FAQ für SIMOREG 6RA70 und Control Module

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1 I DT LD CS 28. Februar 2011 FAQ für SIMOREG 6RA70 und Control Module Frage: Welche Anforderungen an die Netzqualität bestehen und welche Netzrückwirkungen treten auf? Antwort: Anforderung an das speisende Netz: Spannung: Nennspannung +10% -20%, (+15% bei 400 V und 460 V Geräten) Frequenz: 45 bis 65 Hz, (23 bis 110 Hz auf Anfrage) Zulässige Frequenzänderungsgeschwindigkeit: 10 Hz/s Maximale Unsymmetrie des Netzes: 3% U OS...verkettete Spannung Mittelspannungsnetz, Primärseite Trafo U US...verkettete Spannung Unterspannungsseite, Sekundärseite Trafo S K1... Kurzschlussleistung des Mittelspannungsnetzes am Anschlusspunkt des Stromrichtertrafos S K2...Kurzschlussleistung der sekundärseitigen Sammelschiene des Stromrichtertrafos X N...Induktiver Widerstand des Netzes bezogen auf die sekundärseitige Spannung des Trafos X T...Induktiver Widerstand des Stromrichtertrafos bezogen auf die sekundärseitige Spannung des Trafos X D...Induktiver Widerstand der Kommutierungsdrossel X K...Kommutierungsreaktanz des Stromrichters, X K = X N + X T + X D Id...Gleichstrom Lv... Induktivität der Glättungsdrossel, La...Induktivität des Motors SR...Stromrichter M...Gleichstrommotor 1

2 Netzrückwirkungen: Stromrichter am Netz verursachen zwei Arten von Netzrückwirkungen: A) Kommutierungseinbrüche B) Harmonische Oberschwingungen Die Stromrichter werden durch diese Netzrückwirkungen nicht gestört, jedoch können diese Netzrückwirkungen negative Auswirkungen auf andere Verbraucher am selben Netz haben. Die Kommutierungseinbrüche: Kommutierungsdrossel Bei Einsatz von netzgeführten Stromrichtern sind immer Kommutierungsinduktivitäten im Einspeisekreis nötig. Im einfachsten Fall wird dazu eine Kommutierungsdrosssel eingesetzt. Zum Schutz des Stromrichters ist eine Kommutierungsinduktivät nötig, die bei Bemessungsstrom des Stromrichters 4% Spannungsabfall aufweist; uk = 4%. Für jeden Stromrichter am gleichen Netz ist eine getrennte Kommutierungsdrossel oder eine eigene Trafowicklung mit 4% uk einzusetzen. Das zulässige uk der Drossel/Trafowicklung für den Stromrichter beträgt dabei 4% bis 10 % (Worst Case 15%). Gemäß DIN EN sind Spannungseinbrüche von bis zu 20% der Spitzennetzspannung beim Kommutieren zulässig. Es gilt folgendes: Ist die Kurzschlussleistung des Netzes mindestens um den Faktor 100 höher als die Anschlussleistung des Stromrichters, so treten bei Verwendung einer 4% Kommutierungsdrossel Kommutierungseinbrüche mit maximal 20 % der Spitzenspannung des Netzes auf. Werden mehrere Stromrichter am gleichen Netz eingesetzt, so kann davon ausgegangen werden, dass diese nicht zum gleichen Zeitaugenblick kommutieren, es kann somit die Drossel für jeden Stromrichter einzeln abhängig von dessen Leistung gemäß oben dimensioniert werden. Normalerweise wird die Kommutierungsdrossel abhängig vom Motorbemessungsstrom dimensioniert, dies spart Kosten da der Bemessungsstrom des Gerätes meist höher ist. Sind am Motor hohe Beschleunigungsströme nötig, so sollte wegen der auftretenden Sättigung bei hohen Strömen die Drossel mindestens auf Spitzenstrom / 1,6 ausgelegt werden. Der Wechselstrom der Drossel für die Ankerkreiseinspeisung ist: Gleichstrom Id * 0,816 Hilfestellung für die Berechnung der Kommutierungeinbrüche: ΔU[%] = (x N + x T )/ (x N + x T + x D ) * 100%; X N + X T = U US 2 / S K2, X D = 2 * π * f * L D ; mit L D... Induktivität der Kommutierungsdrossel, f...netzfrequenz ΔU: Kommutierungseinbruch Netz am Anschlusspunkt des Stromrichters (Netzseite direkt vor der Kommutierungsdrossel) in Prozent. Ist nur die Kurzschlussleistung S k1 auf der Oberspannungsseite des Netztrafos bekannt so kann S k2 wie folgt berechnet werden: S k2 = S T / (u k + S T / S k1 ); S T : Trafoscheinleistung, u k : Kurzschlussspannung Trafo in p.u. z.b. 0,06 für 6% uk. Auswirkungen der Kommutierungseinbrüche auf Verbraucher am selben Netz: Bei mehreren SINAMICS DCM am selben Netz werden diese meist nicht gegenseitig beeinflusst, sofern der Spannungseinbruch nicht höher ist als durch die Schwelle der Phasenausfallsüberwachung in Parameter P353 definiert (Werkseinstellung 40% bedeutet 60% Einbruch zulässig). Wohl jedoch können durch diese steilflankigen Spannungseinbrüche andere Verbraucher geschädigt werden. Beispiele hierfür sind Schaltnetzteile für die Stromversorgung von Automatisierungsgeräten, Computern und deren Monitoren, aber auch Verbraucher wie Leuchtstofflampen mit elektronischen Startern und Kompensationskondensatoren für Niederspannungsmotoren. 2

3 Das ist mit ein Grund warum Stromrichter größerer Leistung meist über einen getrennten Stromrichtertransformator, eingespeist von der Oberspannungsseite des Netzes versorgt werden. Bei Auftreten von Problemen mit Verbrauchern am selben Netz mit netzgeführten Stromrichtern, ist es meist kostengünstiger einen eigenen Trafo für die Schwachnetzverbraucher vorzusehen, als zusätzliche Maßnahmen am leistungsstarken Stromrichter zu realisieren. Oberschwingungen: 6-pulsiger Stromrichter: Bei 6-pulsigen netzgeführten Stromrichtern treten nur ungeradzahlige, nicht durch 3 teilbare Oberschwingungsströme und Oberschwingungsspannungen mit folgenden Ordnungszahlen ν auf: ν = n * 6 ± 1 mit n = 1, 2, 3... ν = 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25, 29, 31, 35, 37, 41, 43, 47, pulsiger Stromrichter: Durch die Phasenverschiebung von 30 der beiden Sekundärspannungen kompensieren sich die in den Eingangsströmen der beiden 6-pulsigen Gleichrichter nach wie vor vorhandenen Oberschwingungsströme mit den Ordnungszahlen ν = 5, 7, 17, 19, 29, 31, 41, sodass am Netzanschlusspunkt, auf der Primärseite des Trafos theoretisch nur noch ungeradzahlige, nicht durch 3 teilbare Oberschwingungsströme und Oberschwingungsspannungen mit folgenden Ordnungszahlen ν auftreten: ν = n * 12 ± 1 mit n = 1, 2, 3... ν = 11, 13, 23, 25, 35, 37, 47, Welche Oberschwingungsanteile sind zulässig? Folgende Normen für Oberschwingungen kommen zur Anwendung: EN ; Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen und Signalübertragung in öffentlichen Niederspannungsnetzen. Gilt für einen Frequenzbereich von 0 bis 9 khz. Für Nennspannungen bis 420 V einphasig und 690 V dreiphasig. Die Verträglichkeitspegel gelten für den Verknüpfungspunkt PCC (Point of Common Coupling) mit dem öffentlichen Netz. Es werden keine Grenzwerte für Stromoberschwingungen definiert. Der Verträglichkeitspegel für den Gesamtverzerrungsfaktor der Spannung: THD(U) beträgt 8%. EN : Verträglichkeitspegel für niederfrequente leitungsgeführte Störgrößen in Industrieanlagen. Gilt für einen Frequenzbereich von 0 bis 9 khz. Klasse 1: Bezieht sich auf den Betrieb von sehr empfindlich auf Störgößen in der Stromversorgung reagierende Betriebsmittel. Klasse 2: Diese Klasse gilt allgemein für Verknüpfungspunkte PCC (Point of Common Coupling) mit dem öffentlichen Netz und für anlageninterne Anschlusspunkte IPC (Internal Point of Coupling) mit industriellen und anderen nicht-öffentlichen Stromversorgungsnetzen. Klasse 3: Diese Klasse gilt für anlageninterne Anschlusspunkte IPC (Internal Point of Coupling) in industriellen Umgebungen. Diese Klasse sollte z.b. in Erwägung gezogen werden, wenn eine der folgenden Bedingungen zutrifft: Ein Hauptanteil der Last wird durch Stromrichter gespeist 3

4 Schweißmaschinen sind vorhanden Große Motoren werden häufig gestartet Lasten schwanken schnell Die Norm EN definiert keine Grenzwerte für Stromoberschwingungen. Grenzwerte werden nur für Spannungsoberschwingungen und den Gesamtverzerrungsfaktor der Spannung THD(U) angegeben. Ordnungszahl ν Klasse 1 U ν in % Klasse 2 U ν in % Klasse 3 U ν in % , , >17 bis 49 2,27 * 17 / ν 0,27 2,27 * 17 / ν 0,27 4,5 * 17 / ν 0,5 Klasse 1 Klasse 2 Klasse 3 THD(U) 5 % 8 % 10 % SIMOREG werden üblicherweise in Umgebungsklasse 2 und 3 betrieben. SIMOREG werden bei Vorliegen von Netzen mit hohen Oberschwingungsanteilen nicht gestört, obig definierte Klassen dienen deshalb dazu, zulässige Werte für andere am PCC angeschlossene Geräte einzuhalten. IEEE 519: IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems Auf diese Norm wird in den USA, Kanada und in großen Teilen Asiens Bezug genommen. Sie legt Grenzwerte für die Spannungs- und Stromoberschwingungen fest und zwar sowohl für einzelne Abnehmer als auch für die Gesamtheit aller Abnehmer am Anschlusspunkt PCC (Point of Common Coupling). Zulässige Spannungsoberschwingungen und THD(U). Maßgeblich ist der maximale Bezugsstrom des einzelnen Abnehmers im Verhältnis zum Netzkurzschlussstrom (gemittelt über 15 oder 30 min). Zulässige Spannungspegel am PCC für jeden einzelnen Abnehmer: Verhältnis Kurzschlussstrom / max. Bezugsstrom Zulässige Werte für jede einzelne Spannungsoberschwingung Typische Anwender 10 2,5 3 % Spezialkunden mit gesonderter Vereinbarung 20 2,0 2,5 % 1 2 Großabnehmer 50 1,0 1,5 % Einige wenige Abnehmer größerer Leistung 100 0,5 1 % 5 20 Abnehmer mittlerer Leistung ,05 0,1 % Viele Abnehmer kleiner Leistung 4

5 Zulässiger Spannungspegel am PCC für die Gesamtheit aller Abnehmer: Spannung am Anschlusspunkt PCC Zulässiger Wert für jede einzelne Spannungsoberschwingung Zulässiger Wert für THD(U) U Netz 69 kv 3 % 5 % Zulässige Stromoberschwingungen und zulässiger Gesamtverzerrungsfaktor THD(I) des Stromes: Die Grenzwerte richten sich nach dem Verhältnis des Netzkurzschlussstromes zum maximalen Bezugsstrom am PCC (gemittelt über 15 oder 30 min). Zulässige Stromoberschwingungen am PCC bezogen auf den am PCC entnommenen Maximalstrom Verhältnis Kurzschlussstrom / max. Bezugsstrom < v < v < v < v THD(I) < 20 4 % 2,0 % 1,5 % 0,6 % 0,3 % 5 % 20 < 50 7 % 3,5 % 2,5 % 1,0 % 0,5 % 8 % 50 < % 4,5 % 4,0 % 1,5 % 0,7 % 12 % 100 < % 5,5 % 5,0 % 2,0 % 1,0 % 15 % > % 7,0 % 6,0 % 2,5 % 1,4 % 20 % Die Grenzwerte der IEEE519 liegen, insbesondere für Oberschwingungen niedriger Ordnungszahlen, zum Teil deutlich unter den Grenzwerten der EN Bei Einsatz von 6-pulsigen Schaltungen lassen sich die Grenzwerte in der Regel nur dann einhalten, wenn nur ein geringer Prozentsatz der Gesamtbelastung des Trafos aus Stromrichterlast besteht. Dies gilt Insbesondere durch den hohen Anteil des Oberschwingungsstromes der 5. und 7. Harmonischen eines 6-pulsigen Stromrichters. Ein möglicher Einsatz einer 12-puls Schaltung muss überprüft werden, ggf. hält diese die Grenzwerte der IEEE519 ein. Die Berechnung der harmonischen Oberschwingungen erfolgt durch die Siemens Fachberatung, dazu sind folgende Daten zur Verfügung zu stellen: a) Kurzschlussleistung des Mittelspannungsnetzes b) Trafodaten: Eingangs- und Ausgangsspannung, Scheinleistung und uk. c) Netzfrequenz f d) Induktivität der Kommutierungsdrossel e) Induktivität der Glättungsdrossel und des Motors f) Nennstrom und Nennspannung des Motors g) 6-puls oder 12-pulsbetrieb des Stromrichters 5