Applikationen & Tools. Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAMICS G120 / G120D SINAMICS G120 / G120D

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1 Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D SINAICS G10 / G10D Applikationsbeschreibung Juli 01 Applikationen & Tools Answers for industry.

2 Siemens Industry Online Support Dieser Beitrag stammt aus dem Siemens Industry Online Support. Durch den folgenden Link gelangen Sie direkt zur Downloadseite dieses Dokuments: Bei Fragen zu diesem Beitrag wenden Sie sich bitte über folgende E-ail-Adresse an uns: Nutzen Sie auch aktiv unser technisches Forum im Siemens Industry Online Support zu diesem Thema. Bringen Sie Fragen, Anregungen oder robleme mit ein und diskutieren Sie diese zusammen mit unserer starken Forengemeinde: Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

3 s SINAICS Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Stromaufnahme im Stand-by Betrieb 1 Beispiele Standby-Stöme 3 Anhang 4 Literaturhinweis 5 Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

4 Gewährleistung und Haftung Hinweis Gewährleistung und Haftung 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 rodukte 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 ublikationen, wie z.b. Katalogen, hat der Inhalt der anderen Dokumentation Vorrang. Copyright Siemens AG 01 All rights reserved 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, rogramme, rojektierungs- und Leistungsdaten usw. verursachte Schäden ist ausgeschlossen, soweit nicht z.b. nach dem rodukthaftungsgesetz 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 angels 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. Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

5 Inhaltsverzeichnis Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Inhaltsverzeichnis Gewährleistung und Haftung Stromaufnahme im Stand-by Betrieb...6 Einführung/Einleitung...6 Überblick über die Applikationsaufgabe...6 Beispiele Beispiel 1: Vergleich der Scheinleistung bei 50 und Beispiel : vor Ort Blindleistungskompensation durch G10D Beispiel 3: Einzelantrieb mit Beispiel 4: Gruppenantriebe mit G10D (50D) und Gleichzeitigkeitsfaktor Beispiel 5: Gruppenantriebe mit G10D (50D) und Gleichzeitigkeitsfaktor 0, Beispiel 6: EHB mit G10D für Fahr- und Hubwerk an einer ufferstrecke Standby-Stöme... Gültig für SINAICS 50D I65 - Ausgabestand B01... Gültig für SINAICS 50D I65 - Ausgabestand A01... Gültig für SINAICS 50D I65-6SL355-xxxxx-xxx Anhang...3 Begriffe kurz erklärt Das Leistungsdreieck Wirkleistung Scheinleistung S Verschiebeblindleistung Q Verzerrungsblindleistung D Was versteht man unter dem uk? rinzipielle öglichkeiten zur Reduzierung des Blindstromes Kompensation der kapazitiven Blindleistung Verwendung eines Netzschützes Literaturhinweis...31 Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

6 1 Stromaufnahme im Stand-by Betrieb 1 Stromaufnahme im Stand-by Betrieb Einführung/Einleitung In vielen Applikationen ist es notwendig, mehrere Umrichter an einer Einspeisung zu versorgen. Der Nachteil dieser Art der Spannungsversorgung ist, dass sich sowohl die Last- als auch die Leerlauf- (Stand-by Betrieb) Ströme summieren und Einspeisung und Versorgungskabel entsprechend ausgelegt werden müssen. Als Beispiel soll hier eine Einschienenhängebahn (EHB) 1 genannt werden. Eine EHB ist in der Automobilindustrie ein unverzichtbares Fördermittel für den flexiblen & rationellen aterialfluss. In der Beschreibung wird das Verhalten der Leistungsteile 50 / 50D bezüglich der Leistungs-, bzw. Stromaufnahme aus dem speisenden Netz erläutert. Anhand von Beispielen wird gezeigt, wie der Strom (Scheinstrom), den der Umrichter aus dem Netz aufnimmt, berechnet werden kann, um z.b. bei der rojektierung den richtigen Querschnitt der Versorgungsleitungen ermitteln zu können. Überblick über die Applikationsaufgabe Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Grundsätzlich kann gesagt werden, das hänomen des kapazitiven Blindstromes im Stand-by Betrieb (Stand-by Betrieb: es liegt Spannung am gesperrten Leistungsteil an) tritt bei allen Leistungsteilen bzw. Frequenzumrichtern mit netzseitigen Filterkondensatoren, wie sie z.b. für EV-Filter notwendig sind, auf. Es ist also weder eine neue Eigenschaft, noch ein typisches Verhalten der 50 / 50D. Anhand von Beispielen wird deutlich gemacht, dass neben den offensichtlichen Vorteilen der Efficient Infeed Technologie (F3E) 3 der 50/50D, nämlich der Netzrückspeisung und geringeren Netzrückwirkungen, auch das generelle Verhalten am speisenden Netz keinesfalls schlechter ist, als das bei herkömmlichen Umrichtern bzw. Leistungsteilen. Im Beispiel 1 wird verdeutlicht, dass ein 50 im Betrieb je nach Belastung wesentlich weniger Scheinleistung und somit einen reduzierten Netzstrom aus dem Netz aufnimmt, als ein herkömmliches Leistungsteil, ohne Rückspeisung, wie z.b. ein 40. Nur im Stand-by Betrieb fließt ein höherer Ruhestrom. Ein Unterschied in der Konzeption der Leistungsteile ist unter anderem die größere Kapazität auf der Netzeingangsseite. Dadurch fließt ein größerer kapazitiver Blindstrom in der Zuleitung und es fällt somit auch eine höhere kapazitive Blindleistung an. 1 Elektrohängebahn (engl: mono rail system) 50: = power module = Leistungsteil / 50 = Rückspeisefähig / D = Dezentral 3 F3E = Fundamental Frequency Front End (gesteuerter rückspeisefähiger Gleichrichter) Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

7 Beispiele Beispiele Beispiel 1 und : Vorteile des 50 mit Netzrückspeisung gegenüber 40 mit Chopper Beispiel 3 und 4: Fälle bei denen der Filterstrom bei der rojektierung der Leitungsquerschnitte nicht beachtet werden muss Beispiel 5 und 6: Fälle bei denen der Filterstrom bei der rojektierung der Leitungsquerschnitte berücksichtigt werden muss..1 Beispiel 1: Vergleich der Scheinleistung bei 50 und 40 Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Gegebene Werte: Hier wird die Leistungsaufnahme eines Leistungsteil 40 und 50 mit 11kW verglichen. U = 400V f = 50Hz ab = 10kW; ot = 0,885; 40 mit 11kW: = 0,95-0,97; Annahme: 0,97 I Filter = 1,45A 50 mit 11kW: = 0,95-0,97; Annahme: 0,97 I Filter = 3,08A ab = an der otorwelle abgegebene Leistung Berechnung zu 40 Aus dem Netz aufgenommene Wirkleistung : 10kW 11, 0,885 0,97 zu ab 65 ges kw Aufgenommene Verschiebeblindleistung Q (der Filterkondensatoren): Q1 3UStr IFilter 3 30V 1,45A 1,0k var Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

8 Beispiele Aufgenommene Verzerrungsblindleistung D: D 0,7 zu 0,7 11,65kW 8,k var Aufgenommene Scheinleistung S: 1 S Q D 11,65kW 1,0k var 8,k var 14, 3kVA S 3 U 14300VA INetz 0, V 11,65kW 0,81 (laut Katalog 0,7-0,85) S 14,3kVA A Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Berechnung zu 50 Aus dem Netz aufgenommene Wirkleistung : 10kW 11, 0,885 0,97 zu ab 65 ges kw Aufgenommene Blindleistung (der Filterkondensatoren): Q1 3UStr IFilter 3 30V 3,08A,1k var Aufgenommene Verzerrungsblindleistung D: D 0,3 zu 0,3 11,65kW 3,5k var Aufgenommene Scheinleistung: 1 S Q D 11,65kW,1k var 3,5k var 1, 4kVA S 3 U 1400VA INetz 17, V 11,65kW 0,94 (laut Katalog 0,9) S 1,4kVA A Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

9 Beispiele Gegenüberstellung: Vergleich der Leistungsaufnahme (nicht maßstäblich) S 50= 1,4kVA D 50= 3,5kvar 50 Q 1 50=,1kvar = 11,7kW 40 D 40= 8,kvar S 40=14,3kVA Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Abbildung -1 = 11,7kW Q 140= 1,0kvar Der Vergleich der Leistungsfaktoren von 0,81 für das 40 und 0,94 für das 50 zeigt, dass ein 50 insgesamt weniger Scheinleistung und somit auch weniger Strom aus dem Netz entnimmt als ein vergleichbares 40 unter gleichen Bedingungen. Im Betrieb hat die Verzerrungsblindleistung einen erheblich größeren negativen Einfluss auf die Gesamtleistungsaufnahme als die kapazitive Blindleistung der Filterkondensatoren. Grundsätzlich nimmt jeder Umrichter mit Netzfilter aufgrund der EV- Filterkondensatoren im Stand-by Betrieb Blindleistung aus dem Netz auf. Nur im Stand-by Betrieb wenn, und D zu Null werden nimmt das 50 einen höheren Blindstrom bzw. höhere Verschiebeblindleistung Q auf. Analog gilt dies auch für die 50D Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

10 Beispiele Vergleich der Netzoberwellen (prinzipielle Darstellung) Netzoberwellen-Vergleich Standard-Umrichter Rückspeisefähige-Umrichter Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Abbildung - Harmonische (n) Die Belastung des Netzes mit Oberwellenströmen ist bei einem 50 / 50D ist wesentlich geringer als bei herkömmlichen Leistungsteilen wie dem 40. Dadurch ist die daraus entstehende Verzerrungsblindleistung ebenfalls geringer. Vorteile des 50 / 50D: geringere Netzrückwirkungen niedrigere Verzerrungsblindleistung niedrigere Scheinleistungsaufnahme niedrigerer Netzstrom Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

11 Beispiele. Beispiel : vor Ort Blindleistungskompensation durch G10D Übersicht einer Niederspannungsverteilung (vereinfachte Darstellung einer realen Niederspannungsverteilung mit den realen Daten) 10kV S= 1500kVA 0,4 kv Copyright Siemens AG 01 All rights reserved N1 N N3 N8 U1 U U3 U16 Abbildung -3 Gegebene Werte: Trafo: Strafe = 1500kVA, Uprimär = 10kV, Usekundär = 400V, f = 50Hz Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

12 Beispiele Umrichter : 14 Stück G10D mit 0,75kW Stück G10D mit 3,00kW otoren: 8 Stück je 1,5kW Summenleistung = 1kW Berechnung der Ströme: Filterstrom der G10D 1,5kW 14 x 0,65A = 9,1A Filterstrom der G10D 3,0kW x,35a = 4,7A Kapazitiver Blindstrom I kap der Umrichter 13,8A Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Blindstrom der otoren die direkt am Netz betrieben werden: Der cos der 1,5kW otoren N1 bis N8 wird mit 0,81 angenommen (siehe Katalog), der otornennstrom beträgt 3,4A Der induktive Blindstrom I ind eines otors beträgt: Iind Iotor 1 cos 3,4 A 1 0,81 1, 99A Der gesamte induktive Blindstrom bei 8 otoren beträgt: 15,9A Der resultierende Blindstrom ist: I Q = 15,9A 13,8A =,1A induktiver Blindstrom Der Anlagenteil mit den otoren N1 bis N8 in Betrieb, verursacht eine induktive Blindleistung von: Q 3 U IQ 3 400V,1 A 1,45 var. 1 k Sind die otoren N1 bis N8 nicht in Betrieb, verursachen die Umrichter eine kapazitive Blindleistung von: Q1 3 U Ikap 3 400V 13,8 A 9,5k var Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

13 Beispiele rinzipielle Darstellung der Kompensation (nicht maßstäblich) I kap Umrichter = I Gesamt 3 cos 3 kapazitiv U I ind cos induktiv I Wirk otor cos 1 induktiv I Gesamt 1 I kap Umrichter I ind otor I Gesamt Copyright Siemens AG 01 All rights reserved cos 1, I Gesamt 1: resultierender Strom und cos wenn nur die otoren N1 bis N8 betrieben werden (keine Umrichter angeschlossen) cos, I Gesamt : resultierender Strom und cos wenn die otoren N1 bis N8 in Betrieb sind und die Umrichter in in Stand By cos 3, I Gesamt 3 : resultierender Strom und cos wenn die otoren N1 bis N8 nicht in Betrieb sind und die Umrichter in Stand By Abbildung -4 Es wird hier deutlich, dass die durch die Umrichter entstehende kapazitive Blindleistung einen positiven Einfluss auf den cos in der Niederspannungsverteilung hat. Im Beispiel kompensieren die G10D Umrichter im Betrieb ca. 86% der durch die otoren verursachten induktiven Blindleistung und verbessern damit den Leistungsfaktor der Anlage. Sind die otoren N1 bis N8 nicht in Betrieb, entstehen durch die Umrichter 9,5kvar kapazitive Blindleistung, bei einer Trafoleistung von1500kva entspricht das 0,6% der Gesamtleistung des Trafos. Daraus wird deutlich, dass die kapazitive Blindleistung in der Regel einen geringen negativen Einfluss auf die Einspeisung hat. Vorteile des 50 / 50D: Kompensation der induktiven Blindleistung der otoren Entlastung der stationären Kompensationsanlage Der Kompensationsstrom muss nicht über die gesamte Anlage bis zur zentralen Kompensation zurück fließen Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

14 Beispiele.3 Beispiel 3: Einzelantrieb mit 50 rinzipschaltbild Einzelantrieb 3 AC I Netz I Netz I Filter I w U Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Abbildung -5 Gegebene Werte: U = 400V f = 50Hz ab = 10kW ot = 0, mit 11KW FU = 0,97 I Filter = 3,08A ab = an der otorwelle abgegebene Leistung Berechnung der Ströme: 10kW 11, 0,97 0,885 zu ab 65 ges kw I 3 U 11650W zu Wirk 16, V A Bei einem Leistungsfaktor von 0,9 für ein 50 (Katalog D11.1), ergibt sich ein Netzeingangsstrom von: I IWirk 16,83A 18, 0,9 Netz 7 A Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

15 Beispiele Jetzt wird betrachtet, ob der Blindstrom des Umrichters einen Einfluss auf den notwendigen Querschnitt der Zuleitung hat. Bei einer Umgebungstemperatur von z.b. 40 C (f1 = 0,87), Verlegeart C mit 3 belasteten Adern und z.b. einer Häufung von gebündelten Leitungen (f = 0,8) wäre hier ein Querschnitt von mindestens 4mm notwendig (Strombelastbarkeit = 3A x 0,87 x 0,8 =,3 A). Die Kabellänge und andere Faktoren sind hier nicht berücksichtigt! Im Stand-by Betrieb fließt eingangsseitig nur der kapazitive Blindstrom IFilter von 3,08 A IFilter beträgt ca. 16% des berechneten Eingangstroms I Netz. Eine Überlastung der Leitung im Stand-by Betrieb tritt in diesem Fall nicht auf..4 Beispiel 4: Gruppenantriebe mit G10D (50D) und Gleichzeitigkeitsfaktor 1 rinzipschaltbild Gruppenantriebe 3 AC Copyright Siemens AG 01 All rights reserved I Netz gesamt I Netz I Netz I Netz I Netz Abbildung -6 Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

16 Beispiele Gegebene Werte: U = 400V f = 50Hz ab = 1,3kW ot = 0,79 10 Umrichter G10D ( 50D) mit 1,5kW, FU = 0,97 Gleichzeitigkeitsfaktor = 1,0 I Filter = 0,65A ab = an der otorwelle abgegebene Leistung Berechnung der Ströme pro FU: 1,3kW 1, 0,97 0,79 zu ab 7 ges kw Copyright Siemens AG 01 All rights reserved I 3 U 1700W zu Wirk, V A Bei einem Leistungsfaktor von 0,95 für ein 50D (Katalog D11.1), ergibt sich ein Netzeingangsstrom von: I IWirk,46A, 0,95 Netz 59 A Berechnung der Ströme für den Energiebus: Für den gesamten Antriebsstrang ergibt sich im Betrieb ein Netzeingangsstrom von: INetz _ gesamt 10,59A 5, 9A Im Stand-by Betrieb ergibt sich ein kapazitiver Blindstrom von: IFilter _ gesamt 10 0,65A 6, 5A Jetzt wird betrachtet, ob der Blindstrom der Umrichter einen Einfluss auf den notwendigen Querschnitt der Zuleitung hat. Bei einer Umgebungstemperatur von z.b. 40 C (f1 = 0,87), Verlegeart C mit 3 belasteten Adern und z.b. einer Häufung von gebündelten Leitungen (f = 0,8) wäre hier ein Querschnitt von mindestens 6mm notwendig (Strombelastbarkeit = 41A x 0,87 x 0,8 = 8,5A). Die Kabellänge und andere Faktoren sind hier nicht berücksichtigt! Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

17 Beispiele Im Stand-by Betrieb fließt eingangsseitig der Blindstrom I Filter _ gesamt von 6,5A. I Filter _ gesamt beträgt ca. 5% des berechneten Eingangstroms I Netz. Eine Überlastung der Leitung im Stand-by Betrieb tritt in diesem Fall nicht auf..5 Beispiel 5: Gruppenantriebe mit G10D (50D) und Gleichzeitigkeitsfaktor 0, rinzipschaltbild Gruppenantrieb 3 AC I Netz gesamt I Netz Copyright Siemens AG 01 All rights reserved I Netz I Netz I Netz Abbildung -7 Gegebene Werte: U = 400V f = 50Hz ab = 1,3 kw, ot = 0,79 10 Umrichter G10D ( 50D) mit 1,5kW FU = 0,97 I Filter = 0,65A Gleichzeitigkeitsfaktor der otoren = 0, ab = an der otorwelle abgegebene Leistung Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

18 Beispiele Berechnung der Ströme pro FU: 1,3kW 1, 0,97 0,79 zu ab 7 ges kw I zu 1700W, A (nur Grundschwingung ) 3 U 3 400V Wirk 46 Da in diesem Beispiel die 3 Stromkomponenten zur Ermittlung des Gesamtstromes benötigt werden, wird hier mit der Nährung ID 0, 3 IWirk (Kapitel.4 Verzerrungsblindleistung D) gerechnet: ID 0,3 IWirk 0,3,46A 0, 74A I D = Summe der Oberwellenströme IFilter 0, 65A ( Kapitel 5.1, Tabelle 1) Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Berechnung der Ströme für den Energiebus: I Der Gesamtstrom bei 10 Umrichtern und einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,: IWirk ID 10 IFilter,46A 0,74A 10 0,65A 8, A Netz _ gesamt 3 Jetzt wird betrachtet, ob der Blindstrom der Umrichter einen Einfluss auf den notwendigen Querschnitt der Zuleitung hat. Bei einer Umgebungstemperatur von z.b. 40 C (f1 = 0,87), Verlegeart C mit 3 belasteten Adern und z.b. einer Häufung von gebündelten Leitungen (f = 0,8) wäre hier ein Querschnitt von mindestens 1,5mm notwendig (Strombelastbarkeit = 17,5A x 0,87 x 0,8 = 1,1 A). Die Kabellänge und andere Faktoren sind hier nicht berücksichtigt! Zum Vergleich die einfache Berechnung des Netzeingangsstromes ohne Berücksichtigung des Geräteblindstromes, das heißt, ohne Berücksichtigung des Filterstroms. Der Gesamtstrom bei 10 Umrichtern und einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,: I IWirk,46A, 0,95 Netz 58 A INetz _ gesamt x,58a 5, 16A INetz _ gesamt. = gesamter Netzeingangsstrom ohne Filterstrom Im Falle der einfachen Berechnung würde sich folgender Querschnitt ergeben. Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

19 Beispiele Bei einer Umgebungstemperatur von 40 C (f1 = 0,87), Verlegeart C, 3 belasteten Adern und z.b. einer Häufung von gebündelten Leitungen (f = 0,8) wäre hier ein Querschnitt von mindestens 1,0mm notwendig (Strombelastbarkeit = 10A x 0,87 x 0,8 = 6,96A). Die Kabellänge und andere Faktoren sind hier nicht berücksichtigt! In diesem Fall unterscheiden sich die berechneten Netzeingangsströme. Der tatsächliche Netzeingangsstrom von 8,3 A der bei Betrieb fließt, sowie der Filterstrom von 6,5_A der im Stand-by Betrieb fließt, sind größer als der einfach berechnete Netzeingangsstrom von 5,16A. Der Filterstrom muss bei der rojektierung berücksichtigt werden!.6 Beispiel 6: EHB mit G10D für Fahr- und Hubwerk an einer ufferstrecke rinzipschaltbild EHB 1 3 AC 480V 60Hz Stromschienensystem Copyright Siemens AG 01 All rights reserved EHB 1 I Netz I Netz EHB EHB 30 Fahrwerk 3,0kW Hubwerk 7,5kW Fahrwerk 3,0kW Hubwerk 7,5kW Fahrwerk 3,0kW Hubwerk 7,5kW Abbildung -8 Gegebene Werte: U = 480V f= 60Hz 30 EHB mit je Umrichtern 1 Elektrohängebahn (engl: mono rail system) Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

20 Beispiele Fahrwerk G10D ( 50D) mit 3,0KW FU = 0,97 I Filter = 3,38A Hubwerk G10D ( 50D) mit 7,5kW FU = 0,97 I Filter = 4,43A ab Fahrwerk = 3,1 kw Gesamt = 0,77 ( otor, Getriebe ) ab Hubwerk = 0 kw nur Stand-by Betrieb Gleichzeitigkeitsfaktor otoren = 0, Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Anmerkung: Die 30 EHB werden auf einer ufferstrecke geparkt, die ufferstrecke wird separat eingespeist. Auf der ufferstrecke wird nur das Fahrwerk benötigt, das Hubwerk ist immer in Stand-by Betrieb. Die Stromaufnahme der übrigen Komponenten der EHB s wie z. B. Steuerung, Sensoren, etc. wird hier in der Berechnung nicht berücksichtigt. Berechnung der Ströme: Hubwerk: nur Stand-by Betrieb Fahrwerk: ges 3,1 kw 4, 0,97 0,77 Last zu 15 kw I 3 U 4150W zu Wirk V A Da in diesem Beispiel die 3 Stromkomponenten zur Ermittlung des Gesamtstromes benötigt werden, wird hier mit der Näherung ID 0, 3 IWirk (Kapitel.4 Verzerrungsblindleistung D) gerechnet: ID 0,3 IWirk 0,3 5A 1, 5A I D = Summe der Oberwellenströme Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

21 Beispiele Der Gesamtstrom allgemein beträgt: I Netz I Wirk I Filter I D Der Gesamtstrom bei 60 Umrichtern (30 Hubwerk, 30 Fahrwerk) und einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 0, beträgt: 30 0A 30 0, 5A 30 4,43A 30 3,38A 30 0A 30 0, 1,5 A A INetz 36 Der Gesamtstrom von Hubwerk und Fahrwerk auf der Sammelschiene beträgt rechnerisch 36A. Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Im Stand-by Betrieb (kein Umrichter in Betrieb) beträgt der Gesamtstrom 34A. 30 4,43A 30 3,38A A I Netz I 34 Filter, gesamt Durch die besondere Konstellation, viele Antriebe, kleiner Gleichzeitigkeitsfaktor, Versorgungsspannung 480V, 60Hz, sieht man, dass hier der kapazitive Blindstrom (I Filter gesamt ) die bestimmende Stromkomponente ist. Zum Vergleich die einfache Berechnung des Netzeingangsstromes ohne Berücksichtigung des Geräteblindstromes. Berechnung der Netzströme Hubwerk : nur Stand-by Betrieb INetz 0A Fahrwerk: Bei einem Leistungsfaktor des 50 D von 0,95 ergibt sich ein Netzeingangsstrom von: I IWirk,36A, 0,95 Netz 48 A Der Gesamtstrom bei 60 Umrichtern (30 Hubwerk, 30 Fahrwerk) und einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,: INetzgesamt INetz _ Hubwerk INetz _ Fahrwerk 30 0A 30 0,,48A 14, 9A In diesem Beispiel sieht man, dass der einfach berechnete Netzstrom von 14,9A erheblich von dem berechneten Netzstrom von 34,5A abweicht. Deshalb muss man in diesem Fall bei der rojektierung der Zuleitung (Querschnitt, Absicherung Netzeinspeisung, Trafo etc.) den kapazitiven Blindstrom der Anlage auf jeden Fall berücksichtigen. Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

22 3 Standby-Stöme 3 Standby-Stöme Gültig für SINAICS 50D I65 - Ausgabestand B01 Tabelle 3-1 Bestellnummer (LFB) Typ 380V 50Hz 400V 50Hz 440V 50Hz 500V 50Hz 380V 60Hz 440V 60Hz 500V 60Hz 6SL355-0E17-5AA1 FSA 750W 0,3A 0,3A 0,4A 0,4A 0,4A 0,4A 0,5A 6SL355-0E1-5AA1 FSA 1,5kW 0,3A 0,3A 0,4A 0,4A 0,4A 0,4A 0,5A 6SL355-0E3-0AA1 FSB 3,0kW 0,9A 1,0A 1,1A 1,A 1,1A 1,3A 1,4A 6SL355-0E4-0AA1 FSB 4,0kW 0,9A 1,0A 1,1A 1,A 1,1A 1,3A 1,4A 6SL355-0E5-5AA1 FSC 5,5kW 1,6A 1,6A 1,8A,0A 1,9A,A,5A 6SL355-0E7-5AA1 FSC 7,5kW 1,6A 1,6A 1,8A,0A 1,9A,A,5A Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Gültig für SINAICS 50D I65 - Ausgabestand A01 Tabelle 3- Bestellnummer (LFB) Typ 380V 50Hz 400V 50Hz 440V 50Hz 500V 50Hz 380V 60Hz 440V 60Hz 500V 60Hz 6SL355-0E17-5AA1 FSA 750W 0,6A 0,7A 0,7A 0,8A 0,7A 0,9A 1,0A 6SL355-0E1-5AA1 FSA 1,5kW 0,6A 0,7A 0,7A 0,8A 0,7A 0,9A 1,0A 6SL355-0E3-0AA1 FSB 3,0kW 1,9A,3A,A,5A,3A,7A 3,0A 6SL355-0E4-0AA1 FSB 4,0kW 1,9A,3A,A,5A,3A,7A 3,0A 6SL355-0E5-5AA1 FSC 5,5kW,9A 3,1A 3,4A 3,8A 3,5A 4,1A 4,6A 6SL355-0E7-5AA1 FSC 7,5kW,9A 3,1A 3,4A 3,8A 3,5A 4,1A 4,6A Gültig für SINAICS 50D I65-6SL355-xxxxx-xxx0 Tabelle 3-3 Bestellnummer (LFB) Typ 380V 50Hz 400V 50Hz 440V 50Hz 500V 50Hz 380V 60Hz 440V 60Hz 500V 60Hz 6SL355-xxxxx-xxx0 0,75 & 1,5KW 0,6 A 0,7 A 0,8 A 0,7 A 0,8 A 0,9 A 6SL355-xxxxx-xxx0 3,0 & 4,0KW, A,6 A,9 A,7 A 3, A 3,6 A 6SL355-xxxxx-xxx0 5,5 & 7,5KW,9 A 3,3 A 3,8 A 3,5 A 4,0 A 4,6 A Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

23 4 Anhang 4 Anhang Begriffe kurz erklärt 4.1 Das Leistungsdreieck D S Q S 1 = 1 Q 1 Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Abbildung 4-1 = Wirkleistung 1 = Wirkleistung S = Scheinleistung mit Berücksichtigung der Oberwellen S 1 = Grundschwingungsscheinleistung Q = Blindleistung gesamt Q 1 = Blindleistung der Grundschwingung D = Verzerrungsblindleistung hervorgerufen durch Oberwellenströme 4. Wirkleistung Der Energietransport über den Umrichter zum otor geschieht nur über die Grundschwingung des Netzstromes, Oberschwingungsströme oder Blindströme tragen nicht dazu bei: 3 U I 1 cos I 1= Netzstrom Grundschwingung U = Verkettete Spannung Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

24 4 Anhang 4.3 Scheinleistung S Die von einem Umrichter aus dem Netz aufgenommene Scheinleistung S setzt sich aus den folgenden Einzelleistungen zusammen: S Q 1 D Weiterhin gilt: S Q 1 D cos S 1 Q 1 = Leistungsfaktor (das Verhältnis zwischen Wirkleistung und Scheinleistung mit Berücksichtigung der Oberwellen bei nicht rein sinusförmigen Größen) Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Der Verschiebefaktor cos ist das Verhältnis zwischen Wirkleistung und Scheinleistung für sinusförmige Größen (Grundwelle, ohne Oberwellen). Der Leistungsfaktor ist stets kleiner als der Im Bild das sogenannte Stromdreieck cos Abbildung 4- Der kapazitive Blindstrom der über einen Kondensator fließt ergibt sich zu: Ic Uc z Uc 1 f C Uc f C Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

25 4 Anhang Die durch die Kondensatoren aufgenommene Blindleistung ergibt sich zu: Q C 3 UC IC 3 U Ic 4.4 Verschiebeblindleistung Q 1 Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Die Blindleistung entsteht durch die netzeitigen Filterkondensatoren. Bei gesteuerten Gleichrichtern entsteht noch die sogenannte Steuerblindleistung bei Steuerwinkeln >0. Alle Standardumrichter (40, 50, 50D) haben eingangsseitig ungesteuerte Gleichrichter, hier tritt praktisch keine Steuerblindleistung auf. Hier soll nur die Blindleistung, die durch die Filterkondensatoren verursacht ist, betrachtet werden. Die Leistungsteile von Frequenzumrichtern haben eingangsseitig Filterkondensatoren (EV Filter), diese Filterkondensatoren führen zu kapazitiven Blindströmen, sobald das Leistungsteil an Spannung liegt. Bei den Leistungsteilen 50/50D gibt es zusätzlich zu den EV-Filtern noch die sog. F3E-Filter. Aufgrund dieser Topologie ist die wirksame Kapazität am Umrichtereingang größer als bei konventionellen Leistungsteilen (40). Dies führt letztendlich auch zu größeren kapazitiven Blindströmen. rinzipschaltung der Filterkondensatoren (EV-Filter und F3E-Filter) Abbildung 4-3 Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

26 4 Anhang 4.5 Verzerrungsblindleistung D Bei einer 6 pulsigen Brückenschaltung entstehen Stromoberschwingungen mit den Ordnungszahlen 5, 7, 11, 13, usw. Die Netzspannung und diese Oberwellenströme bilden die Verzerrungsblindleistung D. I 5 D 3 U 5;7;11;13;17;19;... Die Höhe der einzelnen Oberwellenströme I sind bei 40 und 50 unterschiedlich. Für 40 beträgt der Effektivwert aller Oberwellenströme ca. 70% des Wirkstroms. Für 50 / 50D beträgt der Effektivwert aller Oberwellenströme ca. 30% des Wirkstroms. 4.6 Was versteht man unter dem uk? Copyright Siemens AG 01 All rights reserved (Hinweise zur Einschränkung uk 1 % bei 50/50D). uk ist die relative Kurzschlußspannung eines Transformators, ist durch dessen Auslegung bestimmt und kann somit vereinfacht als Konstante angesehen werden. uk besteht im Wesentlichen aus einer induktiven Komponente, wie im nachfolgenden vereinfachten einpoligen Ersatzschaltbild eines Transformators gezeigt wird. Experimentelle Ermittlung von uk, siehe Bild: a) Die Klemmen A B werden kurzgeschlossen (U = 0). b) Die Spannung U 1 wird solange erhöht, bis I = IN fließt. c) Die ermittelte Spannung wird auf die Nennspannung bezogen. Angegeben wird dieses Verhältnis in rozent. Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

27 4 Anhang I A U 1 u k U 1 U Last ü einpoliges Trafoersatzschaltbild stark vereinfacht Formeln zu U 1, U und I k : u k = I/ I N u k U 1 U = U 1 - u k = U 1 - I/ I N u k U 1 U = (1 - I/ I N u k ) U 1 U 1 = U N / (1 - I/ I N u k ) Sonderfälle: Berechnung der Leerlaufspannung (I = 0): it I = I N und U = U N (Bemessungspunkt): U 1 = U N / (1 - I/ I N u k ) = U N / (1 -u k ) U = U 1 bei I = 0 Kurzschluß: U = 0; wie groß ist I k? I k = I N / u k (aus U = (1 - I/ I N u k ) U 1 mit U = 0) B Dem Anwender sind nur die Klemmen A und B sowie U 1 zugänglich, die Spannungen U 1 und u k können nur berechnet werden. it (rot: Trafoeigenschaften): I N : Bemessungsstrom des Trafos U N : Bemessungsspannung, stellt sich bei I = I N ein U 1 : Innere, lastunabhängige Trafospannung u k : Relative Kurzschlußspannung des Trafos u k : induktiver Spannungsabfall I: Laststrom U : Lastspannung I k : Strom im Kurzschlußfall (U = 0) Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Beispiel: Abbildung 4-4 Es ist ein Trafo mit folgenden Werten vorhanden: Bemessungsspannung U N = 400V Bemessungsleistung N = 1VA u k = 5 % Es sollen der Kurzschlußstrom I k und die Leerlaufspannung U i berechnet werden. Kurzschlußstrom I k : Berechnung des Trafonennstroms: I N = N / U N / 3 = VA / 400V / 3 = 1.443A I k = I N / u k = 1.443A / 0,05 = 8.900A. Leerlaufspannung U i : U i = U N / (1 - u k ) = 400V / (1-0,05) = 41V Vorbemerkung: Das speisende Netz verhält sich sinngemäß wie der eingangs beschriebene Transformator. Die nachfolgenden unkte müssen rechtzeitig in der rojektierungsphase geklärt werden. Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

28 4 Anhang Netzanforderung: u k 1 %! Die Forderung bezieht sich nur auf die gesamte augenblickliche Rückspeiseleistung, jedoch nicht auf die Gesamtanschlußleistung aller vorhandenen 50 am gleichen Transformator. Zu jedem Trafo werden der u k -Wert und die Nennleistung N angegeben. Die für das 50 nutzbare Rückspeiseleistung NR kann nach folgender Formel umgerechnet werden: NR = (1 % / u k ) x N Beispiel: N = 1 VA; u k = 6 % NR = (1 %/ 6 %) x 1VA = 167kVA; es können gleichzeitig max. 167kVA zurückgespeist werden. Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Sofern die erlaubte Rückspeiseleistung NR zu gering erscheint, sollte bei der rojektierung folgendes geprüft werden: Die Größe des Gleichzeitigkeitsfaktors (insbesondere bei fördertechnischen Einrichtungen) Die Verluste durch die Wirkungsgrade von otor, Getriebe und Arbeitsmaschine, die zur inderung der Rückspeiseleistung beitragen und sich quadratisch auswirken. Beispiel: Der Wirkungsgrad eines Antriebstrangs, bestehend aus otor, Getriebe und Arbeitsmaschine beträgt 88 % bei einer max. Leistungsabgabe an den otorklemmen von 45kW. Im generatorischen Betrieb werden dann max. 0,88 x 0,88 x 45kW = 35kW zurückgespeist. Kann, wenn möglich, die max. Drehzahl des Antriebs zurückgenommen werden? Beim Konstantmomentantrieb ist bekanntlich die Rückspeiseleistung proportional der Drehzahl. Sofern die max. erlaubte Rückspeiseleistung nur wenig überschritten wird, sollte die gesamte angeschlossene Leistung von 50-Leistungsteilen (und gefilterten 40 ungefilterte 40 brauchen nicht berücksichtigt werden - festgestellt werden und angefragt werden, ob im Zusammenspiel mit allen vorhandenen 50 (und gefilterten 40) eine geringe Erhöhung der Rückspeiseleistung möglich ist. 4.7 rinzipielle öglichkeiten zur Reduzierung des Blindstromes Falls die in Beispiel geschilderte Kompensation nicht gewünscht wird, gibt es folgende prinzipielle öglichkeiten. 4.8 Kompensation der kapazitiven Blindleistung Eine öglichkeit die kapazitiven Blindströme zu kompensieren wäre der Einsatz einer Drossel. Schematische Darstellung der Kompensation Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

29 4 Anhang 3 AC 480V 60Hz Stromschienensystem EHB 1 L I comp I Netz I Netz C F C F Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Abbildung 4-5 Fahrwerk 3,0kW Hubwerk 7,5kW Um den kapazitiven Strom der Kondensatoren zu kompensieren kann eine Drossel parallel geschaltet werden. Der Blindstrom würde nur noch lokal zwischen Drossel und Kondensator pendeln, der Strom in der Zuleitung würde erheblich verringert. Die Größe der Drossel kann wie folgt berechnet werden: Im Resonanzfall sind die Blindleitwerte gleich groß res 1 C res L L 1 C res res fres f res = Resonanzfrequenz Für das obige Beispiel mit f = 60Hz und C F =3,4µF (3kW), C F =4,4µF (7,5kW) wäre eine Drossel mit folgender Induktivität notwendig um den kapazitiven Blindstrom komplett zu kompensieren: 1 1 L res C s ,4F 4, F 0,094H Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

30 4 Anhang Der induktive Blindstrom der Drossel fließt auch, wenn die Umrichter vom Netz getrennt werden. Deswegen wird üblicherweise die Drossel so ausgelegt, dass der kapazitive Blindstrom nicht zu 100% sondern nur zu 50% kompensiert wird. In diesem Fall wäre dann eine Drossel mit einer Induktivität L 0,094H 0, 188H notwendig. Generell muss folgendes beachtet werden: Eine solche Drossel muss angefragt werden, Netzkommutierungsdrosseln oder Ausgangsdrosseln wie sie z.b. für ICROASTER 4 bzw. SINAICS G10 als Zubehör angeboten werden, können nicht verwendet werden. 4.9 Verwendung eines Netzschützes Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Eine weitere öglichkeit den kapazitiven Blindstrom zu begrenzen wäre die Verwendung eines Netzschützes in der Zuleitung, entweder für jeden Umrichter einzeln oder gegebenenfalls in der gemeinsamen Zuleitung der Gruppenantriebe. Wenn der Antrieb nicht in Betrieb ist wird das Netzschütz abgeschaltet somit kann kein Blindstrom mehr fließen. Die Ansteuerung des Netzschützes kann prinzipiell über einen Digitalausgang am Umrichter realisiert werden. Bei der rojektierung sind folgende Randbedingungen zu berücksichtigen externe Speisung (4V DC) der CU notwendig Stromaufnahme des Schützes (eventuell ist ein Koppelrelais notwendig) Schalthäufigkeit des Netzschützes Schalthäufigkeit der Vorladeschaltung des Umrichters (G10D: mal / max. mal pro inute) für die Auswahl des Schützes kann folgende Annahme getroffen werden: S Umrichter = S Netzschütz Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID:

31 5 Literaturhinweis 5 Literaturhinweis Diese Liste ist keinesfalls vollständig und spiegelt nur eine Auswahl an geeigneter Literatur wieder. Titel: oderne Stromrichterantriebe Autor.F. Brosch Ausgabe 4 Jahr 00 Verlag Vogel Fachbuch ISBN Copyright Siemens AG 01 All rights reserved Titel: Elektrische Antriebstechnik Autor Johannes Vogel Ausgabe 6 Jahr 1998 Verlag Hüthig ISBN Titel: rojektierungshilfe für den Elektroinstallateur Autor Roland Ayx, Karl Edelmann Ausgabe 4 Jahr 1996 Verlag Hüthig ISBN Informationen zur Stromaufnahme im Stand-by Betrieb (Ruhestrom) des SINAICS G10 / G10D Version.1, Beitrags-ID: