Applikationsbeschreibung 10/2016 Bestimmung der Blindleistung beim Active Line Module https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094
Gewährleistung und Haftung Gewährleistung und Haftung Hinweis Die Anwendungsbeispiele sind unverbindlich und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit hinsichtlich Konfiguration und Ausstattung sowie jeglicher Eventualitäten. Die Anwendungsbeispiele 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 Anwendungsbeispiele entheben Sie nicht der Verpflichtung zu sicherem Umgang bei Anwendung, Installation, Betrieb und Wartung. Durch Nutzung dieser Anwendungsbeispiele 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 Anwendungsbeispiele jederzeit ohne Ankündigung durchzuführen. Bei Abweichungen zwischen den Vorschlägen in diesem Anwendungsbeispiel 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 Anwendungsbeispiele oder Auszüge daraus sind nicht gestattet, soweit nicht ausdrücklich von der Siemens AG zugestanden. Securityhinweise Siemens bietet Produkte und Lösungen mit Industrial Security-Funktionen an, die den sicheren Betrieb von Anlagen, Lösungen, Maschinen, Geräten und/oder Netzwerken unterstützen. Sie sind wichtige Komponenten in einem ganzheitlichen Industrial Security-Konzept. Die Produkte und Lösungen von Siemens werden unter diesem Gesichtspunkt ständig weiterentwickelt. Siemens empfiehlt, sich unbedingt regelmäßig über Produkt-Updates zu informieren. Für den sicheren Betrieb von Produkten und Lösungen von Siemens ist es erforderlich, geeignete Schutzmaßnahmen (z. B. Zellenschutzkonzept) zu ergreifen und jede Komponente in ein ganzheitliches Industrial Security-Konzept zu integrieren, das dem aktuellen Stand der Technik entspricht. Dabei sind auch eingesetzte Produkte von anderen Herstellern zu berücksichtigen. Weitergehende Informationen über Industrial Security finden Sie unter http://www.siemens.com/industrialsecurity. Um stets über Produkt-Updates informiert zu sein, melden Sie sich für unseren produktspezifischen Newsletter an. Weitere Informationen hierzu finden Sie unter http://support.industry.siemens.com. https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 2
Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Gewährleistung und Haftung... 2 1 Applikationsbeschreibung... 4 1.1 Übersicht... 4 1.2 Vorteile... 4 1.3 Anforderungen / Szenarien... 5 2 Grundlagen... 6 2.1 Spannungsbelastung... 6 2.2 Lastspiele... 7 2.3 Leitungsquerschnitte... 7 2.4 Transformator... 7 2.5 Kennlinien... 9... 13 3.1 Funktionsweise... 13 3.2 Bestimmung der Blindleistung... 13 3.2.1 Blindleistungskompensation auf der Sekundärseite des Transformators... 13 3.2.2 Bestimmung der benötigten Blindleistung auf der Primärseite des Transformators... 15 3.3 Hard- und Software-Komponenten... 23 3.3.1 SINAMICS HW Komponenten... 23 3.3.2 SW Komponenten... 24 4 Ansprechpartner... 25 https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 3
1 Applikationsbeschreibung 1 Applikationsbeschreibung 1.1 Übersicht Einführung/Einleitung In den Anwendungen, in denen Umrichter zum Einsatz kommen, werden die Motoren in der Regel nicht bei konstanter Drehzahl betrieben. Deshalb arbeitet die Einspeisung in den meisten Fällen im Teillastbereich. Handelt es sich bei der Einspeisung um ein Active Line Module (ALM), wie bei einem SINAMICS S150, SINAMICS S120 Cabinet Modules und SINAMICS S120 ALM Chassis, so besteht nun die Möglichkeit diese Reserven der Einspeisung zur Kompensation des Netzes zu nutzen. In diesem Dokument geht es um die Bestimmung, wie viel Grundschwingungsblindleistung das Active Line Module dem Netz noch zur Verfügung stellen kann. Überblick über die Applikation Folgendes Bild zeigt den Aufbau der Applikation. DRIVE-CLiQ Antriebsverband aus Active Interface Module, Active Line Module Motor Module und Motor CU320-2 Voltage Sensing Module VSM10 gemeinsamer Netzanschlusspunkt Abbildung 1-1 Verbraucher mit Blindleistung 1.2 Vorteile Die Vorteile der Blindleistungskompensation durch das Active Line Module: Es wird bei ausreichender Blindleistung keine zusätzliche Blindstromkompensationsanlage benötigt. Der Transformator überträgt nur noch die benötigte Wirkleistung. Geringere Verluste im Transformator (die Anhebung des cosφ hat folgende Auswirkung auf die Verluste Pv 1 (cosφ)² ). Kleinerer Spannungsabfall am Transformator. Für diese Anwendung benötigen Sie einen DCC Plan und zusätzliche Komponenten zur Messung des Stromes und der Spannung. https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 4
1 Applikationsbeschreibung Diese Informationen finden Sie in der Applikationsbeschreibung SINAMICS S120 Blindleistungskompensation mit Active Line Module und DCC unter dem folgenden Link: http://support.automation.siemens.com/ww/view/de/57886317 1.3 Anforderungen / Szenarien In den meisten Industrieanlagen werden verschiedene Lasten am gleichen Trafo betrieben, die eine zusätzliche Blindleistungsaufnahme aus dem Netz verursachen. Die Kunden sind in den meisten Fällen bestrebt, diese Blindleistung zu kompensieren und das Kundennetz bei einem kontinuierlichen Leistungsfaktor (cosφ) zu betreiben. Das Einspeisekonzept mit dem Active Line Module ermöglicht eine Blindleistungseinspeisung. In den industriellen Anwendungen, bei denen das ALM die Antriebsaufgabe übernimmt, kann diese Komponente auch einen zusätzlichen Beitrag zur Blindleistungskompensation leisten. Das ALM ist nur in der Lage die Grundschwingungsblindleistung zu kompensieren, des Weitern ist dieses nur auf symmetrische Lasten beschränkt. Eine Kompensation der Oberschwingung ist nicht möglich, ebenfalls können keine unsymmetrischen Blindleistungen kompensiert werden. https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 5
2 Grundlagen 2 Grundlagen 2.1 Spannungsbelastung Erfolgt die Blindleistungskompensation auf derselben Spannungsebene, so wird sich die Spannung bis maximal zur Leerlaufspannung erhöhen. Erfolgt allerdings die Blindleistungskompensation auf der überlagerten Spannungsebene (Primärseite), dann wird die Blindleistung über den Transformator übertragen. Wird das ALM untererregt betrieben, dann nimmt es induktive Blindleistung auf und verhält sich wie eine Drosselspule am Netz. In diesem Fall sinkt die Spannung auf der Sekundärseite des Transformators. Wird das ALM übererregt betrieben, dann nimmt es kapazitive Blindleistung auf und verhält sich wie ein Kondensator am Netz. In diesem Fall steigt die Spannung auf der Sekundärseite des Transformators. Des Weiteren sind die folgenden Punkte zu beachten, wenn Blindleistung über den Transformator übertragen wird: Die SINAMICS Umrichter können sowohl mit 10% Überspannung als auch mit 10% Unterspannung betrieben werden. Dieses schließt auch die Komponenten wie Lüfter mit ein, die sich im Umrichter befinden. Ebenso die Optionen, die zum Standardgerät dazu bestellt werden können. Diese Komponenten werden über Hilfstransformatoren versorgt. Dieser Transformator stellt auf der Ausgangseite 230V bereit. Wird nun die Spannung größer als die 110% oder kleiner als die 90%, so sollte eine USV eingesetzt werden. Werden neben dem Umrichter noch weitere Geräte am Transformator betrieben, so muss auch hier sichergestellt werden, dass diese Geräte mit einer höheren oder niedrigeren Spannung zurechtkommen. Bei der Bestellung des Transformators sollte mit angegeben werden, dass dieser bis zu 100% mit induktiver oder kapazitiver Last betrieben werden kann. Vor allem bei kapazitiver Belastung steigt der Fluss im Schenkel des Transformators an. Deshalb muss dieses bei der Auslegung des Transformators berücksichtigt werden. Wird das nicht berücksichtig, kann der Transformator überhitzen. Vor allem bei kapazitiver Belastung gibt es unter Umständen Auswirkungen auf die Netzrückwirkungen. Denn das ALM hält den Aussteuerungsgrad unter 97% (in Werkseinstellung). Der Aussteuerungsgrad ist das Verhältnis zwischen Netzspannung und Zwischenkreisspannung. Steigt nun die Netzspannung weiter an, durch Zufuhr von kapazitiver Blindleistung, so wird der Aussteuerungsgrad von 97% überschritten. Das ALM regelt dagegen und erhöht die Zwischenkreisspannung, damit der Aussteuerungsgrad wieder kleiner gleich den 97% wird. Dieses geschieht solange bis der Wert im Parameter p0280 (maximale Zwischenkreisspannung) erreicht wird. Die Netzrückwirkungen nehmen aufgrund der Überschreitung des Aussteuerungsgrads zu. Wird über das ALM nicht nur die Blindleistung geregelt, sondern auch noch das Motor Module samt Motoren versorgt, so müssen hier auch noch einige Dinge berücksichtigt werden. Durch die höhere Zwischenkreisspannung steigt auch die Belastung an der Motorisolation. Dieses sollte bei der Auswahl des Isolationssystems beim Motor berücksichtigt werden. Befindet sich am Ausgang des Motor Moduls ein du/dt Filter, so muss ebenfalls auf die maximale Zwischenkreisspannung geachtet werden. 400V Geräte Udc max 720V (Dauerbetrieb) 690V Geräte Udc max 1080V (Dauerbetrieb) https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 6
2 Grundlagen Bei der Auslegung der ALM ist darauf zu achten, dass dieses auch die volle Leistung liefern kann, wenn keine kapazitive Blindleistung geliefert wird, oder wenn die ALM maximale induktive Blindleistung liefert. 2.2 Lastspiele Wenn die am Netz angeschlossenen Verbraucher periodisch hohe Blindleistung benötigen, dann muss das Wechsellast-Derating (Derating-Faktor k IGBT ) wie bei dem entsprechenden Motor Modules berücksichtigt werden. Dieses ist aber erst dann nötig, wenn das Lastspiel von dem Standardlastspiel abweicht, also wenn der Wert Δ I größer als 1,5 ist und/oder das Lastspiel kürzer als 300s ist. Nähere Information finden Sie im Projektierungshandbuch SINAMICS Low Voltage im Abschnitt Lastspiele. 2.3 Leitungsquerschnitte Bei den Schrankgeräten SINAMICS S150 werden in der Dokumentation Sicherungen und Leitungsquerschnitte empfohlen. Diese Empfehlungen orientieren sich an den Typleistungen der anzuschließenden Motoren und den sich hieraus ergebenden Netzströmen unter der Voraussetzung, dass das ALM gemäß Werkseinstellung reine Wirkleistung und damit reinen Wirkstrom aufnimmt. Deshalb sind diese Werte nicht identisch mit den Strömen der in den S150 eingesetzten ALMs der Bauform Chassis. Bestimmt man aus den Nennströmen der Active Line Module und den benötigten Wirkströmen der Motor Module den Blindstrom, so muss auf die erforderlichen Kabelquerschnitte geachtet werden. Dies ist bei den kleineren Leistungen besonders wichtig. Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass hier nicht das ALM die begrenzende Komponente ist, sondern die Sicherung, die in der Empfehlung aufgeführt wird. Darum sollte nach der Bestimmung der zur Verfügung stehenden Blindleistung auch noch der Strombetrag bestimmt werden, um sicher zu gehen, dass die empfohlene Sicherung nicht überlastet wird. Im Kapitel Hard- und Software-Komponenten sind die in den Umrichter-Schrankgeräten verwendeten ALMs mit ihren netzseitigen Bemessungsströmen aufgelistet. 2.4 Transformator Das Ersatzschaltbild des Transformators besteht aus einem Längs- und einem Querzweig. Im Längszweig sind die Widerstände und die Streuinduktivitäten. Im Querzweig befindet sich die Hauptinduktivität. Sie wird durch den Hauptfluss im Transformator hervorgerufen. Ebenfalls befindet sich im Querzweig ein Widerstand, dieser bildet die Wirbelstromverluste und die Ummagnetisierungsverluste nach. https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 7
2 Grundlagen Je nach Art der Belastung, wird die Spannung auf der Sekundärseite angehoben oder abgesenkt. Es ist zu erkennen, dass bei rein ohmscher Belastung der Spannungseibruch am geringsten ist. Wird der Transformator induktiv belastet bricht die Spannung am stärksten ein. Hängt am Transformator eine kapazitive Last, steigt die Spannung auf der Sekundärseite an. Für die Auslegung des ALM`s ist es wichtig die Spannung zu ermitteln, damit für die benötigte Scheinleistung der Strom bestimmt werden kann. Mit dem Kapp`schen Dreieck ist es möglich die Spannungen zu berechnen, die sich in Abhängigkeit der Scheinleistung und deren Winkel auf der Sekundärseite des Transformators ergeben. https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 8
2 Grundlagen Für die Berechnung der Induktiven Leistung, die im Transformator verbleibt, kann man das Ersatzschaltbild des Transformators weiter vereinfachen. Auf der nächsten Seite sieht man, dass die beiden Streuinduktivitäten und die Widerstände zusammengefasst werden können. Entweder beziehen sich die Widerstände und Streuinduktivitäten auf die Primär- oder Sekundärseite. 2.5 Kennlinien Wird das Active Line Module mit einem Grundschwingungsleistungsfaktor cosφ <1 betrieben, so steigen die Verluste im Active Line Module aufgrund des verwendeten Modulationssystems an. Aus diesem Grund muss der zulässige Eingangsstrom des Active Line Modules bezogen auf den Eingangs- Bemessungsstrom I N verringert werden. Die Werte sind der folgenden Derating- Kennlinie zu entnehmen. Die ersten beiden Kennlinien sind gültig für Geräte der https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 9
2 Grundlagen Bauform Chassis sowie für die Schrankgeräte, die letzten beiden Kennlinien sind gültig für die Geräte der Bauform Booksize. Zulässiger Netzstrom des SINAMICS Active Infeed in Abhängigkeit vom netzseitigen Leistungsfaktor cosφ Zulässiger Netzstrom 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,00 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 cosφ Derating-Kennlinie für ALM Bauform Chassis und für ALM Bauform Booksize mit 120kW Aus den Derating-Kennlinien für die Chassis- und Booksize-ALM`s wurde eine Kennlinie abgeleitet, mit der man über das Verhältnis aus Wirkstrom und Eingangsnennstrom des ALM`s den minimal möglichen Grundschwingungsleistungsfaktor cosφ bestimmen kann. Über den cosφ ist es nun möglich die Blindleistung zu bestimmen, die man dem Netz bereitstellen kann. Im Kapitel Lösung wird anhand eines Beispiels das Vorgehen gezeigt. https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 10
0,00 0,04 0,08 0,11 0,15 0,19 0,23 0,27 0,32 0,36 0,41 0,45 0,50 0,56 0,61 0,67 0,73 0,79 0,86 0,93 1,00 cos φ 2 Grundlagen 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Chassis Chassis Iw/ I N Kennlinie für ALM Bauform Chassis und für ALM Bauform Booksize mit 120kW Derating-Kennlinie für Booksize-ALM`s bis zu 80kW https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 11
0,00 0,05 0,09 0,14 0,18 0,23 0,28 0,33 0,38 0,43 0,48 0,53 0,58 0,63 0,68 0,73 0,78 0,84 0,89 0,95 1,00 cos φ 2 Grundlagen 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Booksize Booksize Iw/ I N Diese Kennlinie gilt nur für Booksize-ALM`s mit einer Leistung bis zu 80kW https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 12
3.1 Funktionsweise Mit dem Active Line Module kann der Strom in seiner Wirkstrom-Komponente I q und seiner Blindstrom-Komponente I d geregelt werden. Gemäß Werkseinstellung wird nur der Wirkstrom geregelt und es wird kein externer Sollwert für den Blindstrom vorgegeben. Damit liefert das Active Line Module nur so viel Blindleistung, wie das Clean Power Filter im zugehörigen Active Interface Module benötigt. Auf diese Weise nimmt das Active Infeed bzw. der Umrichter aus dem Netz nur Wirkleistung auf. Mit SINAMICS DCC besteht die Möglichkeit aus den aktuellen Netzdaten einen Blindstromsollwert in Abhängigkeit vom Leistungsfaktor zu ermitteln und diesen als Blindstrom-Sollwert der ALM Regelung bereitzustellen. Durch den DCC Plan wird ein Zusatz-Sollwertkanal verschaltet, so dass das ALM nun zusätzlich Blindleistung ins Netz liefert. Damit ergibt sich netzseitig ein Grundschwingungsleistungsfaktor cosφ<1. 3.2 Bestimmung der Blindleistung 3.2.1 Blindleistungskompensation auf der Sekundärseite des Transformators Beispiel zur Blindleistungsberechnung Es soll eine Asynchronmaschine SIMOTICS N-compact 1LA8407-4PM70 an einem Umrichter SINAMICS S150 / 710kW / 690V betrieben werden. In diesem Beispiel wird davon ausgegangen, dass das Netz keine nennenswerten Spannungseinbrüche aufweist. Anderenfalls müsste dieses bei der Bestimmung des Wirkstromes I W berücksichtig werden. Der Betriebspunkt mit der größten Leistung liegt bei dieser Anwendung bei 1300 1/min und einer Leistung von 600kW. Der Motor hat einen Wirkungsgrad von 96,4%, der SINAMCIS S150 hat eine Verlustleistung von 30,25kW (siehe Katalog). Das Motor Module überträgt nur Wirkleistung über den Zwischenkreis zum Active Line Modul. Deshalb muss als Erstes bestimmt werden, wieviel Leistung der Motor aufnimmt. Ebenfalls entnimmt man aus dem Katalog, wie hoch die Verlustleistung des SINAMICS S150 ist. PMotor = PWelle η = 600kW 0,964 = 620kW PNetz = PMotor + PVerluste S150 = 620kW + 30,25 = 650,25kW Bestimmung des Wirkstromes IW: Iw = PNetz 3 UNetz = 650,25kW 3 690V = 544A https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 13
Der SINAMCS S150 mit 710kW hat einen Eingangs-Bemessungsstrom von I N = 735A. Iw In = 544A 735A = 0,74 Aus der Kennlinie bekommen wir für I W /I N =0,74 einen cosφ von 0,82. Dieser cosφ Wert ist der kleinste Wert den wir bei der aufgenommenen Wirkleistung erreichen können. Bestimmung des verfügbaren Blindstromes I Q : IQ = Iw tan(arccosφ) = 544A tan(arccos0,82) = 380A Bestimmung der zur Verfügung stehenden Blindleistung Q: Q = 3 UNetz IQ = 3 690V 380A = 454kvar Bestimmung des Strombetrages: IGesamt = (Iw 2 + IQ 2 ) = 544A 2 + 380A 2 = 663,6A Es wird empfohlen, das Gerät mit Sicherungen 3NE1448-2 (850A) abzusichern. Der Sicherungs-Nennstrom von 850A ist größer als der maximal auftretende Netzstrom von 663,6A und somit kann der SINAMICS S150 die Blindleistung liefern. https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 14
3.2.2 Bestimmung der benötigten Blindleistung auf der Primärseite des Transformators U, I Last (ohmsch- induktive, ohmsch- kapazitiv) ProfiNet 3 VSM 10 CU 320-2 VSM ~ = SINAMICS DCC Logic Blindleistungskompensation https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 15
Beispiel 1: Es soll in der Mittelspannung eine Blindleistung von 700kvar induktiv kompensiert werden. Dieses soll aus der Niederspannung über einen Transformator erfolgen. In diesem Beispiel sind keine weiteren Motormodule am ALM angeschlossen. Es sind die folgenden Transformatordaten bekannt. Transformatordaten Primär Spannung U 1 Sekundär Spannung U 2 22kV 420V uk 6% Scheinleistung S n Leerlaufverluste P o Kurzschlussverluste P k 0,96MVA 2,1kW 11kW Leerlauf Strom I o 3,3A Durch den induktiven Querzweig des Transformtors fällt ein Teil der kapazitiven Blindleistung ab. Im ersten Schritt muss bestimmt werden, wieviel zusätzliche Blindleistung bereitgestellt werden muss. Dafür muss als Erstes der erforderliche Blindstrom bestimmt werden. IStr = Qkomp 3 U1n = 700kvar 3 22kV = 18,37A Im nächsten Schritt wird die Impedanz Z 1K bestimmt. Diese gibt den induktiven Widerstand im Querzweig wieder und ist hier auf die Primärseite des Transformators bezogen. Z1K = uk U1n2 Sn = 0,06 22kV2 960kVA = 30,25Ω Mit Hilfe der Impedanz und des Stromes lässt sich nun die Blindleistung über den einzelnen Strang bestimmen und anschließend die gesamte Blindleistung des Transformators ermitteln. QStr.Trafo = IStr2 Z1K =18,37A 2 *30,25Ω=10,21kvar https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 16
Qges.Trafo = 3 QStr= 3*10,21kvar= 30,63kvar Diese muss nun noch zu der geforderten Blindleistung hinzu addiert werden. QALM=Qkomp+Qges.Trafo=700kvar+30,63kvar=730,63kvar Als Nächstes ist nun zu bestimmen, wie hoch sich die Spannung auf der Sekundärseite des Transformators anheben lässt. Um dieses auszurechnen, nehmen wir die Formeln des Kapp`schen Dreiecks. Als erstes wird der Wert u R bestimmt. ur = Pk Sn = 11kW 960kVA = 0,0114 Nachdem u R bestimmt wurde lässt sich jetzt auch noch u x bestimmen. ux = uk 2 ur 2 = 0,06 2 0,0114 2 = 0,059 Setzt man nun diese beiden Werte in die Gleichungen ein und berücksichtig man, dass bei der kapazitiven Blindleistung der Winkel -90 hat, so kommen wir auf die folgenden Ergebnisse. u`φ(φ) = u x *sin φ + u R cos φ u`φ(φ) = 0,059*( 1) + 0,0114 0 = 0,059 u``φ(φ) = u x *cos φ u R sin φ u``φ(φ) = 0,059*0 0,0114 ( 1) = 0,0114 a = S S n = 730,63kvar 960kVA =0,76 u φ (a, φ) a u`φ(φ) + 0,5 0,01*(a u``φ(φ)) 2 u φ (a, φ) 0,76 ( 0,059) + 0,5 0,01*(0,76 0,0114) 2 = -0,045 U 2 = U 2n (1 u φ (a, φ)) U 2 = 420V (1 ( 0,045) =438,9V https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 17
Zulässiger Netzstrom 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,00 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 cosφ Wird das ALM mit einem reinen Blindstrom betrieben, kommt es zu einem Derating von 25%. Das bedeutet, dass bei einem Strom von 961,76A, das ALM einen Nennstrom AC seitig von mindestens 1283A aufnehmen muss. Das ALM mit der MLFB 6SL3330-7TE41-4AA3 hat einen Nennstrom von 1405A und würde somit die Blindleistung liefern. https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 18
Beispiel 2: Es soll in der überlagerten Spannungsebene eine induktive Blindleistung von 500kvar kompensiert werden und gleichzeitig soll eine Wirkleistung von 650kW aufgenommen werden. Hierfür wird das ALM übererregt betrieben und verhält sich dadurch wie ein Kondensator. Der Transformator hat die folgenden Daten: Transformator Primär Spannung U 1 Sekundär Spannung U 2 6,3kV 720V uk 6% Scheinleistung S n Leerlaufverluste P o Kurzschlussverluste P k 0,96MVA 1,9kW 9,4kW Leerlauf Strom I o 3,3A In diesen Berechnungsschritten wird aus der Scheinleistung der Strom bestimmt. Mit dem Strom und der Impedanz des Transformators lässt sich nun die Blindleistung bestimmen, die im Transformator verbleibt. Diese Blindleistung muss zu den 500kvar addiert werden. Ebenfalls wird noch der Winkel zwischen Wirkund Blindleistung bestimmt. https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 19
Aus der Scheinleistung und dem Winkel, lässt sich nun die Spannung auf der Sekundärseite des Transformators bestimmten. Aus der Spannung auf der Sekundärseite des Transformators und der Scheinleistung lässt sich nun der Strom bestimmen. https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 20
Es wurde zu Beginn ein cos von 0,77 ermittelt. Um nun das richtige ALM auszuwählen, geht man in die Derating Kurve und bekommt einen Derating Faktor von 0,87. Somit muss das ALM einen Nenneingangsstrom von 760A liefern. Das bedeutet, dass das ALM mit 1,1 MW und der MLFB 6SL3330-7TG41-0AA3 für diese Anwendung geeignet ist. https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 21
Durch die erhöhte Netzspannung ist zu prüfen, wie weit die Zwischenkreisspannung ansteigt. Dieses ist vor allem wichtig, damit das Isolationssystem des Motors nicht überbeansprucht wird. Ebenfalls ist es wichtig, dass die maximale Spannung für ein du/dt Filter bei Dauerbetrieb von1080v (690V Gerät) nicht überschritten wird. Kommt es zu einer dauerhaften Erhöhung der Spannung, kann ein solcher Filter nicht verwendet werden. Zusätzlich sollte man die 230V über eine USV bereitstellen. https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 22
3.3 Hard- und Software-Komponenten 3.3.1 SINAMICS HW Komponenten Wird die Applikation Blindstromkompensation in Verbindung mit einem SINAMICS S150 genutzt, dann ist aus dem Katalog D21.3 nicht ersichtlich, welches Active Line Modul (ALM) hier verbaut ist. Die Typleistungsangabe bezieht sich nur auf das Motor Modul des SINAMICS S150. Nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht über das verbaute ALM im SINAMCIS S150. SINAMCIS S150 Leistung Motormodul [kw] Spannungsebene 380V bis 480V Leistung ALM [kw] Eingangs-Bemessungsstrom I N ALM [A] 110 132 210 132 132 210 160 235 380 200 235 380 250 300 490 315 380 605 400 500 840 450 500 840 560 630 985 710 900 1405 800 900 1405 Leistung Motormodul [kw] Spannungsebene 500V bis 690V Leistung ALM [kw] Eingangs-Bemessungsstrom I N ALM [A] 75 150 140 90 150 140 110 150 140 132 150 140 160 330 310 200 330 310 250 330 310 315 330 310 400 630 575 450 630 575 560 630 575 710 800 735 800 1100 1025 900 1100 1025 1000 1100 1025 https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 23
Leistung Motormodul [kw] Leistung ALM [kw] Eingangs-Bemessungsstrom I N ALM [A] 1200 1400 1270 Übersicht gilt nur wenn Option L04 nicht ausgewählt wurde. Hinweis: Weitere Geräte als S120 ALM: https://w3app.siemens.com/mcms/infocenter/dokumentencenter/ld/infocenterlangu agepacks/katalog-d21-3/sinamics-s120-s150-katalog-d21-3-de-2014.pdf Zusatz HW: VSM 10 Stepdown Transformator für die Spannungserfassung an der Mittelspannungsebene Stromwandler passend zu dem Gerätestrom (VSM 10) 3.3.2 SW Komponenten Diese Anwendung kann mit der Standard S120 SW realisiert werden. Zusätzlich wird eine SW Lösung mit SINAMICS DCC benötigt, um ggf. die Netzdaten zu ermitteln und den Blindstromsollwert zu generieren. Beispiel Projekt mit SINAMICS DCC: http://support.automation.siemens.com/ww/view/de/57886317 https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 24
4 Ansprechpartner 4 Ansprechpartner Siemens AG Industry Sector PD LD S SAPP 2 Vogelweiherstr. 1-15 90441 Nürnberg https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/105643094, V1.0, 10/2016 25