Vorteile der integrierten Zwischenkreisdrossel

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1 FAQ 06/2017 Vorteile der integrierten Zwischenkreisdrossel SINAMICS Power Module PM240-2/PM240P-2/SINAMICS G120C

2 Dieser Beitrag stammt aus dem Siemens Industry Online Support. Es gelten die dort genannten Nutzungsbedingungen ( Securityhinweise Siemens bietet Produkte und Lösungen mit Industrial Security-Funktionen an, die den sicheren Betrieb von Anlagen, Systemen, Maschinen und Netzwerken unterstützen. Um Anlagen, Systeme, Maschinen und Netzwerke gegen Cyber-Bedrohungen zu sichern, ist es erforderlich, ein ganzheitliches Industrial Security-Konzept zu implementieren (und kontinuierlich aufrechtzuerhalten), das dem aktuellen Stand der Technik entspricht. Die Produkte und Lösungen von Siemens formen nur einen Bestandteil eines solchen Konzepts. Der Kunde ist dafür verantwortlich, unbefugten Zugriff auf seine Anlagen, Systeme, Maschinen und Netzwerke zu verhindern. Systeme, Maschinen und Komponenten sollten nur mit dem Unternehmensnetzwerk oder dem Internet verbunden werden, wenn und soweit dies notwendig ist und entsprechende Schutzmaßnahmen (z.b. Nutzung von Firewalls und Netzwerksegmentierung) ergriffen wurden. Zusätzlich sollten die Empfehlungen von Siemens zu entsprechenden Schutzmaßnahmen beachtet werden. Weiterführende Informationen über Industrial Security finden Sie unter Die Produkte und Lösungen von Siemens werden ständig weiterentwickelt, um sie noch sicherer zu machen. Siemens empfiehlt ausdrücklich, Aktualisierungen durchzuführen, sobald die entsprechenden Updates zur Verfügung stehen und immer nur die aktuellen Produktversionen zu verwenden. Die Verwendung veralteter oder nicht mehr unterstützter Versionen kann das Risiko von Cyber-Bedrohungen erhöhen. Um stets über Produkt-Updates informiert zu sein, abonnieren Sie den Siemens Industrial Security RSS Feed unter Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Beschreibung Funktionsweise und Vorteile Aufbau Vorteile der DC Drossel Begrenzung des Spitzenwertes im Netzstrom Reduzierung der Oberschwingungen im Netzstrom Glättung der Zwischenkreisspannung Was kann die DC-Drossel nicht DC-Drossel vs. AC-Drossel Unterschiede im Oberschwingungsverhalten Spannungsabfall Schutz des Eingangsgleichrichters Integration in das Umrichtergehäuse Reduzierung Phasenunsymmetrie Kombination AC Drossel und DC Drossel Lebensdauer DC Drossel Zusammenfassung Betrieb an schwachen Netzen Allgemeine Information Einstellung des Umrichters Beitrags-ID: , Version 1.0, 06/2017 2

3 1 Einleitung 1 Einleitung 1.1 Beschreibung Die neuen Power Module PM240-2 in Frame Size FSD FSF ersetzen die Vorgänger Power Module PM240, sie ersetzen die Power Module PM340 und erweitern damit auch den Leistungsbereich des SINAMICS S120 AC/AC. Die Power Module PM240P-2 ersetzen die Power Module PM230 in IP20 des SINAMICS G120P und erweitern auch hier den Leistungsbereich. Mit den Umrichtern SINAMICS G120C in Frame Size FSD FSF wird der Leistungsbereich des SINAMICS G120C bis auf 132kW erweitert. Den neuen Power Modulen PM240-2/PM240P-2/SINAMICS G120C PE in FSD FSF ist gemeinsam, dass die Leistungsteile eine integrierte Zwischenkreisdrossel besitzen. In diesem FAQ sollen die Vorteile dieser Zwischenkreisdrossel sowie die Unterschiede zu den bisher eingesetzten AC-Drosseln beschrieben werden. Beitrags-ID: , Version 1.0, 06/2017 3

4 2 Funktionsweise und Vorteile 2 Funktionsweise und Vorteile 2.1 Aufbau Wie man aus Abbildung 2-1 erkennen kann, ist in die Power Module PM240-2, PM240P-2 und G120C in FSD FSF eine Drossel LDC in den Gleichspannungszwischenkreis eingebaut, wobei die eine Hälfte der Induktivität im positive Zweig und die andere Hälfte im negativen Zweig des Zwischenkreises vorgesehen ist. Abbildung 2-1 Topologie der Power Module PM240-2, PM240P-2 und G120C FSD, FSE und FSF 2.2 Vorteile der DC Drossel Die integrierte Zwischenkreisdrossel LDC besitzt mehrere Vorteile: Begrenzung des Spitzenwertes im Netzstrom des Umrichters Reduzierung der Oberschwingungen im Netzstrom Glättung der Spannung im Zwischenkreis Begrenzung des Spitzenwertes im Netzstrom Frequenzumrichter mit ihren Eingangsgleichrichtern zählen zu den nichtlinearen Verbrauchern im Netz. Der Stromfluß ist nicht sinusförmig, je nach Netzsteifigkeit, Zwischenkreiskapazität, und vorgeschalteter Netzdrossel/Zwischenkreisdrossel ergeben sich Kurvenformen mit sinusförmiger Grundwelle und einem mehr oder weniger hohen Anteil an Oberschwingungen. Abbildung 2-2 zeigt eine 6-pulsige Gleichrichterbrücke mit Zwischenkreiskapazität zur Speisung des Wechselrichters Beitrags-ID: , Version 1.0, 06/2017 4

5 2 Funktionsweise und Vorteile Abbildung pulsige Gleichrichterschaltung mit Zwischenkreiskondensator Bei einem Netz mit einer Kurzschlußleistungsfähigkeit RSC = 100 ergibt sich die folgende Kurvenform des Eingangstromes Abbildung 2-3 Bezogener Eingangsstrom ohne AC-Drossel/DC-Drossel Aus Abbildung 2-3 lässt sich erkennen, dass die Spitzenwerte des Eingangstromes bis zu 350% des Eingangsnennstromes ausmachen. Eine Drossel im Gleichspannungszwischenkreis verzögert den Stromanstieg und verlängert die stromführende Phase. Dadurch ergibt sich eine nahezu blockförmige Stromform, deren Spitzenwert bei maximal 180% des Eingangsnennstromes liegt. Abbildung pulsige Gleichrichterschaltung mit Zwischenkreiskondensator und aufgeteilter Zwischenkreisdrossel Beitrags-ID: , Version 1.0, 06/2017 5

6 2 Funktionsweise und Vorteile Abbildung 2-5 Bezogener Eingangsstrom ohne/mit DC-Drossel Reduzierung der Oberschwingungen im Netzstrom Die unterschiedliche Stromkurvenform ohne und mit DC Drossel hat nicht nur Auswirkungen auf den Spitzensstrom, sondern auch auf die Oberschwingungen im Eingangsstrom. Abbildung 2-6 Vergleich der Oberschwingungsströme und Oberschwingungsstromkennwerte ohne und mit DC-Drossel Für den Betrieb von Frequenzumrichtern in öffentlichen Netzen gibt die EN mit Tabelle 4 Grenzwerte für die einzelnen Oberschwingungen sowie die Gesamtverzerrung THC/Iref und den gewichteten Teiloberschwingungsstrom PWHC/Iref vor. Die EN gilt streng genommen nur für Geräte mit einem Nennstrom von 16 A bis 75A, nach EN können jedoch auch größere Systeme bis 100kVA danach bewertet werten. Ohne DC-Drossel erreichen die Oberschwingungen im Bereich der 5ten bis zur 13ten Ordnungszahl Werte deutlich oberhalb der zulässigen Grenzwerte nach EN , Tabelle 4, der Wert für die Gesamtverzerrung THC/Iref liegt ebenfalls über dem zulässigen Grenzwert. Beitrags-ID: , Version 1.0, 06/2017 6

7 2 Funktionsweise und Vorteile Durch den Einsatz der DC-Drossel werden die einzelnen Oberschwingungen auf Werte unterhalb der Grenzwerte der EN , Tabelle 4, reduziert. Der Wert für den bezogenen Oberschwingungsstrom THC/Iref liegt ebenfalls unterhalb des Grenzwertes. Der Wert für den gewichteten Teiloberschwingungsstrom PWHC/Iref steigt um 10% an, liegt aber noch deutlich unter dem zulässigen Grenzwert. Diese Zunahme ist auf das schnelle Ansteigen des Eingangsstromes zurückzuführen, das zu deutlich mehr Oberschwingungen im Bereich der 14ten bis 40ten Ordnungszahl führt Glättung der Zwischenkreisspannung In Abbildung 2-7 ist die Zwischenkreisspannung ohne und mit DC-Drossel bezogen auf die ideale Zwischenkreisspannung UDI = 1,35 UNetz. Dargestellt. Ohne Zwischenkreisdrossel ergibt sich ein Effektivwert von 546V, die Schwankung in der Zwischenkreisspannung ist mit ± 5% aber auch erheblich. Durch den Einsatz der DC-Drossel sinkt der Effektivwert der Zwischenkreisspannung auf 534V ab, die Schwankung in der Zwischenkreisspannung beträgt aber nur noch ± 1,5%, was zu reduzierten Verlusten in den Leistungshalbleitern führt. Abbildung 2-7 Zwischenkreisspannung bezogen auf die ideale Zwischenkreisspannung U di = 1,35 * U Netz 2.3 Was kann die DC-Drossel nicht Die DC-Drossel ist kein Ersatz für eine Ausgangsdrossel, d.h. sie ist nicht dafür verantwortlich, dass die neuen Power Module ohne Ausgangsdrossel mit längeren Leitungslängen zurechtkommen. Dies ist ausschließlich auf die stärker dimensionierten IGBT s zurückzuführen. Bei Leitungslängen oberhalb von 200m geschirmt bei FSD und FSE bzw. 300m geschirmt bei FSF müssen weiterhin Ausgangsdrosseln vorgesehen werden. Die DC-Drossel reduziert auch den Stromanstieg an der Motorwicklung nicht, d.h. hier müssen du/dt Filter eingesetzt werden, wenn die Motorwicklung nicht umrichtertauglich ist. Die Einhaltung der Grenzwerte für leitungsgeführte Störspannungen und feldgebundene Störaussendung nach Kategorie C2 der EN bei einer Leitungslänge von 150 Metern ist auf einen verbesserten Netzfilter zurückzuführen. Beitrags-ID: , Version 1.0, 06/2017 7

8 3 DC-Drossel vs. AC-Drossel 3 DC-Drossel vs. AC-Drossel In den bisherigen Generation der Frequenzumrichter wie MICROMASTER, MASTERDRIVES, und auch SINAMICS wurden bisher ausschließlich AC-Drosseln zum Einsatz auf der Netzseite der Umrichter vorgesehen. Im folgenden sollen die Unterschiede sowie Vor- und Nachteile zwischen den beiden Drosselkonzepten beleuchtet werden. 3.1 Unterschiede im Oberschwingungsverhalten Abbildung 3-1 zeigt den Unterschied im Verlauf des Eingangsstroms zwischen der DC-Drossel und einer 2% AC-Drossel, wie sie bisher im Programm der Power Module PM240/PM240-2 lieferbar ist. Die DC-Drossel hat niedrigere Spitzenwerte im Strom und auch niedrigere Oberschwingungswerte als die 2% AC-Drossel. Lediglich der Wert für den gewichteten Teiloberschwingungsstrom PWHC/Iref steigt um 13% an, liegt aber noch deutlich unter dem zulässigen Grenzwert. Diese Zunahme ist auf das schnelle Ansteigen der Stromkurve zurückzuführen, das zu deutlich mehr Oberschwingungen im Bereich der 14ten bis 40ten Ordnungszahl führt. Abbildung 3-1 Bezogener Eingangsstrom mit AC-Drossel/mit DC-Drossel Bezüglich des Oberschwingungsverhaltens verhält sich die DC-Drossel wie eine AC-Drossel mit 3%, d.h. bei Anwendungen, in denen eine 3% AC-Drossel vorgeschrieben ist, muss zusätzlich zur vorhandenen DC-Drossel keine weitere AC-Drossel vorgesehen werden. Beitrags-ID: , Version 1.0, 06/2017 8

9 3 DC-Drossel vs. AC-Drossel Abbildung 3-2 Vergleich der Oberschwingungsströme und Oberschwingungsstromkennwerte ohne Drossel, mit AC-Drossel und mit DC-Drossel 3.2 Spannungsabfall Der Spanungsabfall einer AC-Drossel mit 2% ist höher als der Spannungsabfall der eingebauten DC-Drossel. Dies führt dazu, dass der Effektivwert der Zwischenkreisspannung nur bei 526V gegenüber 534V mit der DC-Drossel liegt. Die DC-Drossel hat dadurch den Vorteil, dass die Ausgangsspannung des Wechselrichters von 95% auf 96% ansteigt. Abbildung 3-3 Zwischenkreisspannung bezogen auf die ideale Zwischenkreisspannung U di = 1,35 * U Netz mit AC-Drossel und DC-Drossel Beitrags-ID: , Version 1.0, 06/2017 9

10 3 DC-Drossel vs. AC-Drossel 3.3 Schutz des Eingangsgleichrichters Die bisher verwendeten AC-Drosseln wurden als Schutz des Gleichrichters gegenüber Überspannungen durch transiente Schalthandlungen und Kommutierungseinbrüche durch Stromrichter verwendet. Die Power Module PM240-2, PM240P-2 und SINAMICS G120C PE in FSD FSF sind für den direkten Anschluss an das Versorgungsnetz vorgesehen. Als Richtwerte für die Störfestigkeit sind die Anforderungsnorm EN : und die Prüfnorm EN :2010 zu werten. Nach EN sind die Power Module störfest nach Kategorie C3, was bedeutet: Störfestigkeit gegen Oberschwingungen nach IEC Klasse 3 mit einem Pegel von 12%, Annahmekriterium A Störfestigkeit gegen einzelne Ordnungszahlen der Oberschwingungen nach IEC Klasse 3, Annahmekriterium A Störfestigkeit gegen Kommutierungseinbrüche nach IEC Klasse B, Pegel mit Tiefe = 40 %, Gesamtfläche = 250 % in % Grad, Annahmekriterium A Spannungsabweichungen (>60s) IEC Klasse 2, Annahmekriterium A Spannungseinbrüche und kurzzeitige Unterbrechungen nach IEC / IEC , Annahmekriterium C Weiterhin wurden die Eingangsgleichrichter der Power Module für den direkten Betrieb am Netz ertüchtigt: Die Gleichrichtermodule weisen höhere Spannungsfestigkeit auf gegenüber den Vorgängergeräten. Bei 400V-Geräten beträgt die Spannungsfestigkeit jetzt 1,6kV statt 1,2kV, bei 690V-Geräten 2,2kV statt 1,8kV. Gegen transiente Überspannungen werden Varistoren und Kondensatoren verwendet. 3.4 Integration in das Umrichtergehäuse Der Einbau der DC-Drossel in das Umrichtergehäuse kann relativ platzsparend durchgeführt werden, da es sich um ein Bauteil mit weniger Anschlüssen als bei einer AC-Drossel für dreiphasigen Anschluss handelt. Man muss allerdings berücksichtigen, dass mit der integrierten DC-Drossel das Gewicht des Frequenzumrichters zunimmt. 3.5 Reduzierung Phasenunsymmetrie Die AC-Drossel hat den Vorteil, dass sie eine Asymmetrie der Stromphasen im Eingangsstrom reduzieren kann. Dieser Ausgleich ist mit einer DC-Drossel nicht möglich. Beitrags-ID: , Version 1.0, 06/

11 3 DC-Drossel vs. AC-Drossel 3.6 Kombination AC Drossel und DC Drossel Bei Anforderungen an geringe Oberschwingungen durch eine Netzdrossel mit 5% kann man die Power Module mit DC-Drossel (vergleichbar einer AC-Drossel 3%) mit einer zusätzlichen AC-Drossel mit 2% ergänzen. Wichtig dabei ist, dass die Netzinduktivität dadurch nicht zu hoch wird (siehe Kapitel 4). 3.7 Lebensdauer DC Drossel Eine identische Lebensdauer wie bei den Vorgängergeräten war Auslegungskriterium für die Power Module PM240-2, PM240P-2 und G120C FSD - F. Entsprechend wurde der Zwischenkreis dimensioniert. Die Power Module PM240-2, PM240P-2 und G120C FSD - F haben daher keine kürzere Lebensdauer als die Vorgängergeräte mit AC-Drossel. Die DC-Drosseln in den PM240-2, PM240P-2 und G120C FSD-F sind aus Eisenblech gefertigt. Eisenbleche weisen keine altersbedingte Verschlechterung ihrer Eigenschaften auf. Somit verschlechtert sich auch das Oberschwingungsverhalten der DC-Drosseln nicht. 3.8 Zusammenfassung Vorteile der DC-Drossel sind: 1. Die DC-Drossel reduziert die Oberschwingungen im Netzstrom besser als eine AC-Drossel mit 2%. 2. Der Spannungsabfall ist geringer als bei einer AC-Drossel. Die DC-Drossel hat typischerweise einen Spanungsabfall von 1% gegenüber der 3 phasigen AC- Drossel mit 2% Spanungsabfall oder sogar mehr. Der Unterschied äußert sich in einer höheren Ausgangsspannung des Wechselrichters. 3. Der geringere Eingangsstrom hat positive Einfluß auf die Auslegung von Sicherungen und Leitungen. In steifen NetzenA (uk 1%) müssen keine zusätzlichen Netzdrosseln eingesetzt werden. Nachteile der DC-Drossel sind: 1. Erhöhtes Gewicht des Frequenzumrichters. 2. Keine Reduzierung der Phasenunsymmetrie im Eingangsstrom. Beitrags-ID: , Version 1.0, 06/

12 4 Betrieb an schwachen Netzen 4 Betrieb an schwachen Netzen 4.1 Allgemeine Information Die tatsächliche Induktivität eines Versorgungsnetzes hängt von der Induktivität des Transformators ab. Starke Systeme haben wenig Induktivität bzw. Leitungsimpedanz, schwachen Systeme eine große Induktivität bzw. Leitungsimpedanz. Große Netzinduktivitäten beschränken das dynamische Verhalten des Antriebs bei plötzlichen Lastschwankungen des Motors, da der Stromanstieg begrenzt ist. Da in den PM240-2, PM240P-2 und G120C FSD - FSF eine DC-Drossel integriert ist, besteht in schwachen Systemen die Gefahr eines Schwingkreises zwischen der Netzinduktivität, der Zwischenkreisdrossel und den Zwischenkreiskondensatoren. In diesem Fall gibt es eine hohe Welligkeit in der Zwischenkreisspannung (viel höher als die 5% Welligkeit, die im Normalbetrieb maximal zulässig ist), die die Leistungsfähigkeit des Antriebs reduziert oder sogar den Umrichter wegen Erreichen der Über- oder Unterspannungsgrenzen abschaltet. Wie unter den genannten Randbedingungen von Versorgungssysteme ein störungsfreier Betrieb möglich ist, und wie man mit Schwingungen im Betrieb umgehen kann, wird in Abschnitt 4.2 beschrieben. 4.2 Einstellung des Umrichters Versorgungsnetze mit einer Kurzschlußleistungsfähigkeit RSCE = 25 oder höher sind für die Power Module PM240-2, PM240P-2 und G120C FSD - F eine normale Betriebsumgebung, für die sie ausgelegt sind. Mit der U/f - Steuerung (p1300 = 0) lassen sich die Power Module in Netzen mit einer Kurzschlußleistungsfähigkeit RSCE = ,5 betreiben. Mit der Vektorregelung (p1300 = 20) und mit U/f-Steuerung können die Power Module in Netzen mit einer Kurzschlußleistungsfähigkeit RSCE = 12, betrieben werden. Falls es beim Betrieb mit maximalem Strom an schwachen Netzen zu Oszillationen kommt, müssen die folgenden Maßnahmen ergriffen werden: Umstellung der Berechnung der Gleichspannungskompensation vom Power Modul (p1810 = 0, default) auf Berechnung durch die Control Unit (p1810 = 1). Die Berechnung durch die Control Unit ist langsamer als durch das Power Modul, d.h. Störungen werden nicht so stark angeregt. Reduzierung des maximalen Stromes, Reduzierung der Überlast. Die Verwendung einer zusätzlichen Netzdrossel zur Reduzierung von Schwingungen ist nicht sinnvoll, da eine zusätzliche Drossel das Versorgungssystem noch schwächer macht und somit die Schwingungen erhöht. Beitrags-ID: , Version 1.0, 06/