Applikationen & Tools. Betrieb einer MASTERDRIVES- Bremseinheit an einem MICROMASTER 440, FX / GX MICROMASTER 440. Applikationsbeschreibung Juli 2010

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1 Betrieb einer MASTERDRIVES- Bremseinheit an einem MICROMASTER 440, FX / GX MICROMASTER 440 Applikationsbeschreibung Juli 2010 Applikationen & Tools Answers for industry.

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3 s Applikationsbeschreibun g 1 Betrieb einer MASTERDRIVES- Bremseinheit an einem MICROMASTER 440, FX / GX Ermittlung der erforderlichen Bremseinheit 2 Auswahl- und Bestelldaten 3 Weitere Hinweise, Tipps und Tricks 4 Sonstiges 5 Version 4.2, Beitrags-ID:

4 Gewährleistung und Haftung Gewährleistung und Haftung Hinweis Die Applikationsbeispiele sind unverbindlich und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit hinsichtlich Konfiguration und Ausstattung sowie jeglicher Eventualitäten. Die Applikationsbeispiele stellen keine kundenspezifischen Lösungen dar, sondern sollen lediglich Hilfestellung bieten bei typischen Aufgabenstellungen. Sie sind für den sachgemäßen Betrieb der beschriebenen Produkte selbst verantwortlich. Diese Applikationsbeispiele entheben Sie nicht der Verpflichtung zu sicherem Umgang bei Anwendung, Installation, Betrieb und Wartung. Durch Nutzung dieser Applikationsbeispiele erkennen Sie an, dass wir über die beschriebene Haftungsregelung hinaus nicht für etwaige Schäden haftbar gemacht werden können. Wir behalten uns das Recht vor, Änderungen an diesen Applikationsbeispielen jederzeit ohne Ankündigung durchzuführen. Bei Abweichungen zwischen den Vorschlägen in diesem Applikationsbeispiel und anderen Siemens Publikationen, wie z.b. Katalogen, hat der Inhalt der anderen Dokumentation Vorrang. Für die in diesem Dokument enthaltenen Informationen übernehmen wir keine Gewähr. Unsere Haftung, gleich aus welchem Rechtsgrund, für durch die Verwendung der in diesem Applikationsbeispiel beschriebenen Beispiele, Hinweise, Programme, Projektierungs- und Leistungsdaten usw. verursachte Schäden ist ausgeschlossen, soweit nicht z.b. nach dem Produkthaftungsgesetz in Fällen des Vorsatzes, der groben Fahrlässigkeit, wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit, wegen einer Übernahme der Garantie für die Beschaffenheit einer Sache, wegen des arglistigen Verschweigens eines Mangels oder wegen Verletzung wesentlicher Vertragspflichten zwingend gehaftet wird. Der Schadensersatz wegen Verletzung wesentlicher Vertragspflichten ist jedoch auf den vertragstypischen, vorhersehbaren Schaden begrenzt, soweit nicht Vorsatz oder grobe Fahrlässigkeit vorliegt oder wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit zwingend gehaftet wird. Eine Änderung der Beweislast zu Ihrem Nachteil ist hiermit nicht verbunden. Weitergabe oder Vervielfältigung dieser Applikationsbeispiele oder Auszüge daraus sind nicht gestattet, soweit nicht ausdrücklich von Siemens Industry Sector zugestanden. 4 Version 4.2, Beitrags-ID:

5 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Gewährleistung und Haftung Applikationsbeschreibung Ermittlung der erforderlichen Bremseinheit Definition der Leistungsangaben Bremsleistung bei periodischem Lastspiel Bremsleistung bei sporadischen Bremsvorgängen und Stillsetzen Berechnung des Bremsmomentes M Brems (in Nm): Berechnung der max. Bremsleistung P Brems, max (in kw): Berechnung der mittleren Bremsleistung P Brems, mittel (in kw): Auswahl- und Bestelldaten Weitere Hinweise, Tipps und Tricks Anschluss und Absicherung der Bremseinheit Anschlussübersicht Montage von Bremseinheit und Bremswiderstand Hinweise zu den Zwischenkreiskondensatoren in der Bremseinheit Maximale Leitungslängen Überwachung der Bremseinheit und des Bremswiderstands Quittieren und Sperren der Bremseinheit Ansprechschwelle der Bremseinheit Parametereinstellung am MM Maximal zulässige Bremsleistung Hinweis zur Projektierung Sonstiges Literaturangaben Historie Version 4.2, Beitrags-ID:

6 1 0BApplikationsbeschreibung 1 Applikationsbeschreibung Inhalt Bei einigen Antriebsanwendungen kann es bei bestimmten Betriebszuständen zu einem generatorischen Betrieb (Bremsbetrieb) des Motors kommen. Beispiele für diese Anwendungen sind: Hebezeuge, Fahrantriebe Förderbänder, bei welchen die Last nach unten befördert wird, Dynamische Verfahrantriebe, Allgemein bei Antrieben mit größeren Lastträgheitsmomenten, wenn der Drehzahlsollwert schnell reduziert werden soll, bzw. die Last abgebremst werden muss. Beim generatorischen Betrieb des Motors wird die Bremsenergie vom Motor über den Wechselrichter in den Zwischenkreis des Umrichters zurückgeführt. Dies führt dazu, dass die Zwischenkreisspannung ansteigt. Bei vorhandenem Bremschopper und Bremswiderstand wird dann ab einem bestimmten Wert der Zwischenkreisspannung die Bremsenergie auf den angeschlossenen Bremswiderstand gepulst. Die Zwischenkreisspannung wird somit begrenzt. Beim MM440 ist bei den Geräten von Gehäusegrösse A bis F ein Bremschopper integriert, für den Bremsbetrieb muss dann nur noch ein externer Bremswiderstand an den Klemmen B+/DC+ und B- angeschlossen werden. Bei den Geräten der Gehäusegrösse FX und GX ist kein Bremschopper integriert, ein Bremsbetrieb kann mit einer externen Bremseinheit und einem externen Bremswiderstand realisiert werden. Es werden dabei die Komponenten aus dem MASTERDRIVES-Spektrum verwendet. Im Folgenden wird die Projektierung der Bremseinheiten und Bremswiderstände beim MM440 im Leistungsbereich von 90 bis 200kW (CT) betrachtet. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Bremseinheit nur an einem einzelnen Umrichter angeschlossen ist und keine Zwischenkreiskopplung mehrerer Umrichter vorliegt. 6 Version 4.2, Beitrags-ID:

7 2 1BErmittlung der erforderlichen Bremseinheit 2 Ermittlung der erforderlichen Bremseinheit Die MASTERDRIVES-Bremseinheiten werden im Leistungsbereich von 5 bis 170kW angeboten, die Bremseinheiten von 5 bis 20kW beinhalten einen internen Bremswiderstand. Da die Belastbarkeit der internen Bremswiderstände der MASTERDRIVES-Bremseinheiten in Relation zur Leistung der MM440 in Gehäusegrösse FX und GX sehr gering ist, werden nur die extern anschließbaren Bremswiderstände betrachtet. Der Anschluss von mehreren parallelen Bremseinheiten an einem Frequenzumrichter zur Bremsleistungserhöhung ist möglich, der Leistungsabstand der parallel geschalteten Bremseinheiten darf allerdings nur max. eine Leistungsstufe der Bremseinheit sein. Bei mehreren parallelen Bremseinheiten muss jede Bremseinheit ihren eigenen zugeordneten Bremswiderstand haben. 2.1 Definition der Leistungsangaben Die Leistungsangaben der MasterDrives Bremseinheiten und Bremswiderstände sind für eine Lastspieldauer von 90s angegeben. Dabei bedeutet die Angabe P 20 Leistung die mögliche Bremsleistung für eine Dauer von 20s bei einer Lastspieldauer von 90s. Die Spitzenbremsleistung P 3 kann für 3s voll, und anschließend für 20s linear abnehmend ausgenutzt werden. Die Leistung P DB ist die max. zulässige Dauerbremsleistung. P 3 P 1.5 P 20 1 P DB P DB P 20 P = Dauerleistung = 4 P DB = Leistung, die alle 90 s für 20 s zulässig ist = 6 = Leistung, die alle 90 s für 3 s zulässig ist P DB t [s] Abbildung 2-1 Belastungsdiagramm der Bremseinheit mit externem Bremswiderstand Ferner gelten die Leistungen für eine Ansprechschwelle der Bremseinheit von 774V DC (Werkseinstellung). Bei einer reduzierten Ansprechschwelle vermindern sich die zulässigen Bremsleistungen. Es wird zwischen 2 verschiedenen Lastfällen unterschieden: Version 4.2, Beitrags-ID:

8 2 1BErmittlung der erforderlichen Bremseinheit 2.2 Bremsleistung bei periodischem Lastspiel Bei einer tatsächlichen Lastspieldauer 90s kann wie folgt vorgegangen werden: Ermittlung der auftretenden Bremsleistung innerhalb des Lastspiels P Brems = f(t). Berechnung des Mittelwertes P Brems, mittel der Bremsleistung innerhalb des Lastspiels. Auswahl einer Bremseinheit, deren P 20 Leistung mindestens 4 mal so groß ist wie der Mittelwert der ermittelten Bremsleistung. ( => P 20 4*P Brems, mittel ) Überprüfung der Spitzenbremsleistung. Dabei darf die max. auftretende Bremsleistung P Brems, max im Lastspiel nicht größer sein als 1,5 mal die P 20 Leistung der gewählten Bremseinheit. Ist die Spitzenbremsleistung größer als 1,5 mal die P 20 Leistung, so ist eine entsprechend größere Bremseinheit zu wählen, bis diese Bedingung erfüllt ist. ( => P Brems, max 1,5*P 20 ) Bei einer tatsächlichen Lastspieldauer 90s kann wie folgt vorgegangen werden: Ermittlung der auftretenden Bremsleistung P Brems = f(t). Wahl eines Zeitabschnittes von 90s, bei dem der größte Mittelwert der Bremsleistung auftritt. Berechnung des Mittelwertes der Bremsleistung P Brems, mittel innerhalb des gewählten Zeitabschnittes von 90s. Auswahl einer Bremseinheit, deren P 20 Leistung mindestens 4 mal so groß ist wie der Mittelwert der ermittelten Bremsleistung des gewählten Zeitabschnittes. ( => P 20 4*P Brems, mittel ) Überprüfung der Spitzenbremsleistung. Dabei darf die max. auftretende Bremsleistung zu irgendeinem Zeitpunkt (auch außerhalb des gewählten 90s- Zeitabschnittes) nicht größer sein als 1,5 mal die P 20 Leistung der gewählten Bremseinheit. Ist die Spitzenbremsleistung größer als 1,5 mal die P 20 Leistung, so ist eine entsprechend größere Bremseinheit zu wählen, bis diese Bedingung erfüllt ist. ( => P Brems, max 1,5*P 20 ) Die erforderliche Bremseinheit und der entsprechend zugeordnete Bremswiderstand kann gemäß der Tabelle im Kapitel 3. ausgewählt werden. 8 Version 4.2, Beitrags-ID:

9 2 1BErmittlung der erforderlichen Bremseinheit 2.3 Bremsleistung bei sporadischen Bremsvorgängen und Stillsetzen Prinzipiell muss hier so verfahren werden, wie bei einer tatsächlichen Lastspieldauer 90s (siehe oben). Die auftretende Bremsleistung bei einem Stillsetzen eines Antriebes kann überschlagsweise wie folgt ermittelt werden: Berechnung des Bremsmomentes M Brems (in Nm): M Brems J n = 55 ges Brems dabei ist: 9, tbrems J ges = gesamtes Lastträgheitsmoment plus Motorträgheitsmoment, bezogen auf die Motorwelle in (kg*m²) n Brems = Drehzahl des Motors zu Beginn des Bremsvorgangs in (1/min) t Brems = Bremszeit bis zum Stillstand des Motors in (s) Berechnung der max. Bremsleistung P Brems, max (in kw): P M n 9550 Brems Brems Brems, max Mot dabei ist: = η η Mot = Motorwirkungsgrad in (Prozent/100) n Brems = Drehzahl des Motors zu Beginn des Bremsvorgangs in (1/min) M Brems = Bremsmoment in (Nm) Der Umrichterwirkungsgrad wird dabei vernachlässigt Berechnung der mittleren Bremsleistung P Brems, mittel (in kw): P 1 = P 2 Brems, mittel Brems, max Mit Hilfe der mittleren und maximalen Bremsleistung kann dann, wie oben beschrieben, die Leistung der Bremseinheit ermittelt werden (für eine tatsächliche Lastspieldauer 90s). Die erforderliche Bremseinheit und der entsprechend zugeordnete Bremswiderstand kann dann gemäß der Tabelle im Kapitel 3. ausgewählt werden. Version 4.2, Beitrags-ID:

10 3 2BAuswahl- und Bestelldaten 3 Auswahl- und Bestelldaten In der folgenden Tabelle kann die Bremseinheit und der zugeordnete Bremswiderstand entsprechend der im Kapitel 3. ermittelten Bremsleistung bestimmt werden. Die Werte gelten für eine Ansprechschwelle der Bremseinheit von 774V DC (Werkseinstellung der Bremseinheit). Auswahl- und Bestelldaten der Bremseinheiten und Bremswiderstände Bremsleistung Bremseinheit Bremswiderstand Sicherungen P20 P3) PDB (kw) (kw) (kw) Bestell-Nr. Bestell-Nr. Widerst and (Ω) Abmessunge n L x B x H Bestell-Nr. (2 Stück erforderlich) 5 7,5 1,25 6SE7018-0ES87-2DA1 6SE7018-0ES87-2DC x180x145 3NE ,5 6SE7021-6ES87-2DA1 6SE7021-6ES87-2DC x360x145 3NE SE7023-2ES87-2DA1 6SE7023-2ES87-2DC x485x305 3NE ,5 6SE7028-0ES87-2DA1 6SE7028-0ES87-2DC x480x305 3NE SE7031-6EB87-2DA1 6SE7031-6ES87-2DC x740x485 3NE ,5 6SE7032-7EB87-2DA1 6SE7032-7ES87-2DC0 2, x740x485 3NE3230-0B Tabelle Version 4.2, Beitrags-ID:

11 4 3BWeitere Hinweise, Tipps und Tricks 4 Weitere Hinweise, Tipps und Tricks 4.1 Anschluss und Absicherung der Bremseinheit Die Verbindungen zwischen Umrichter MM440 und der Bremseinheit sind kurzund erdschlussfest zu verlegen. Die Bremseinheit wird an den Klemmen C/L+ und D/L- des Umrichters (Gehäusegrösse FX und GX, siehe Kapitel der MM440- Betriebsanleitung) angeschlossen. Bei Bremseinheiten mit einer P20-Leistung von 5 bis 20kW muss der interne Widerstand desaktiviert werden, indem die Brücke zwischen H1 und H2 entfernt wird. Bremseinheiten von 50 bis 200kW enthalten keinen internen Bremswiderstand. Beim Anschluss nur einer Bremseinheit an den Umrichter und wenn die Leistung von Umrichter und Bremseinheit (P20 - Leistung) in etwa gleich sind, sind keine Sicherungen für die Bremseinheit notwendig. Ist der Leistungsunterschied größer bzw. werden mehrere Bremseinheiten parallel geschaltet, muss jede Bremseinheit mit 2 Sicherungen (Plus- und Minuszweig) am Eingang abgesichert werden. Das nachfolgende Anschlussbild zeigt einen Anschlussvorschlag für die aktuelle MASTERDRIVES-Bremseinheit (Bestell-Nummer...-2DA1). an einen Umrichter MM440 in der Baugrösse FX und GX. Abbildung 4-1 Anschlussbeispiel der Bremseinheit an den Umrichter MM440, FX und GX Version 4.2, Beitrags-ID:

12 4 3BWeitere Hinweise, Tipps und Tricks Anschlussübersicht Abbildung Version 4.2, Beitrags-ID:

13 4 3BWeitere Hinweise, Tipps und Tricks Abbildung 4-3 Anschlussübersicht der Bauform FX Version 4.2, Beitrags-ID:

14 4 3BWeitere Hinweise, Tipps und Tricks 4.2 Montage von Bremseinheit und Bremswiderstand Bremseinheit und Bremswiderstand sind in Schutzart IP20 ausgeführt. Die Bremseinheit (Tiefe 350mm) kann im Schaltschrank neben dem Umrichter platziert werden. Die kleinen Bremswiderstände bis 10kW sind für Wand und Dachmontage (z. B. auf dem Schaltschrank) geeignet, die Größeren für Wand und Bodenmontage. 4.3 Hinweise zu den Zwischenkreiskondensatoren in der Bremseinheit Die MASTERDRIVES-Bremseinheiten beinhalten Zwischenkreiskondensatoren. Werden die Bremseinheiten nach einer Standzeit von mehr als 1 Jahr in Betrieb genommen, müssen diese formiert werden. Siehe dazu Hinweise in der Betriebsanleitung (6SE7087-6CX87-2DA1). Die MASTERDRIVES-Bremseinheiten dürfen nicht mit einem Schütz auf den unter Spannung stehenden Zwischenkreis des Umrichters geschaltet werden. 4.4 Maximale Leitungslängen Die Leitungslänge zwischen Umrichter und Bremseinheit darf max. 3m betragen, zwischen Bremseinheit und Bremswiderstand max. 15m. 4.5 Überwachung der Bremseinheit und des Bremswiderstands Die Bremseinheiten enthalten einen potentialbehafteten Störmeldeausgang, der als Transistorausgang ausgeführt ist. Dieser schließt bei hochgeladenem Zwischenkreis und öffnet bei einer Störung oder Übertemperatur. Die Bremswiderstände sind mit einem Übertemperaturkontakt ausgestattet, der im Normalzustand geschlossen ist und bei einer Übertemperatur öffnet. Der Übertemperaturkontakt der Bremswiderstände kann in die Störkette zur Abschaltung des Hauptschützes am Umrichtereingang einbezogen werden, da der Umrichter bei einer Störung/Übertemperatur der Bremseinheit oder Überhitzung des Bremswiderstandes vom Netz getrennt werden muss. Dabei ist zu beachten, dass vor dem Zuschalten des Hauptschützes der Störmeldeausgang in der Bremseinheit noch geöffnet ist. Dies muss bei der Auswertung berücksichtigt werden, damit das Hauptschütz anziehen kann. 14 Version 4.2, Beitrags-ID:

15 4 3BWeitere Hinweise, Tipps und Tricks 4.6 Quittieren und Sperren der Bremseinheit Bei einer Störung der Bremseinheit kann diese durch einen kurzen Quittierimpuls an den Anschlüssen X38:1 (+) und X38:2 (-) mit einer Spannung DC 24V zurückgesetzt werden (Die Bremseinheit wird bei einer anstehenden Störung auch durch Abschalten der Zwischenkreisspannung zurückgesetzt). Mit einem Dauersignal an beiden Klemmen kann die Bremseinheit gesperrt werden. 4.7 Ansprechschwelle der Bremseinheit Bei einem Anstieg der Zwischenkreisspannung beim Bremsbetrieb wird die Bremseinheit bei einer Spannung von 774V (Werksvoreinstellung) aktiviert. Zur Reduzierung der Spannungsbeanspruchung der Motorisolation (z. B. beim Einsatz von Fremdmotoren) kann der Einsatzpunkt der Bremseinheit auf eine Ansprechschwelle von 673V reduziert werden (mit integriertem Schalter S1 auf der Bremseinheit). Die Reduzierung der Ansprechschwelle auf 673V ist nur bei einer Netzeingangsspannung am Umrichter von max. 3AC 400V +10% möglich. Weiterhin reduzieren sich dabei die erzielbaren Bremsleistungen P3, P20 und PDB um 25% gegenüber den in der Tabelle im Kapitel 3. angegebenen Werten. Dies ist bei der Auswahl der Bremseinheit zu berücksichtigen. 4.8 Parametereinstellung am MM440 Bei Verwendung der externen Bremseinheit am MM440 muss der Zwischenkreisspannungsregler zur Begrenzung der max. Zwischenkreisspannung (VDC-max.-Regler) deaktiviert werden. Dazu muss der Parameter P1240 auf 0 gestellt werden. Wird die kinetische Pufferung benötigt, kann der Parameter P1240 auch auf 2 eingestellt werden. Für das Auswerten der Störmeldungen können die freien Funktionsbausteine im Umrichter MM440 verwendet werden. Soll nur die Meldung Störung Bremseinheit ausgewertet werden, so kann die folgende Schaltung verwendet werden: Abbildung 4-4 Meldung Störung Bremseinheit Version 4.2, Beitrags-ID:

16 4 3BWeitere Hinweise, Tipps und Tricks Hierzu ist folgende Parametereinstellung am Umrichter erforderlich: P2800 = 1 Freigabe der freien Funktionsbausteine P = 1 Freigabe OR1 P = 1 Freigabe NOT1 P0705 = 99 Freigabe DIN5 für BICO-Verschaltung P = Binäreingang 5 auf Eingang OR1 P = 52.2 Negierung der Meldung Betrieb P = 2829 Ausgang NOT1 auf Eingang OR1 P = 2817 Ausgang des OR1 erzeugt Externe Störung Sollen die Meldungen Übertemperatur Bremswiderstand und Störung Bremseinheit ausgewertet werden, kann die folgende Schaltung verwendet werden: Abbildung 4-5 Meldungen Übertemperatur Bremswiderstand und Störung Bremseinheit Hierzu ist folgende Parametereinstellung am Umrichter erforderlich: P2800 = 1 Freigabe der freien Funktionsbausteine P = 1 Freigabe AND1 P = 1 Freigabe OR1 P = 1 Freigabe NOT1 P0705 = 99 Freigabe DIN5 für BICO-Verschaltung P0706 = 99 Freigabe DIN6 für BICO-Verschaltung P = Binäreingang 5 auf Eingang OR1 P = 52.2 Negierung der Meldung Betrieb P = 2829 Ausgang NOT1 auf Eingang OR1 P = Binäreingang 6 auf Eingang AND1 P = 2817 Ausgang OR1 auf Eingang AND1 P = 2819 Ausgang des AND1 erzeugt Externe Störung 16 Version 4.2, Beitrags-ID:

17 4 3BWeitere Hinweise, Tipps und Tricks 4.9 Maximal zulässige Bremsleistung Zur Begrenzung der Welligkeit der Zwischenkreisspannung des Umrichters darf das Verhältnis der max. projektierten Bremsleistung P20, max der Bremseinheit zur Bemessungsleistung des Umrichters P Umrichter nicht größer als 1,9 sein. Dies gilt vor allem beim Parallelschalten von Bremseinheiten. ( => P 20, max 1,9*P Umrichter ) Hinweis zur Projektierung Das Kapitel Projektierung und Auslegung einer Bremseinheit ist ausführlich in der Bedienungsanleitung des SINAMICS G150 beschrieben ( ). Da die Leistungsteile von MM4 Px und G150 identisch sind, kann diese Beschreibung zur Auslegung der Bremseinheit herangezogen werden. Hinweis Hinweise zur Auslegung von SINAMICS G120 mit PM240 und externer Bremseinheit finden sie im Katalog D11.1 im Kapitel Zwischenkreiskomponenten Braking Modules Version 4.2, Beitrags-ID:

18 5 4BSonstiges 5 Sonstiges 5.1 Literaturangaben Diese Liste ist keinesfalls vollständig und spiegelt nur eine Auswahl an geeigneter Literatur wieder. Tabelle 5-1 Themengebiet Titel /1/ Betriebsanleitung SINAMICS G150 /2/ Betriebsanleitung MASTERDRIVES-Bremseinheit /3/ Katalog SIMOVERT MASTERDRIVES /4/ Betriebsanleitung MICROMASTER 440 /5/ Katalog DA Historie Tabelle 5-2 Version Datum Änderung V 1 Mai 2003 Erste Ausgabe V 2 Oktober 2005 Dokument überarbeitet V 3 Januar 2006 HTML Text überarbeitet V 4 November 2006 MLFB erneuert V4.1 Dezember 2006 Englisches Dokument überarbeitet V4.2 Juli 2010 Grafiken eingefügt 18 Version 4.2, Beitrags-ID: