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  • Antriebstechnik \ Antriebsautomatisierung \ Systemintegration \ Services

    Handbuch

    Frequenzumrichterbetrieb an Notstromgeneratoren

    Ausgabe 07/2012 20014937 / DE

  • SEW-EURODRIVEDriving the world

  • Handbuch Frequenzumrichterbetrieb an Notstromgeneratoren 3

    Inhaltsverzeichnis

    Inhaltsverzeichnis1 Einleitung............................................................................................................. 4

    2 Besonderheiten im Inselnetz ............................................................................. 52.1 Generatoreigenschaften im Vergleich zum Transformator ......................... 62.2 Kurzschluss-Schutz bei Generatorbetrieb .................................................. 72.3 Blindstromkompensation bei Generatorbetrieb........................................... 72.4 Parallelbetrieb von Generatoren ................................................................. 7

    3 Betrieb nichtlinearer Lasten am Generator im FU-Betrieb.............................. 83.1 Netzeigenschaften nichtlinearer Verbraucher............................................. 83.2 Auslegungsvariante fr nichtlineare Lasten oder fr starke

    Lastschwankungen ..................................................................................... 9

    4 Rckspeisung am Generator ........................................................................... 10

    5 bersicht ber mgliche Anlagenkonstellationen ........................................ 125.1 Anbindung ber Mittelspannungsnetz und Transformator ........................ 125.2 Notstromaggregat auf der Niederspannungsseite .................................... 125.3 Einspeisung ber Mittelspannung............................................................. 13

    5.3.1 Direkte Einspeisung auf Mittelspannungsebene........................ 135.3.2 Einspeisung auf Mittelspannungsebene ber

    Anpasstransformator ................................................................. 13

    6 Literaturhinweise .............................................................................................. 14

    7 Ansprechpartner bei SEW-EURODRIVE ......................................................... 15

  • 4

    1 inleitung

    1 Einleitung

    Anlagenbetreiber, vor allem in der Logistikbranche, erwgen immer fter den Einbaueiner Notstromversorgung, um auch bei Energieausfall ihre Anlage weiterbetreiben zuknnen. Meistens kommen Synchrongeneratoren mit Dieselmotor zur Anwendung, beikleineren Leistungen kommen auch Benzinmotoren zum Einsatz. Der Leistungsbereicherstreckt sich von einigen kVA bis zu 1500 2500 kVA.

    Der Betrieb der Anlage mit verminderter Leistung wird dabei bereits einkalkuliert, da derGenerator oft nur einen Teilbereich der installierten Netzeinspeiseleistung abdeckt.

    Die Anforderungen an Generatoren haben sich im Lauf der Zeit gendert: Lagen frherhautschlich ohmisch-induktive Lasten mit sinusfrmigen Strmen vor, sind heutzutageviele nichtlineare Verbraucher wie Frequenzumrichter, Leuchtmittel und USV-Anlagenzu versorgen. Die Eigenschaften dieser Lasten mssen in die Projektierung des Gene-rators einflieen.

    E

    Handbuch Frequenzumrichterbetrieb an Notstromgeneratoren

  • 2Besonderheiten im Inselnetz

    2 Besonderheiten im Inselnetz

    Der Betrieb an einem Generator ohne weitere Netzanbindung wird als Inselnetzbetriebbezeichnet. Im Gegensatz zum ffentlichen Verbundnetz, wo eine sehr hohe Span-nungs- und Frequenzstabilitt herrscht, knnen beim Inselnetz bei Belastungsnde-rungen deutlich hhere Spannungs- und Frequenzschwankungen auftreten. Die Ursa-che liegt darin, dass die abverlangte Leistung in einer Anlage deutlich nher an derNennleistung des Aggregats liegt. Beim Verbundnetz verteilen sich dagegen auch sehrgroe Leistungssprnge auf eine Vielzahl von Generatoren und haben so nur geringeAuswirkungen.

    Ein Lastsprung kann zu einem Spannungseinbruch und einem Frequenzeinbruch aufder Verbraucherseite fhren. Dieser Effekt wird von der Spannungsregelung des Gene-rators und der Drehzahlregelung des Verbrennungsmotors ausgeglichen. Der Aus-gleich unterliegt einem Zeitverhalten der Regelung.

    Groe dynamische Lastsprnge knnen auch die berstromberwachung des Genera-tors auslsen.

    Ein Lastabwurf kann zu einer Frequenz- und zu einer Spannungserhhung fhren, daeinerseits die Kraftstoffzufuhr gedrosselt werden muss, andererseits der Erregerstromim Generator einige Zeitkonstanten zum Abklingen bentigt.

    Die Spannungs- und Frequenzqualitt des Verbundnetzes kann bei Generatorbetriebnicht immer garantiert werden. Der Betreiber muss damit rechnen, dass die zulssigenGrenzen fr Spannungs- und Frequenzabweichungen berschritten werden oder dassdie Schutzeinrichtungen des Generators diesen abschalten.

    Auf der Umrichterseite kann sich dies durch Netz- oder Zwischenkreisfehlermeldungenauswirken.

    Sternpunktbehandlung:Der Sternpunkt des Generators sollte so geschaltet sein, dass das Netz die gleichenEigenschaften wie bei Netzbetrieb aufweist.

    Wurde das vorhandene Netz als IT-Netz betrieben, kann der Sternpunkt frei bleiben;wurde das Netz als TT-/TN-Netz betrieben, muss der Generatorsternpunkt auch an PEangebunden werden.

    Einschaltreihenfolge:Der Notstromgenerator sollte immer zuerst im Leerlauf hochgefahren und dann die Ver-braucher sukzessiv zugeschaltet werden.

    Handbuch Frequenzumrichterbetrieb an Notstromgeneratoren

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    2 eneratoreigenschaften im Vergleich zum Transformatoresonderheiten im Inselnetz

    2.1 Generatoreigenschaften im Vergleich zum TransformatorGeneratoren haben im Vergleich zum Transformator einen hheren Innenwiderstand.Dies bedeutet, dass der innere Spannungsfall deutlich hher ist und der Generator imVergleich zu einer Transformatoreinspeisung ein weicheres Verhalten zeigt.

    Zur Berechnung der Netzimpedanz werden bei Transformatoren die Nennleistung,Nennspannung und die Kurzschluss-Spannung bentigt. Damit kann die Kurzschlus-simpedanz des Transformators berechnet werden.

    Im Folgenden wird der Unterschied zwischen Generator und Transformator mit Hilfeeiner Vergleichsrechnung gezeigt:

    STr = 630 kVA; UN = 400V; uk = 6%

    Bei 400 V Sekundrspannung hat dieser Transformator eine Kurzschlussimpedanz von15 m.

    Bei Synchrongeneratoren gilt die gesttigte Subtransiente Lngsreaktanz xd'' als Ver-gleichswert. Der Wert liegt in der Regel zwischen 8 % und 16 % und ist dem Datenblattdes Generators zu entnehmen.

    Ein Generator mit 630 kVA Nennleistung und xd'' mit 11,5 % hat bei 400 V eine Impe-danz von 29 m, also den doppelten Wert des Transformators mit gleicher Leistung.

    Geht man dann noch zustzlich davon aus, dass ein im Vergleich zum Transformatorkleinerer Generator vorgesehen wird, z. B. 400 kVA, steigt die Netzimpedanz auf46 m. Das entspricht ca. der 3-fachen Trafoimpedanz.

    Z UuS

    Z VVA

    Z m

    Tr Nk

    Tr

    Tr

    Tr

    =

    =

    =

    2

    2400 0 06630000

    15 2

    ( ) .

    .

    Z U xdS

    Z VVA

    Z m

    GN

    G

    G

    =

    =

    =

    2

    2400 0 115630000

    29

    "

    ( ) .

    HINWEISEin Generator hat einen hheren inneren Spannungsfall als ein leistungsgleicherTransformator. Aus diesem Grund sollte immer ein Generator mit mglichst niedrigemxd'' projektiert werden, um diesen Effekt mglichst gering zu halten.

    GB

    Handbuch Frequenzumrichterbetrieb an Notstromgeneratoren

  • 2Kurzschluss-Schutz bei GeneratorbetriebBesonderheiten im Inselnetz

    2.2 Kurzschluss-Schutz bei GeneratorbetriebIm Kurzschlussfall gibt es einige Besonderheiten zu beachten:

    Bei Generatorbetrieb sind die Kurzschluss-Strme infolge der hohen Eigenimpedanzund der Verkettung der magnetischen Flsse kleiner als beim Transformator und zudemmit der Zeit stark abklingend. Die Ursache liegt darin, dass der Kurzschluss-Strom einGegenfeld zum Erregerfeld ausbildet. Dadurch klingt der zuerst auftretende Stokurz-schluss-Strom nach einigen 100 ms auf einen im Vergleich zu Transformatoren relativkleinen Dauerkurzschluss-Strom ab.

    Durch die Spannungsregelung des Generators kann ein Dauerkurzschluss-Strom vonca. 2 5-fache Generatornennstrom flieen. Damit sind herkmmliche Schutzeinrich-tungen wie Sicherungen oder Leistungsschalter nur bedingt geeignet, da diese Ele-mente zum sofortigen Auslsen einen deutlich hheren Kurzschluss-Strom bentigen.Besser geeignet sind Leistungsschalter, die ber berstrom-Zeitrelais ausgelst wer-den.

    2.3 Blindstromkompensation bei GeneratorbetriebBei Generatorbetrieb ist die Spannungswelligkeit meistens hher als bei Netzbetrieb.Dies stellt eine zustzliche Belastung fr die Kondensatoren dar.

    Der Einsatz einer Kompensation am Generator muss geprft werden. UnverdrosselteKompensationen sollten bei Generatorbetrieb abgeschaltet werden.

    2.4 Parallelbetrieb von GeneratorenWerden mehrere Generatoren zu Leistungserhhung im Parallelbetrieb gefahren, ms-sen sowohl die Generatoren (geeignete Wicklung) als auch die Regelung fr denParallelbetrieb geeignet sein.

    Ist dies nicht der Fall, muss man mit erhhten Ausgleichsstrmen zwischen den Gene-ratoren rechnen.

    Handbuch Frequenzumrichterbetrieb an Notstromgeneratoren

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    3 etzeigenschaften nichtlinearer Verbraucheretrieb nichtlinearer Lasten am Generator im FU-Betrieb

    3 Betrieb nichtlinearer Lasten am Generator im FU-Betrieb3.1 Netzeigenschaften nichtlinearer Verbraucher

    Frequenzumrichter stellen aufgrund der oberwellenbehafteten Netzstrme erhhte An-forderungen an die Generatoren. Der Oberwellengehalt (THD) liegt dabei fr 3-phasigeSEW-Umrichter mit B6-Brcke je nach Leistung und Zwischenkreis-Kapazitt typischer-weise zwischen 35 und 45 %.

    Bei Dreiphasengerten kommen Oberwellen mit 5. / 7. / 11. / 13.