen bezüglich Strom- und Spannungsoberwellen sowie die vorhandene Netzverzerrung durch etwaige andere Verbraucher sollten ebenso vorhanden sein. Mit diesen Angaben könnte eine präzise numerische transiente Simulation ausgeführt werden, um die Streuparametern der Saugdrossel zu bestimmen. Ergeben sich durch die Simulation nicht realisierbare Größen der Steuinduktivitäten (bzw. Kurzschlussspannung uk) eignet sich die Anlage nicht für die Applikation einer Saugdrossel und sollte besser mit Einzeldrosseln für die jeweiligen Stromrichter ausgestattet werden. 2.4 Stromwandler Die Stromistwerterfassung mit einem geeigneten Stromwandler am Ausgang wird für die Stabilität des Betriebs empfohlen. Der Stromistwert ist an einen der dafür vorgesehenen Analogeingänge der CUD zu führen, siehe FP6850, FP2085, FP2090 sowie Parameter p81852, p81853 (Master und Slave) laut Listenhandbuch [3]. 2.5 Antriebsmotor / Last Die angeführten Kriterien gelten für motorische, bzw. resistiv-induktive Lasten inkl. Gegenspannung mit keiner bis kleiner Nichtlinearität. Sollte das System für stark nichtlineare Lasten oder für Lasten mit kapazitiver Charakteristik ausgelegt werden, ist eine präzise numerische Simulation des Systems notwendig. 2.6 Istwerterfassung der Lastspannung Die Spannungsistwerterfassung mit einem geeigneten Spannungswandler an der Last ist notwendig für die Stabilität des Betriebs, falls die elektromotorische Spannung als Eingangsgröße der Vorsteuerung parametriert wird. Der Spannungsistwert ist an den AI2 der CUD zu führen (Master und Slave) und im Zuge der Inbetriebnahme die entsprechende Parametrierung vorzunehmen. Siehe Listenhandbuch [3], Funktionsplan FP6902, p51854, p Applikationshandbuch, 05/2017, A5E A/RS-AA/001

13 Inbetriebnahme 3 Das Verhalten des Systems hängt von vielen Parametern ab und eine Erstellung eines allgemein gültigen Parametersatzes ist nicht möglich. Eine manuelle Nachoptimierung des Stromreglers durch einen erfahrenen Techniker ist daher unbedingt erforderlich. 3.1 Stromregleroptimierung Stromregleroptimierung ist lt. Applikationsschrift 12-puls Anwendungen 09/2015 [1] Kapitel durchzuführen. 3.2 Test Die in diesem Dokument angeführten Hinweise sind Empfehlungen, basiert auf Erfahrungen, Stand der Technik und numerischer Simulation. Die Richtigkeit der Auslegung und Parametrierung ist durch einen Probebetrieb, spätestens in Zuge der Inbetriebnahme zu verifizieren. Applikationshandbuch, 05/2017, A5E A/RS-AA/001 13

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15 Auslegungsbeispiel 4 Es ist ein Motor mit folgenden Kenndaten vorgegeben: UN = 600 V IN = 4000 A Nach der Betrachtung der Antriebsdynamik, Netzrückwirkungen und anderen Parametern wurde entschieden eine 12-Puls Parallelschaltung mit folgenden Daten zu verwenden: U2N = 575 V 2x Stromrichter SINAMICS DCM 4Q 575 V / 2800 A Der Einspeisetransformator wird mit folgenden Kenndaten gewählt: Bauleistung Transformator: SNT = U2N * 3* 2 / π * IN * 1,05 = 575 * 3* 2 / π * 4000 A * 1,05 SNT = 3,26 MVA U1 = gemäß Anschlusspunkt der Anlage U2 = U3 = 575V Schaltgruppe Dd0y11 uk1-2 = 5% uk1-3 = 5% uk2-3 = 15% Applikationshandbuch, 05/2017, A5E A/RS-AA/001 15

16 Auslegungsbeispiel Die Saugdrossel wird als Transformator definiert: fn = 300Hz (6 50 Hz) Bauleistung Saugdrossel: SNS = 0,12 * 3,26 MVA = 195,6 kva U1 = 0,65 * 575V = 380V U2 = U1 = 380V I0 = 10% * 195,6 kva/380 V = 51,5 A Thermischer Strom der Wicklung I1 = 2000A Thermischer Strom der Wicklung I2 = 2000A Kurzschlussspannung der Saugdrossel uk = 15% Diese Saugdrossel hat eine wirksame Induktivität pro Strang: Die oben angeführten Induktivitätswerte können zwischen den Anschlüssen 1-3 bzw. 2-3 gemessen werden Die im Beispiel angeführte Saugdrossel wirkt schwerpunktmäßig stromkompensierend in Richtung Last, daher ist durch diese Saugdrossel nur eine geringe Glättung des Laststromes wirksam. 16 Applikationshandbuch, 05/2017, A5E A/RS-AA/001

17 Symbole 5 Symbol U1N, U2N I1N, I2N I0 uk1-2 uk1-3 Erklärung Nominale Primär-/Sekundärspannung des Transformators Nominaler Primär-/Sekundärstrom des Transformators Leerlaufstrom des Transformators Kurzschlussspannung Sekundärwicklung 2 gegenüber Primärwicklung Kurzschlussspannung Sekundärwicklung 3 gegenüber Primärwicklung uk2-3 Kurzschlussspannung Sekundärwicklung 2 gegenüber Sekundärwicklung 3 uk SNS Kurschlussspannung der Saugdrossel Bauleistung der Saugdrossel, für Zwecke der Saugdrosselauslegung wird die Typenleistung mit nominaler Kerninduktion betrachtet. U1, U2 Nennspannungen der Saugdrosselwicklungen I1, I2 Nennströme der Saugrosselwicklungen SNT Typenleistung des Stromrichtertransformators Applikationshandbuch, 05/2017, A5E A/RS-AA/001 17

18 Symbole 18 Applikationshandbuch, 05/2017, A5E A/RS-AA/001

19 Referenzen 6 [1] Siemens AG; Applikation 12-puls Anwendungen 09/2015; A5E G [2] Siemens AG; SINAMICS DCM Kommutierungsdrosseln, Betriebsanleitung 2013; A5E A [3] Siemens AG; SINAMICS DCM Listenhandbuch, 6RX1800-0ED00 [4] Schäfer,J: Rectifier Circuits: Theory and Design, John Wiley&Sons Inc. USA, 1965; CatNr Applikationshandbuch, 05/2017, A5E A/RS-AA/001 19

20 Referenzen 20 Applikationshandbuch, 05/2017, A5E A/RS-AA/001

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