Experimentieren Sie mit virtuellen Testständen im:



Legen Sie Antriebe aus mit:

Auslegung elektrischer Antriebe

 

Auswahl der Netzeinspeisung

Auslegung nach Summe der Bemessungsleistungen

Ein sehr einfacher Ansatz zur Auslegung der Einspeisung besteht darin, die Bemessungsleistungen der am Zwischenkreis angeschlossenen Wechselrichter oder Pulssteller zu addieren und die Summenleistung als erforderliche Bemessungsleistung für die Einspeisung zu verwenden. Die Einspeisung wird so gewählt,

• dass ihre Bemessungsleistung über der Summe der Bemessungsleistungen der Wechselrichter oder Pulssteller liegt
  
  

  PB>PB1+PB2+PB3+...	mit:	PB:	Bemessungsleistung der Einspeisung
  		PBn:	Bemessungsleistungen der am Zwischenkreis angeschlossenen Wechselrichter oder Pulssteller

  
  
• und ihre Maximalleistung über der Summe der Maximalleistungen der Wechselrichter oder Pulssteller liegt
  

Pmax>Pmax1+Pmax2+Pmax3+...	mit:	Pmax:	Maximalleistung der Einspeisung
		Pmaxn:	Maximalleistungen der am Zwischenkreis angeschlossenen Wechselrichter oder Pulssteller

Diese Vorgehensweise führt sehr schnell und eindeutig zur Auswahl einer Einspeisung. Allerdings lässt sie völlig außer Betracht, dass die einzelnen Wechselrichter oder Pulssteller nur in seltenen Fällen zur gleichen Zeit mit ihrer Bemessungsleistung betrieben werden. Typisch ist eher ein zeitlicher Versatz der Lastspiele und eine Kompensation von generatorischer und motorischer Belastung im Zwischenkreis. Die einfache Addition der Bemessungsleistungen führt deshalb in den meisten Fällen zu einer Überdimensionierung der Einspeisung, die unwirtschaftlich ist. Durch eine Betrachtung der einzelnen Lastspiele und die Ermittlung des tatsächlichen Leistungsbedarfs kann die Auslegung der Einspeisung optimiert werden.

Auslegung nach Lastspiel

Das für die Einspeisung relevante Lastspiel ergibt sich aus den Einzellastspielen der angeschlossenen Antriebe. Die Vorgehensweise zur Ermittlung des relevanten Lastspiels ist im folgenden Bild für einen Antriebsverband mit 3 Antriebsachsen dargestellt. Angenommen wird eine Anwendung, bei der verschiedene Positioniervorgänge ablaufen

Für jede Achse wird aus dem Drehzahl- und Drehmomentverlauf die benötigte Wirkleistung als Funktion der Zeit ermittelt. Die Wirkleistung ergibt sich zu:

P = M * ω + PVerluste

Berücksichtigt werden

• die an der Motorwelle abgegebene Leistung
• und die im Motor und im Wechselrichter bzw. Pulssteller umgesetzte Verlustleistung

Die Verlustleistung lässt sich einfach aus den gegebenen Werten der Wirkungsgrade η berechnen. Damit ergibt sich:

P = M * ω * 1/ηMotor * 1/ηWechselrichter

Die Summe der Wirkleistungen aller Antriebe ergibt den Leistungsverlauf, der im Zwischenkreis tatsächlich anfällt. Wie zu erkennen ist, fallen sowohl motorische (Einspeiseleistung) als aus generatorische Leistungsanteile (Bremsleistung) an. Je nach Ausführung der Einspeisung müssen die für die Auslegung relevanten Leistungsanteile bestimmt werden:

• Für Einspeisungen, die nicht rückspeisefähig sind, wird lediglich die Einspeiseleistung berücksichtigt. Die Bremsleistung muss nicht von der Einspeisung sondern von einem Bremschopper aufgebracht werden.
• Bei Einspeisungen, die rückspeisefähig sind, wird der Absolutbetrag der Summenleistung für die Auslegung berücksichtigt. Einspeise- und Bremsleistung gehen in die Auslegung ein. Die Bremsleistung wird von der Einspeisung in das Netz zurückgespeist. Der Begriff "Einspeisung" ist hier etwas irreführend. Eigentlich müsste man in diesem Fall von Ein-/Rückspeiseeinheiten sprechen.

Ist das relevante Lastspiel ermittelt, ist für die folgenden Auslegungsschritte die Unterscheidung der Lastspiele nach "kurzen" und "langen" Lastspielen sinnvoll.

Auslegung bei "kurzen Lastspielen"

Ein "kurzes Lastspiel" ist dann gegeben, wenn die Dauer des Lastspiels kleiner als ein Zehntel der thermischen Zeitkonstante der Einspeisung ist.

TLastspiel < 0,1Tth

Dann tritt innerhalb eines Lastabschnittes keine wesentliche Temperaturänderung der Einspeisung ein und man kann von einer mittleren Belastung bzw. mittleren Erwärmung ausgehen. Die tatsächlich erreichte Maximaltemperatur der Einspeisung weicht nur unwesentlich von der mittleren Temperatur ab. Die Auslegung erfolgt dann über die Effektivleistung Peff, die die Einspeisung in gleicher Weise erwärmt wie die tatsächlich umgesetzte Leistung.

Die Effektivleistung Peff ist nach folgender Formel zu berechnen:

Da die Leistung innerhalb eines Lastabschnitts nicht konstant ist, wird mit der Formel

P = 0,5(Pa+Pe)

mit:

Pa: Pe:

Leistung am Anfang des Lastabschnittes Leistung am Ende des Lastabschnittes

ein Mittelwert bestimmt.

Die Einspeisung wird nun so ausgewählt,

• dass ihre Bemessungsleistung über der Effektivleistung des Lastspiels liegt
  
  

  PB > Peff

  mit:

  PB:

  Bemessungsleistung der Einspeisung

  
  
• und ihre Maximalleistung größer als die im Lastspiel auftretende Maximalleistung ist.
  

Pmax > Pmax_L

mit:

Pmax: Pmax_L:

Maximalleistung der Einspeisung Maximale Summenleistung innerhalb des Lastspiels

 

Auslegung bei "langen Lastspielen"

Die Bedingungen für "kurze Lastspiele" sind nicht in allen Anwendungsfällen gegeben. Erforderlich sind deshalb auch Auslegungsrichtlinien für "lange Lastspiele". "Lange Lastspiele" sind definiert durch:

TLastspiel > 0,1Tth.

Bei diesen Lastspielen erwärmt sich die Einspeisung innerhalb des Lastspiels temporär auf eine Temperatur, die deutlich über der mittleren Temperatur liegt. Die innerhalb des Lastspiels auftretende Maximaltemperatur kann deshalb nicht vernachlässigt werden. Entspricht die mittlere Temperatur der nominellen Erwärmung, würden die auftretenden Temperaturspitzen zur Abschaltung der Einspeisung durch ihre integrierte Temperaturüberwachung führen.

Um die Einspeisung für "lange Lastspiele" auszuwählen, zerlegt man das Lastspiel in kurze Einzellastspiele, für die jeweils wieder die Bedingung

TLastspiel < 0,1Tth

gilt. Für jedes Einzellastspiel wird die Effektivleistung Peff berechnet. Die Einspeisung wird nun so ausgewählt,

• dass ihre Bemessungsleistung über der maximal ermittelten Effektivleistung liegt
  
  

  PB > Peff_max

  mit:

  PB: Peff_max:

  Bemessungsleistung der Einspeisung Maximale Effektivleistung eines Einzellastspiels

  
  
• und ihre Maximalleistung größer als die im Lastspiel auftretende Maximalleistung ist.
  

Pmax > Pmax_L

mit:

Pmax: Pmax_L:

Maximalleistung der Einspeisung Maximale Summenleistung innerhalb des Lastspiels

Bei der Auswahl der Einzellastspiele innerhalb des gesamten Lastspiels ist ein gewisses Augenmaß erforderlich. Oft ist auf einen Blick schon erkennbar, in welchem Zeitabschnitt die maximale Erwärmung der Einspeisung auftreten wird und wo das für die Auslegung entscheidende Einzellastspiel liegt. Dann berechnet man nur für dieses Einzellastspiel die Effektivleistung und wählt die Einspeisung entsprechend aus.
Ist eine eindeutige Identifikation des prägenden Einzellastspiels nicht möglich, definiert man einen Zeitabschnitt mit einer maximalen Länge von 0,1Tth, verschiebt diesen Zeitabschnitt in kleinen Schritten über das Lastspiel und berechnet für jede Lage des Zeitabschnitts die Effektivleistung. Die größte ermittelte Effektivleistung wird dann zur Auslegung der Einspeisung verwendet.

Die geschilderte Vorgehensweise führt immer zu einer Auslegung, die die Einspeisung thermisch nicht überlastet. Bei "langen Lastspielen" mit Betriebs- und Pausenzeiten größer als 0,1Tth kann diese Methode jedoch zu einer sehr starken Überdimensionierung führen. Die Auslegung ist dann zwar aus thermischer Sicht korrekt aber nicht mehr wirtschaftlich. In diesem Fall ist eine Simulation der tatsächlich auftretenden Erwärmung zu empfehlen.

Hinweis:
Zu beachten ist, dass sich Änderungen und zeitliche Verschiebungen der Einzellastspiele sehr stark auf die Summenleistung und damit auf die Auslegung der Einspeisung auswirken können. Da solche Änderungen während der Entwicklung und Inbetriebsetzung von neuen Maschinen durchaus die Regel sind, ist die Berücksichtigung von entsprechenden Sicherheitsfaktoren bei der Auslegung der Einspeisung sehr zu empfehlen.
Insbesondere sind alle Betriebsarten der Maschine oder Anlage zu betrachten. So können besondere Betriebszustände wie z. B.

• das gleichzeitige Hochfahren oder Stillsetzen aller Antriebe
• oder der Schnellhalt bei Notsituationen

für die Auslegung der Einspeisung entscheidend sein.

 

Berücksichtigung der maximalen Zwischenkreiskapazität

Ein besonderer Zustand tritt für die Einspeisung nach dem Zuschalten der Netzspannung ein. Dann werden über die in der Einspeisung integrierte Vorladeschaltung die Zwischenkreiskondensatoren aller angeschlossenen Wechselrichter bzw. Pulssteller geladen. Der dabei fließende Ladestrom ist abhängig von Anzahl und Größe der am Zwischenkreis angeschlossenen Stellgeräte. Um die Vorladeschaltung der Einspeisung nicht zu überlasten, muss die Einspeisung so ausgelegt werden, dass die Summe der Kapazität aller am Zwischenkreis angeschlossenen Stellgeräte die maximal zulässige Kapazität der Einspeisung nicht überschreitet.

Cmax>C1+C2+C3+...

mit:

Cmax: Cn:

Maximal zulässige Kapazität am Zwischenkreis Kapazität des Stellgerätes n