Energieverluste und Berechnung des Temperaturanstiegs MICROMASTER 4. FAQ November Service & Support. Answers for industry.

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1 Energieverluste und Berechnung des Temperaturanstiegs MICROMASTER 4 FAQ November 2010 Service & Support Answers for industry.

2 Fragestellung Dieser Beitrag stammt aus dem Service&Support Portal der Siemens AG, Sector Industry, Industry Automation and Drive Technologies. Es gelten die dort genannten Nutzungsbedingungen ( Durch den folgenden Link gelangen Sie direkt zur Downloadseite dieses Dokuments. Frage Welche Energieverluste entstehen an MICROMASTER Umrichtern und Zubehör und wie wird der Temperaturanstieg berechnet? Antwort Wie alle anderen elektrischen Geräte produzieren Umrichter überschüssige Wärme. Um eine Überhitzung des Umrichters zu verhindern muss diese Wärme abgeleitet werden. Da die Elektronik auf 70 C begrenzt ist, wurde die Höchsttemperatur der Kühlluft, die den Umrichter umgibt (Umgebungstemperatur) oder ihm zugeführt wird (Kühlluft), auf 50 C begrenzt. Für einige Gerätetypen und Anwendungen beträgt die Grenze 40 C (nähere Einzelheiten finden Sie in der Betriebsanleitung und den technischen Daten). Die interne Übergangstemperatur zwischen den Elektronikbauteilen und dem Kühlkörper liegt bei etwa 125 C bis 150 C. Normalerweise werden die Umrichter gemeinsam mit weiteren Geräten in einem Schaltschrank oder ähnlichem eingebaut, was zu einer Erhöhung der Umgebungstemperatur führt. Die dadurch notwendige Kühlung des Schaltschrankes kann mittels Konvektionskühlung, einem externen (Tür-) Lüfter oder über Kanäle erfolgen. In jedem Fall ist eine Berechnung der Umgebungstemperatur sowie der benötigten Kühlluft- Temperatur und Menge notwendig. Als Teil des Designs der Installation kann mit folgenden Schritten der Temperaturanstieg berechnet und ein geeignetes Kühlungssystem ausgewählt werden. 1. Bestimmen Sie unter Volllast-Bedingungen die im Schrank abgestrahlte Gesamtenergie (=Umgebungstemperatur im Schaltschrank). 2. Bestimmen Sie die Höchsttemperatur der Luft außerhalb des Schaltschrankes oder (bei Kühlung über ein Kühlsystem) die Temperatur der in den Schaltschrank eingeleiteten Luft. 3. Berechnen Sie den Temperaturanstieg. Ist dieser zu hoch, ziehen sie eine andere Kühlungslösung in Betracht (siehe PDF Zusatztext). Im Folgenden finden Sie weitere Angaben zur Berechnung des Temperaturanstiegs und den Energieverlusten. 2 Version 1.5, Beitrags-ID:

3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Energieabstrahlung Energieverluste des Umrichters MICROMASTER Netzspannung 1 AC 200 V bis 240 V... 5 Netzspannung 3 AC 200 V bis 240 V... 5 Netzspannung 3 AC 380 V bis 480 V MICROMASTER Netzspannung 3 AC 380 V bis 480 V MICROMASTER Netzspannung 1 AC 200 V bis 240 V... 7 Netzspannung 3 AC 200 V bis 240 V... 7 Netzspannung 3 AC 380 V bis Netzspannung 3 AC 500 V bis 600 V Energieverluste von Zubehör Eingangs- oder Netzdrosseln Ausgangs- oder Motordrosseln EMV- oder Netzfilter LC- oder Motorfilter Ermittlung von Raumtemperatur und Kühluft Konvektionskühlung (Natürlich gekühlter Schaltschrank) Luftgekühlter Schaltschrank Bedingungen mit hoher Abstrahlung Klimaanlage: Beispiele Zusammenfassung Anhang Historie Version 1.5, Beitrags-ID:

4 1 0BEnergieabstrahlung 1 Energieabstrahlung Energieabstrahlung ist die Summe aller Energieverluste im Schaltschrank. Sie muss sämtliche im Schaltschrank befindlichen Geräte, welche Wärme abstrahlen, berücksichtigen, zum Beispiel Transformatoren, Stromversorgung, Umrichter mit sämtlichem Zubehör usw. 1.1 Energieverluste des Umrichters Die Effizienz des Umrichters wird mit 97% oder 95% 97% angegeben. Diese Angabe bezieht sich jedoch nicht auf die im Handbuch angegebene Antriebsleistung, sondern auf die vom Umrichter genutzte elektrische Energie. Zum Beispiel liefert ein 7,5 kw Umrichter mit einem 7,5 kw Motor, 7,5 kw mechanische Energie an der Welle. Physikalisch bedingt kommt es jedoch zu mechanischen und elektrischen Verlusten im Antriebsstrang (Umrichter <> Motor <> Mechanik). Ein 7,5 kw Umrichter leistet deshalb etwa 9 bis 10 kw elektrische Energie (in etwa 10-12kVA). Bitte beachten sie, dass nicht für jeden Umrichter, jede Option, Daten zur Verfügung stehen i. Falls keine Daten verfügbar sind, können die Volllastverluste eines Umrichters als 6% des kw-nennwertes angenommen werden. Für Lasten, die kleiner sind als die Volllast, kann der Verlust proportional zu den Volllastverlusten angenommen werden, aber niemals weniger als ein Viertel der Volllastverluste. Bei Umrichtern kleinerer Leistung (unter 1 kw) sind die Verluste höher. Folgende Daten werden für MICROMASTER bereitgestellt: i für Felder welche mit --- gekennzeichnet sind, oder nicht gennante MLFB, stehen keine Daten zur Verfügung. 4 Version 1.5, Beitrags-ID:

5 1 0BEnergieabstrahlung MICROMASTER 420 Netzspannung 1 AC 200 V bis 240 V Es liegen keine Daten vor. Netzspannung 3 AC 200 V bis 240 V Leistung CT Verluste CT Baugröße (kw) (W) 0,12 14 A 0,25 28 A 0,37 38 A 0,55 55 A 0,75 69 A 1,1 82 B 1,5 106 B 2,2 150 B C C 5,5 393 C Netzspannung 3 AC 380 V bis 480 V Leistung CT Verluste CT Baugröße (kw) (W) 0, A 0, A 0, A 1,1 --- B 1,5 --- B 2,2 122 B B B 5,5 237 C 7,5 317 C C Version 1.5, Beitrags-ID:

6 1 0BEnergieabstrahlung MICROMASTER 430 Netzspannung 3 AC 380 V bis 480 V Leistung VT Verluste VT Baugröße (kw) (W) 7,5 382 C C C 18,5 763 D D D E E F F F Fx Fx Gx Gx Gx 6 Version 1.5, Beitrags-ID:

7 1 0BEnergieabstrahlung MICROMASTER 440 Hinweis: Verluste an gefilterten und ungefilterten Umrichtern sind praktisch gleich zu bewerten Netzspannung 1 AC 200 V bis 240 V Es liegen keine Daten vor. Netzspannung 3 AC 200 V bis 240 V Leistung CT Verluste CT Leistung VT Verluste VT Baugröße (kw) (W) (kw) (W) 0, A 0, A 0, A 0, A 0, A 1, B 1, B 2, B C ,5 --- C 5, ,5 --- C 7, D D ,5 --- D 18, E E F F F Version 1.5, Beitrags-ID:

8 1 0BEnergieabstrahlung Netzspannung 3 AC 380 V bis 480 Leistung CT Verluste CT Leistung VT Verluste VT Baugröße (kw) (W) (kw) (W) 0, A 0, A 0, A 1, A 1, A 2, B B B 5, ,5 382 C 7, C C ,5 763 D 18, D D E E F F F Fx Fx Gx Gx Gx Netzspannung 3 AC 500 V bis 600 V Es liegen keine Daten vor. 8 Version 1.5, Beitrags-ID:

9 2 1BEnergieverluste von Zubehör 2 Energieverluste von Zubehör Umrichter werden häufig mit Ein- oder Ausgangsdrossel installiert. Die Verluste dieser Komponenten müssen in den Schaltschrank-Gesamtverlust (gemeinsam mit den anderen Geräten) mit einbezogen werden. Auch hier können Verluste für den Teillastbetrieb neu berechnet werden, jedoch nicht kleiner 50%. Falls Bremswiderstände im Schaltschrank montiert sind, so ist deren Wärmeabgabe (abhängig vom Lastspiel) unbedingt in den Berechungen zu berücksichtigen! 2.1 Eingangs- oder Netzdrosseln Baugröße MLFB Leistungsverlust (W) A 6SE6400-3CC00-2AD3 6 A 6SE6400-3CC00-4AD3 12,5 A 6SE6400-3CC00-6AD3 7,5 B 6SL3203-0CD21-0AA0 9 B 6SL3203-0CD21-4AA0 27 C 6SL3203-0CD22-2AA0 98 C 6SL3203-0CD23-5AA0 37 D 6SE6400-3CC05-2DD0 92 D 6SL3203-0CJ24-5AA0 90 D 6SL3203-0CD25-3AA0 90 E 6SE6400-3CC08-8EC0 180 E 6SE6400-3CC08-3ED0 145 E 6SL3203-0CJ28-6AA0 170 F 6SE6400-3CC11-7FD0 280 F 6SE6400-3CC11-2FD0 280 Fx 6SL3000-0CE32-3AA0 240 Fx 6SL3000-0CE32-8AA0 210 Gx 6SL3000-0CE33-3AA0 233 Gx 6SL3000-0CE35-1AA0 365 Für kleinere Drosseln ist von 1% Verlust der Nennleistung des Umrichters bei Volllast auszugehen. Version 1.5, Beitrags-ID:

10 2 1BEnergieverluste von Zubehör 2.2 Ausgangs- oder Motordrosseln Baugröße MLFB Leistungsverlust (W) A 6SE6400-3TC00-4AD3 11 A 6SE6400-3TC00-4AD2 5 B 6SE6400-3TC01-0BD3 50 C 6SE6400-3TC03-2CD3 65 D 6SE6400-3TC05-4DD0 200 D 6SE6400-3TC03-8DD0 200 D 6SE6400-3TC03-2DE0 189 E 6SE6400-3TC08-0ED0 170 E 6SE6400-3TC07-5ED0 270 F 6SE6400-3TC15-4FD0 250 F 6SE6400-3TC14-5FD0 470 F 6SE6400-3TC06-2FE0 331 F 6SE6400-3TC08-8FE0 451 F 6SL3000-2BE32-1AA0 490 F 6SL3000-2BE32-6AA0 500 Für größere Drosseln ist von 1% Verlust der Nennleistung des Umrichters bei Volllast auszugehen. 2.3 EMV- oder Netzfilter MLFB Leistungsverlust (W) 6SL3000-0BE32-5AA0 15 6SL3000-0BE34-4AA0 49 6SL3000-0BE36-0AA Version 1.5, Beitrags-ID:

11 2 1BEnergieverluste von Zubehör LC- oder Motorfilter MLFB Leistungsverlust (W) 6SE6400-3TD03-7DD SE6400-3TD04-8DD SE6400-3TD06-1DD SE6400-3TD07-2ED SE6400-3TD11-5FD0 (37kW) 340 6SE6400-3TD11-5FD0 (45kW) 460 6SE6400-3TD15-0FD SE6400-3TD18-0FD SE6400-3TD00-4AD0 60 6SE6400-3TD01-0BD SE6400-3TD03-2CD SL3000-2CE32-3AA SL3000-2CE32-3AA SL3000-2CE32-8AA SL3000-2CE33-3AA SL3000-2CE34-1AA SE6400-3TD01-0CE0 65 6SE6400-3TD02-3CE SE6400-3TD02-3DE SE6400-3TD03-2DE SE6400-3TD03-7DE SE6400-3TD04-8EE SE6400-3TD06-1EE SE6400-3TD07-1FE SE6400-3TD10-0FE SE6400-3TD11-5FE0 640 Version 1.5, Beitrags-ID:

12 3 2BErmittlung von Raumtemperatur und Kühluft 3 Ermittlung von Raumtemperatur und Kühluft Ermitteln Sie die Temperatur der Luft welche dem Schaltschrank zugeführt wird. Berücksichtigen Sie die Auswirkungen von Jahreszeit, Sonneneinstrahlung und anderen Geräten. Die Temperatur in einer großen Fabrik, in der im Sommer sämtliche Geräte laufen, kann im Winter einen völlig anderen Wert haben. Berechnen Sie den Temperaturanstieg Zur Berechnung des Temperaturanstiegs im Schaltschrank können zwei einfache Formeln verwendet werden. Konvektionskühlung (Natürlich gekühlter Schaltschrank) Wenn dem Schaltschrank keine Außenluft zugeführt wird und wenn kein Kühllüfter für den Luftaustausch im Schaltschrank installiert ist, lässt sich der Temperaturanstieg unter Zuhilfenahme der im Schaltschrank abgestrahlten Gesamtenergie und der exponierten Oberfläche des Schaltschrankes wie folgt berechnen: Temperaturanstieg = Abgestrahlte Gesamtenergie (W) / (5,5 ii * exponierte Oberfläche des Schaltschrankes (m²)) Beispiel: Die im Schaltschrank abgestrahlte Gesamtenergie beträgt 300W, die exponierte Oberfläche des Schaltschrankes beträgt 4m² (im typischen Fall Dach, Seiten und Vorderseite, Boden und Rückwand liegen normalerweise nicht frei), dann beträgt der zu erwartende Anstieg der umgebenden Raumtemperatur (im Schaltschrank) 13,6 C. T Anstieg = 300 / (5,5 * 4) = 13,6 C Wenn nun die Außentemperatur 40 C ( Worst-Case-Fall ) beträgt, könnte die Temperatur im Schaltschrank auf 53,6 C ansteigen, was für die meisten elektronischen Geräte, einschließlich MM4 Umrichter zu hoch ist. Deshalb muss hier eine andere Lösung gefunden werden. Luftgekühlter Schaltschrank Wenn die Belüftung des Schaltschrankes mithilfe eines Lüfters erfolgt, kann der Temperaturanstieg im Schaltschrank mit folgender Formel berechnet werden: Temperaturanstieg = (0,053 iii * abgestrahlte Gesamtenergie (W)) / Luftstrom im Schaltschrank (m³/min) Wenn also im obenstehenden Beispiel der Schaltschrank mit einem kleinen Lüfter ausgestattet ist (wie der am MM4 verwendete FSC 3,28 m³/min), beträgt der Temperaturanstieg 4,8 C. T Anstieg = (0,053 * 300) / 3,28 = 4,8 C Bei einer Außentemperatur von 40 C steigt die Temperatur im Schaltschrank auf maximal 44,8 C. Dies ist akzeptabel. ii experimentell ermittelter Faktor iii experimentell ermittelter Faktor 12 Version 1.5, Beitrags-ID:

13 3 2BErmittlung von Raumtemperatur und Kühluft Zu beachten ist, dass bei der Zwangsbelüftung eines Schaltschrankes Staub und andere Verunreinigungen anfallen. Ist ein Lüfter eingebaut, kann das den Luftstrom reduzieren und eine Wartung erforderlich machen. Zu beachten ist außerdem, dass die Strömungsraten oft in Kubikfuß pro Minute (cfm) angegeben werden. Zur Umrechnung in Kubikmeter pro Minute (m³/min) kann folgender Multiplikator verwendet werden: m³/min = cfm * 0,0283 Beispiel: Für einen Luftstrom von 116,3 cfm wären das 3,29 m³/min (116,3 * 0,0283) Bedingungen mit hoher Abstrahlung Wenn es mit den oben beschriebenen Methoden nicht möglich ist, eine ausreichende Kühlung zu erzielen, kann ein Luftkanal zum Umrichter oder zum Schaltschrank verlegt werden. Es kann auch eine Klimaanlage im Schaltschrank installiert werden. Externer Luftkanal Von außen zugeführte kühle Luft ist eine gute Lösung, besonders dann, wenn große Luftvolumen notwendig sind. So benötigt zum Beispiel ein Fx 90 kw Umrichter 225 Liter Luft pro Sekunde bei 40 C Höchsttemperatur. Es ist auf eine optimale Durchströmung des Schaltschrankes zu achten; z.b. gesonderter Lufteinlass direkt beim Umrichter oder eine gezielte Ableitung der Abluft. Beides reduziert die Erwärmung anderer Geräte. Falls keine Vorkehrungen getroffen werden, lenkt der Umrichterlüfter die Luft im Schaltschrank einfach um, was zu einem raschen Temperaturanstieg führt. Version 1.5, Beitrags-ID:

14 3 2BErmittlung von Raumtemperatur und Kühluft Für MICROMASTER der Gehäusegrößen Fx und Gx werden Luftkanäle bzw. Luftleitbleche im Schaltschrank empfohlen. Klimaanlage: Zur Kühlung des Schaltschrankinneren sind Klimaanlagen erhältlich. Von den Anbietern dieser Anlagen sind Daten zum Temperaturanstieg zu beziehen, die Energieabstrahlungsberechnungen für das Schaltschrankinnere müssen dennoch durchgeführt werden. Außerdem ist Vorsicht beim Einschalten der Anlage nach Abschaltung oder Wartungsmaßnahmen geboten, da der darauffolgende Temperaturrückgang Kondensation im Inneren des Schaltschrankes verursacht. 14 Version 1.5, Beitrags-ID:

15 4 3BBeispiele 4 Beispiele 1. Installation an einer kleinen Maschine Zwei MM420 1,5 kw Umrichter an einer kleinen Maschine sowie einige weitere Geräte, die 30W abstrahlen. Der Schaltschrank ist Teil der Maschine und hat eine exponierte Fläche von insgesamt 3m². Die maximale Außentemperatur beträgt 35 C (typische Fabrik in Europa). Gesamtabstrahlung: 2 * 106W + 30W = 242W Temperaturanstieg = 242 / 5,5 * 3 = 13,8 C Maximaltemperatur = 35 C + 13,8 C = 49 C Die Maximaltemperatur bewegt sich innerhalb der Temperaturgrenzen, die Installation ist in Ordnung! 2. Großer Schaltschaltschrank in Nahost Vier MM430 Umrichter je 18,5kW / 400V mit Eingangsdrosseln sind zusammen mit zwei MM440 Umrichtern je 7,5kW / 400V ohne Drosseln in einem großen Schaltschrank installiert. Der Schaltschrank steht in einem temperaturgeregelten Anlagenraum, in dem konstant 25 C herrschen. Energieabstrahlung: MM kw, 763W Drosseln: 6SE6400-3CC04-4DD0 115W MM440 7,5 kw, 382W Gesamtabstrahlung: ((763W + 115W) x 4) + (2 x 382W) = 4276W Der Schaltschrank ist 4m lang, 2m hoch und 1m tief, alle Seiten außer dem Boden sind offen. Exponierte Gesamtfläche: 2 Seiten je 2 x 4m = 16m² 2 Enden je 2 x 1m = 4m² Oberseite 1 x 4m = 4m² Gesamt: 24m² Der Temperaturanstieg im Schaltschrank = 4276 / (5,5 x 24) = 32,4 C. Die Temperatur im Schaltschrank 32 C + 25 C = 57 C Dies ist zu viel für alle Umrichter, insbesondere deshalb, weil der MM430 auf maximal 40 C ausgelegt ist. Als Abhilfe sollten vier Lüfter eingebaut werden, einer pro Tür. Zum Beispiel mit einem Luftvolumen von 4,0 m³/min Womit der Temperaturanstieg = (0,053 x 4276) / (4 x 4,0) = 14,2 C, und die Schaltschranktemperatur = 14,2 C + 25 C = 39,2 C beträgt. In Ordnung! Version 1.5, Beitrags-ID:

16 4 3BBeispiele 4.1 Zusammenfassung Berechnen Sie die maximal mögliche Abstrahlung für alle Gräte. Ermitteln Sie die maximal mögliche Außentemperatur. Berechnen Sie den Temperaturanstieg, legen Sie bei Bedarf die Kühlung neu aus. Berücksichtigen Sie eventuelle Kontaminationsprobleme und ziehen Sie ggf. Wartungsmaßnahmen in Erwägung. Es gilt die Grundregel: Sorgfalt in der Designphase beugt Problemen im Einsatz vor. 16 Version 1.5, Beitrags-ID:

17 5 4BAnhang 5 Anhang 5.1 Historie Tabelle Historie Version Datum Änderung V1.0 März 2006 Erste Ausgabe V Überarbeitung des Textes, Tabellen erweitert V1.2 September 2008 PDF erstellt V1.3 Juli 2010 PDF überarbeitet V1.4 Oktober 2010 Daten für Ausgangsdrosseln überarbeitet V1.5 November 2010 Kapitel Beispiele überarbeitet Version 1.5, Beitrags-ID: