Danfoss Harmonic Calculation Software 2.0 Handbuch Basic Level

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2 Handbuch Basic Level Danfoss HCS Software 2.0 Stand: by Danfoss GmbH Seite 1

3 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Schaltung Netz FC Auswahl FC Übersicht / Starte Berechnung Ergebnis Protokoll by Danfoss GmbH Seite 2

4 1. Einleitung [Bild 1b: Startseite] Die Harmonic Calculation Software HCS kann Netzrückwirkungen (Oberschwingungen bis 2,5kHz) von Frequenzumrichtern berechnen und die Einhaltung von Normgrenzwerten überprüfen. Dazu muss man die Netzdaten und die Umrichterdaten eingeben. Alternativ ist auch eine Generatoreinspeisung möglich. Die Verzerrungen der Netzspannung durch Netzrückwirkungen entstehen durch eine nicht sinusförmige Stromaufnahme von elektronischen Geräten. Das Programm basiert auf einer umfangreichen wissenschaftlichen Simulationssoftware, die in Zusammenarbeit mit der Hochschule RheinMain erarbeitet wurde. Sie ist vom Benutzer über das internet aufrufbar. Die Bedienung geschieht hierbei in vertrauter Windowsoberfläche und ist bildlich leicht verständlich aufgebaut. Die vorab eingetragenen Zahlenwerte sind nur als Hinweis auf die zu erwartende Grössenordnung zu sehen und können überschrieben werden. Startet man mit den voreingestellten Werten, so betrachtet man ein Netz mit mittlerer Belastung. Die Ergebnisse beruhen nicht auf tabellarisch hinterlegten Richtwerten, sondern auf echten Berechnungen der Interaktionen zwischen den Netzlasten und der Netzimpedanz. Beispielsweise wird die Auslöschung der von einphasiger Büro- und Haushaltselektronik (PC, TV,..) erzeugten Oberschwingungen durch dreiphasige Frequenzumrichter richtig wiedergegeben. Weiterhin finden Kondensatoren nicht einfach als Blindstromkompensationen mit sinusförmigem 50Hz-Strom ihre Berücksichtigung, sondern es erfolgt eine Berechnung der Oberschwingungsströme unter Berücksichtigung der Resonanzen mit Transformator- und Kabelinduktivitäten. Die Resultate werden als Tabelle, Balkendiagramme und als u(t)- und i(t)-diagramme angeboten und bei Überschreitungen der Verträglichkeitspegel der Norm erscheint ein Warnhinweis. Klicken Sie Start an. Probieren Sie die HCS aus by Danfoss GmbH Seite 3

5 [Bild 2b: Auswahl der Level Basic oder Expert] Die Harmonic Calculation Software HCS kann Netzrückwirkungen (Oberschwingungen bis 2,5kHz) von Frequenzumrichtern berechnen und die Einhaltung von Normgrenzwerten überprüfen. Dazu muss man die Netzdaten und die Umrichterdaten eingeben. Alternativ ist auch eine Generatoreinspeisung möglich. Zur Erleichterung der Bedienung wurde neben dem Expert-Level der Basic-Level geschaffen. Damit liegt eine einfache Konstellation vor, die wenig Eingaben erfordert, rasches Arbeiten ermöglicht und die keine Angaben zu Umrichterkapazität, Kabellängen, Kabelquerschnitten, Netzvorbelastung und sonstigen Netzlasten benötigt. Dafür sind dann aber auch die Ergebnisse weniger aussagekräftig als beim Expert- Level. Das Programm basiert auf einer umfangreichen wissenschaftlichen Simulationssoftware, die in Zusammenarbeit mit der Hochschule RheinMain erarbeitet wurde. Sie ist vom Benutzer über das internet aufrufbar. Die Bedienung geschieht hierbei in vertrauter Windowsoberfläche und ist bildlich leicht verständlich aufgebaut. Die vorab eingetragenen Zahlenwerte können überschrieben werden. Sie sind nur als Hinweis auf die zu erwartende Grössenordnung zu sehen. Startet man mit den voreingestellten Werten, so betrachtet man ein Netz mit mittlerer Belastung. Die Ergebnisse beruhen nicht auf tabellarisch hinterlegten Richtwerten, sondern auf echten Berechnungen der Interaktionen zwischen den Netzlasten und den Kabel- und Netzimpedanzen. Beispielsweise wird die Auslöschung der von einphasiger Büro- und Haushaltselektronik (PC, TV,..) erzeugten Oberschwingungen durch dreiphasige Frequenzumrichter richtig wiedergegeben. Weiterhin finden Kondensatoren nicht einfach als Blindstromkompensationen mit sinusförmigem 50Hz-Strom ihre Berücksichtigung, sondern es erfolgt eine Berechnung der Oberschwingungsströme unter Berücksichtigung der Resonanzen mit Transformator- und Kabelinduktivitäten. Die Resultate werden als Tabellen, Balkendiagramme und als u(t)- und i(t)-diagramme angeboten und bei Überschreitungen der Verträglichkeitspegel der Norm erscheint ein Warnhinweis by Danfoss GmbH Seite 4

6 2. Schaltung [Bild 3b: Auswahl zwischen Netz- und Generatorspeisung] In Bild 3b können Sie per Klick zwischen Netzeinspeisung und Generatoreinspeisung wählen. Die hell dargestellte Einspeisung ist aktiv. Der Expert-Level kann zusätzlich folgende Dinge berücksichtigen: Ohmsche und induktive Leitungswiderstände, Innenwiderstand des übergeordneten Mittelspannungsnetzes, Netzvorbelastung, andere Umrichterarten und B12-Gleichrichter, aktive und passive Oberschwingungs-Filter, lineare Lasten usw by Danfoss GmbH Seite 5

7 3. Netz [Bild 4b: Eingabe der Netzdaten] V 0 f S N Verkettete Spannung (Phase/Phase) in [V] auf der Niederspannungsseite des Netztransformators im Leerlauf. Der eingegebene Wert muss innerhalb von 200V bis 800V liegen. Ein Netz mit 120V Sternpunktspannung kann mit 120V* 3=208V verketteter Spannung dargestellt werden. Um möglichst praxisnahe Resultate zu erzielen, wird für Basic eine Vorbelastung und Spannungsverformung des leer laufenden Netzes mit konstant THDu=2% vorausgesetzt. Für Expert können variable THDu-Werte eingesetzt werden. Netzfrequenz. Es können 50Hz oder 60Hz gewählt werden. Nennnleistung bzw. Bemessungsleistung des Netztransformators in der Einheit [kva]. SN *1000 Sein Nennstrom I NTr folgt aus der Zahlenwertgleichung I NTr = mit 3 * V S N in [kva], verkettete Spannung V 0 in [V] und I NTr in [A]. 0 Die Kurzschlussleistung des Mittelspannungsnetzes wird für Basic als unendlich gross angenommen. e k Kurzschlussspannung u k bzw. e k des Netztransformators in der Einheit [%]. Der eingegebene Wert muss innerhalb von 2,0 bis 25% liegen. Sollte nur der Kurzschlussstrom I KS des Netztransformators gegeben sein, so folgt e k in [%] aus der Zahlenwertgleichung e k =100*I NTr /I KS (I NTr siehe S N ). Der ohmsche Anteil u r bzw. e r von e k wird für Basic auf konstant 1,5% gesetzt. Es sollte e = e + e beachtet werden. k 2 x 2 r 2012 by Danfoss GmbH Seite 6

8 [Bild 5b: Eingabe der Generatordaten] V 0 f S N Verkettete Spannung (Phase/Phase) in [V] auf der Niederspannungsseite des Generators im Leerlauf. Der eingegebene Wert muss innerhalb von 100V bis 1400V liegen. Ein Generator mit 120V Sternpunktspannung kann mit 120V* 3=208V verketteter Spannung dargestellt werden. Generatorfequenz. Es können 50Hz oder 60Hz gewählt werden. Nennleistung bzw. Bemessungsleistung des Generators in [kva]. SN *1000 Sein Nennstrom I NGen folgt aus der Zahlenwertgleichung I NGen = mit 3 * V S N in [kva], verkettete Spannung V 0 in [V] und I NGen in [A]. 0 x d Relative subtransiente Reaktanz des Generators in [%] x 0 Relative Nullreaktanz des Generators in [%] 2012 by Danfoss GmbH Seite 7

9 4. FC1 [Bild 6b: Direkte Eingabe der Umrichterdaten] P N1 Anstelle von der Umrichterscheinleistung am Eingang oder Ausgang wird für P N1 die im Nennbetrieb erreichte Wellenleistung des Motors in [kw] eingetragen. P N1 ist die Summe aller Motor-Nennleistungen von den umrichtergespeisten Motoren. P N = P N, Mot 1 Damit sind die auf dem Typenschild stehenden Nenn- Wellenleistungen gemeint. Es wird nicht jeder Motor und jeder Frequenzumrichter einzeln berechnet, sondern ein grosser Frequenzumrichter dessen Leistung sich aus der Summe der einzelnen ergibt. Die Motoren sind auch zusammengefasst zu einer Summenwellenleistung P N1. Der eingegebene Wert muss zwischen 0,1kW und 250% von der Transformatornennleistung liegen (P N1 0,8S N ist sinnvoll). Für Danfoss-Umrichter ist die Dateneingabe beim FC1-Fenster alternativ über Typenbezeichnung und Anzahl der Geräte möglich wie in Bild 7. Dann bekommt P N1 eine zu den Umrichtern passende Größe by Danfoss GmbH Seite 8

10 ED 1 Prozentuale Auslastung ED 1 des Umrichters in [%]. ED 1 berücksichtigt einen Teillastbetrieb der Umrichter und der Motoren. Für Nennlast wird ED 1 =100 eingetragen, da dann ED 1 =100% ist. Für mehrere Antriebe ist dabei ein Mittelwert zu bilden. Beim Teillastbetrieb ist das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl maßgebend. M n ED 1 = * *100%. Sollte bei 100%M N1 nur 70%n N auftreten oder 70%M N bei M N n N 100%n N, so ist in beiden Fällen ED 1 =70%. L k1 Relative Kurzschlussspannung der Netzkommutierungsinduktivität in [%]. L k1 bestimmt den Wert der zwischen Netz und Frequenzumrichter liegenden Netzkommutierungsinduktivität in [H]. Sie kann bei Danfoss-Umrichtern auch nachträglich als Vorschaltinduktivität vorgesehen werden. Liegt der Wert der Induktivität als relative Kurzschlussspannung vor, so ist dieser Wert in das L k1 -Feld einzutragen, also beispielsweise L k1 =2,5 für u k =2,5% relative Kurzschlussspannung. Ist nur der Induktivitätswert L k in [H] der Netzkommutierungsinduktivität bekannt, so 2 * π * f * Lk * I N kann man L k1 in [%] über L = * 100 berechnen. k1 V0 Dabei ist für I N der Nennstrom der Induktivität zu verwenden. Dieser sollte mit dem Eingangsstrom des Frequenzumrichters übereinstimmen. Der eingegebene Wert muss zwischen 0 und 12 liegen. L G1 Relative Kurzschlussspannung der gleichstromseitigen Glättungsinduktivität in [%]. Diese liegt im Gleichstromzwischenkreis des Frequenzumrichters. 3 Die Eingabe des L G1 erübrigt sich für den Anwender, wenn er die Umrichter aus der Danfoss-Liste wählt, in der die L G -Werte hinterlegt sind. Für andere Fälle ist für den realen Induktivitätswert L G in [H] der relative Wert L G1 in 2 * π * f * LG * I N [%] einzutragen gemäss der Gleichung LG 1 = * 100 V Dabei ist I N der Nennstrom am Frequenzumrichtereingang. Der eingegebene Wert muss zwischen 0 und 25 liegen by Danfoss GmbH Seite 9

11 5. Auswahl FC1 [Bild 7b: Eingabe der Umrichterdaten über die Danfoss-Umrichterlisten] In den Umrichterlisten trägt man links die Anzahl der vorhandenen Umrichter ein, Diese werden später nach der Simulationsrechnung im Protokoll dargestellt. Für die Motoren wird eine zum Umrichter passende Größe vorausgesetzt. P N1 ist dann die Summe aller Wellenleistungen der Motoren. Es wird nicht jeder Motor und jeder Frequenzumrichter einzeln berechnet, sondern ein grosser Frequenzumrichter dessen Leistung sich aus der Summe der einzelnen ergibt by Danfoss GmbH Seite 10

12 6. Übersicht / Starte Berechnung [Bild 8b: Starten der Berechnung] Für das Starten der Berechnung klickt man unter Berechnung den Button Übersicht an und erhält das obige Bild mit einer Übersicht zu den eingegebenen Daten. Anschließend startet ein Klick auf Starte Berechnung die Simulationsrechnung, die etwa 10 Sekunden dauert by Danfoss GmbH Seite 11

13 7. Ergebnis [Bild 9b: Ergebnis] Nach Beendigung der Simulationsrechnung erscheint das obige Bild. Durch Anklicken der gezeigten Messgeräte erhält man ein Balkendiagramm und den Zeitverlauf der Spannung oder des Stromes. Mit der Anwahl der Funktion Protokoll werden die Informationen gemäß Bild 11 bis 16 verfügbar by Danfoss GmbH Seite 12

14 8. Protokoll [Bild 10b: Auswahl der Oberschwingungsnorm] Nach der Anwahl des Buttons Protokoll muß die Norm ausgewählt werden, die für den Vergleich der berechneten Werte mit den Normgrenzwerten maßgeblich sein soll by Danfoss GmbH Seite 13

15 [Bild 11b: Beginn des Protokolls mit einer Dokumentation der eingegebenen Daten] 2012 by Danfoss GmbH Seite 14

16 [Bild 12b: Amplitudenspektrum des Transformatorstromes] Als erstes steht das Amplitudenspektrum des Transformatorstromes zur Verfügung. Ein Vergleich mit Normwerten findet nur statt, wenn eine IEEE-Norm gewählt wurde. Aus der Tabelle kann man die Oberschwingungsströme berechnen. In diesem Beispiel hat die 5-te Komponente die relative Größe von i 5 =38,65% und den absoluten Wert von I 5 =38,65% von I 1eff, also 38,65% von 330,01A=127,55A. I 1eff findet man unten unter der obigen Tabelle. [Bild 13b: Zeitlicher Verlauf des Transformatorstromes] Der zeitliche Verlauf des Transformatorstromes wird maßstäblich in [A] dargestellt für einen Zeitraum von 15ms by Danfoss GmbH Seite 15

17 [Bild 14b: Amplitudenspektrum der Transformatorspannung] Aus der Tabelle kann man die Oberschwingsspannungen berechnen. In diesem Beispiel hat die 5-te Komponente die relative Größe von u 5 =0,81% und den absoluten Wert von U 5 =0,81% von U 1eff, also 0,81% von 229,88V=1,862V. U 1eff findet man unten unter der obigen Tabelle by Danfoss GmbH Seite 16

18 [Bild 15b: Amplitudenspektrum der Transformatorspannung im Vergleich zu den Grenzwerten] In der Tabelle stehen die berechneten Werte und die nach Norm zulässigen. Grenzwertüberschreitungen werden mit roter Farbe markiert. [Bild 16b: Zeitlicher Verlauf der Transformatorspannung] 2012 by Danfoss GmbH Seite 17

19 Der zeitliche Verlauf der Transformatorspannung wird maßstäblich in [V] dargestellt für einen Zeitraum von 15ms by Danfoss GmbH Seite 18

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