Entwicklung der elektrischen Antriebe für diskontinuierliche

Entwicklung der elektrischen Antriebe für
diskontinuierliche Zuckerzentrifugen – speziell
aus dem Hause Siemens – in den letzten 75 Jahren (2. Teil)
Development of electrical drives for discontinuous sugar centrifuges
– especially from Siemens – over the last 75 years (2nd Part)
Siegfried Pusch und Roland Sauer
Fortsetzung aus dem Augustheft, S. 515–520
5 Umrichtergespeiste Drehstromantriebe
5.1 Umrichtergespeiste Drehstromantriebe
mit CSI-Umrichter SIMOVERT A
Durch die ständige Weiterentwicklung der Halbleiter wurden auch
wirtschaftliche Antriebskonzepte für geregelte Drehstromantriebe
entwickelt, wobei für Zentrifugenantriebe anfangs dem CSI-Umrichter (Current Source Inverter [Stromzwischenkreisumrichter])
der Vorzug gegeben wurde, bedingt durch den generatorischen
Bremsbetrieb. Die ersten Umrichter dieser Art wurden 1981 geliefert (Reihe 6SC21), ab 1985 kamen diese Antriebe dann verstärkt
zur Anwendung mit einer neuen Umrichterreihe 6SC22 ebenfalls
in analoger Steuerungs- und Regelungstechnik (siehe Abb. 15).
Da beim Bremsen das Vorzeichen der Leistung umgekehrt werden
muss, kann dies über die Spannung U oder über den Strom I erreicht werden, da die Beziehung P ~ U · I gilt. Der einfachere Weg
war über die Umkehr der Spannung, da hier lediglich den Steuerwinkel der Einspeise-/Rückspeiseeinheit in den Bereich >90°
verschoben werden muss, womit die Spannung negativ wird, während bei der Umkehr des Stromes ein zusätzlicher Stromrichter für
den generatorischen Betrieb benötigt wird. Da außerdem die Umrichterantriebe auch in Fabriken mit schlechten Netzverhältnissen
betriebssicher arbeiten müssen, war der CSI-Umrichter in diesem
Fall aufgrund der großen Zwischenkreisdrossel unempfindlicher.
Der PWM-Umrichter in der normalen Ausführung ist aufgrund der
starren Zwischenkreisspannung kritischer (siehe Abs. 5.2). Speziell im Feldschwächbereich, wo der Motor seine volle elektromotorische Kraft (EMK) hat, sind Netzspannungseinbrüche oder ein
Netzspannungsausfall im Bremsbetrieb besonders kritisch, da der
Motor als Generator arbeitet und das Netz über die Einspeise-/
Rückspeiseeinheit die Gegenspannung zur EMK des Motors bildet. Es gilt die Beziehung für den Netzstrom während des generatorischen Bremsens:
I ~ (E – U)/ΣZ
I
E
U
Z
Netzstrom
EMK des Motors ( Generators)
Gegenspannung, gebildet durch die Einspeise-/Rückspeiseeinheit aus der Netzspannung
Summe der Widerstände im Kreis
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Wie daraus zu ersehen ist, steigt der Strom I sehr stark, wenn die
Netzspannung U ausfällt oder stark einbricht. Da die Einspeise-/
Rückspeiseeinheit mit netzgeführten Thyristoren arbeitet, kann diese Schaltung erst nach der Stromführungsdauer eines Thyristors
von 120° reagieren, was bei einem 50-Hz-Netz eine theoretische
Verzögerungszeit von max. 6,66 ms bedeutet, ohne die weiteren
Verzögerungen durch Steuersatz, Regelung und Übertragungsglieder einzurechnen.
Der umrichtergespeiste Drehstromantrieb mit CSI-Umrichter hat
jedoch entscheidende Vorteile gegenüber dem geregelten Gleichstromantrieb und zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:
– kein Frischluftsystem oder Filter für die Motoren erforderlich,
– einfacher und robuster Aufbau der Normmotoren in Schutzart
IP55,
– Unempfindlichkeit der Motoren gegen Umgebungsbedingungen,
– nahezu wartungsfrei durch Wegfall von wartungsintensiven Teilen wie Bürsten & Kommutator,
– Motor mit wartungsfreiem Drehimpulsgeber mit 1024 I/Umdrehung zur Drehzahlistwerterfassung,
– netzgeführte Einspeise-/Rückspeiseeinheit 6-pulsig mit Thyristoren,
– selbstgeführter Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung (6
Thyristoren, 6 Entkopplungsdioden und 6 Kommutierungskondensatoren),
– gepulster Betrieb im Drehzahlbereich <5 Hz, damit hohe Rundlaufgüte auch bei kleinen Drehzahlen,
– kippsichere, feldorientierte Lastwinkelregelung mit hoher Dynamik als Drehzahlregelung,
– große Zwischenkreisdrossel zur Entkopplung zwischen Einspeise-/Rückspeiseeinheit und Wechselrichter,
– Fangschaltung für Zuschaltung auf den drehenden Antrieb nach
Netzausfall.
Kennzeichen des CSI-Umrichters bzw. Stromzwischenkreisumrichters ist es, dass unabhängig von der Drehzahl der Zwischenkreisstrom und damit der Netzstrom bei gleichem Moment konstant
gehalten wird, was aufgrund der Beziehung P ~ U · I bedeutet,
dass beim Anfahren – bei geringer Wirkleistung – die Spannung
gegen Null gehen muss, d.h. der Eingangsstromrichter arbeitet dabei etwa mit einem Steuerwinkel nahe 90°. Bezogen auf das Netz
sind die Verhältnisse bei dem CSI-Umrichter daher im Prinzip ähnlich wie bei einem geregelten Gleichstromantrieb, da beide im Eingang mit einer 6-pulsigen thyristorgespeisten Drehstrombrückenschaltung B6C arbeiten. Bei der Schaltung des Wechselrichters
(Phasenfolgelöschung) ist der Motor Bestandteil des Kommutie569
5.2 Umrichtergespeiste Drehstromantriebe
mit Standard-PWM-Umrichter
Abb. 15: Zentrifugenanlage mit umrichtergespeisten Drehstrommotoren CSI-Umrichter 6SC22, Zentrifugen 1500 kg/Charge, Lieferung 1987/88
rungskreises, daher ist der Feldschwächbereich auf etwa 120 % der
Bemessungsdrehzahl des Motors begrenzt, da mit höher werdender
Ständerfrequenz die zur Verfügung stehende Kommutierungszeit
je Thyristor immer kürzer wird. Der ungünstigste Betriebspunkt ist
das Zentrifugieren bei max. Drehzahl, da hier fast nur der niedrige
Leerlaufstrom des Motors fließt, so dass die Kommutierungskondensatoren in dieser Zeit aufgrund dieses niedrigen Stromes nicht
mehr genügend hoch aufgeladen werden können, d.h. damit ist eine
ordnungsgemäße Kommutierung des Wechselrichters bei höheren
Schleuderdrehzahlen als etwa 120 % der Bemessungsdrehzahl des
Motors nicht mehr gewährleistet.
Zunächst waren diese Umrichter noch mit analogem Steuer- und
Regelteil ausgeführt. Mit der Einführung der neuen Umrichterreihe
6SC23 mit digitaler Regelung und Steuerung auf Mikroprozessorbasis ab 1990 boten sich erheblich mehr Möglichkeiten, z.B.
– digitale feldorientierte Vektorregelung als Drehzahlregelung,
– Selbstoptimierungsprogramm mit eigenständiger Einstellung
der Regelungsparameter,
– Selbstparametrierung der Motorparameter über ein eigenständiges Mess- und Auswertprogramm,
– Anpassung der Funktionen über Parameter in der Software,
– Bedienerführung, Meldungen und Diagnose über Klartext am
Display des Umrichters in verschiedenen Sprachen,
– vier Kenndatensätze für den Hochlaufgeber mit unterschiedlich
parametrierbaren Eigenschaften,
– Kommunikationsfähigkeit über serielle Schnittstelle,
– umfangreiche Diagnose- und Schutzeinrichtungen,
– erheblich größere zur Verfügung stehende Datenmenge, über
Parameter auslesbar.
Ab 1996 kam eine neue Generation von Stromzwischenkreisumrichtern der Reihe 6SC24 zum Einsatz. Von dieser Umrichterreihe
wurde allerdings nur eine kleine Stückzahl geliefert, da zu diesem
Zeitpunkt bereits die Umstellung der Technik auf PWM-Umrichter
erfolgte (s. Abs. 5.3). Von den Stromzwischenkreisumrichtern wurden einige hundert Stück bis zum Jahre 2000 geliefert.
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Im Gegensatz zum CSI-Umrichter ist bei dieser Umrichtertype
nicht der Zwischenkreisstrom, sondern die Zwischenkreisspannung konstant, was bedeutet, dass während des generatorischen
Bremsens beim PWM-Umrichter (Pulse Width Modulation [Pulsbreitenmodulation bzw. Spannungszwischenkreisumrichter]) nicht
das Vorzeichen der Spannung sondern das des Stromes umgekehrt
werden muss. Das bedeutet, dass ein 2. Stromrichter im Eingang
benötigt wird, der die kinetische Energie des Motors ins Netz zurückspeist. Beide Stromrichter haben eine vollgesteuerte 6-pulsige
Thyristorbrücke.
Im motorischen Betrieb wird die Zwischenkreisspannung auf den
vollen Wert aufgeladen, entsprechend 1,35 · Netzspannung (wie bei
einer Diodenbrücke). Damit die volle Zwischenkreisspannung auch
im generatorischen Betrieb aufgrund der Wechselrichtertrittgrenze
aufrecht erhalten werden kann, muss die Rückspeiseeinheit mit einer
Spannung von 120 % der Netzspannung versorgt werden. Deshalb
wird in den Zweig der Rückspeiseeinheit ein Spartransformator eingefügt, der die Netzspannung um +20 % anhebt, womit auch eine
größere Sicherheit bei Netzspannungseinbrüchen gegeben ist.
Soll auf den Spartransformator verzichtet werden, muss sowohl
im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb mit gesenkter Zwischenkreisspannung gefahren werden, womit die Umrichterausgangsspannung und folglich die Motorspannung auf etwa 80 % der
Netzspannung begrenzt wird. Damit wird der Einsatzpunkt für den
Beginn der Feldschwächung herabgesetzt, womit sich eine längere
Beschleunigungs- und Bremszeit ergibt.
Die Nachteile des CSI-Umrichters – wie hohe Oberschwingungsströme, Kommutierungsspannungseinbrüche und die Gefahr der
Resonanz – bleiben jedoch bestehen. Allerdings ist der GesamtLeistungsfaktor λ – verglichen mit dem Gleichstromantrieb und
dem CSI-Umrichter – wesentlich besser, im Motorbetrieb etwa
0,93, im Bremsbetrieb etwa 0,8 (mit Spartransformator, bei gesenkter Zwischenkreisspannung wird der Gesamt-Leistungsfaktor
noch schlechter).
Diese Umrichter werden von Siemens nicht für Zentrifugenantriebe eingesetzt, sondern generell PWM-Umrichter mit Active
Front End (AFE), deshalb wird nicht näher auf diesen Umrichtertyp eingegangen.
5.3 Umrichtergespeiste Drehstromantriebe
mit PWM-Umrichter und AFE
Diese Antriebe sind seit etwa 1998 der Standardantrieb für Zuckerzentrifugen, bekannt unter dem Namen SIMOVERT MASTERDRIVES VC mit AFE (Abb. 16).
Diese Umrichter haben sowohl in der Einspeise-/Rückspeiseeinheit
als auch im Wechselricher im Leistungsteil IGBTs (Isolated Gate
Bipolar Transistoren). Der wesentliche Unterschied zum vorhergehenden Umrichter besteht in der Einspeise-/Rückspeiseeinheit mit
AFE (Active Front End) und einem vorgeschaltetem LCL-Netzfilter (Clean Power Filter) zur Minimierung der Netzrückwirkungen,
die praktisch nicht mehr vorhanden sind. Die Einspeise-/Rückspeiseeinheit dieses Umrichters arbeitet mit Selbstkommutierung im
Gegensatz zur normalen Drehstrombrückenschaltung mit Thyristoren, die netzgeführt ist (siehe Abb. 17).
Der Umrichter mit AFE arbeitet mit einer Taktfrequenz von 3 kHz
in der Einspeise-/Rückspeiseeinheit, kann damit also wesentlich
schneller z.B. auf Netzspannungsschwankungen reagieren als eine
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Abb. 16: Zentrifugenanlage mit SIMOVERT MASTERDRIVESUmrichterantrieben, Zentrifugen mit 2100 kg/Charge, Lieferung
2003
Abb. 17: Prinzipschaltbild des SIMOVERT MASTERDRIVES
VC mit AFE, ohne Wechselrichter
Thyristorbrücke. Damit ist die Beschädigung von
Leistungsbauteilen bei generatorischem Bremsen
im Feldschwächbetrieb und Netzspannungsausfall
infolge Wechselrichterkippen wie bei den vorher
beschriebenen regelbaren Antrieben praktisch ausgeschlossen, wie die Erfahrungen von über 10 Jahren
weltweiten Einsatzes zeigen.
Die erzeugten Oberschwingungsströme in der Einspeise-/Rückspeiseeinheit dieses Umrichters mit
max. 2–3 % für die 5. Oberschwingung sind vernachlässigbar gegenüber den Werten bei einem normalen
Umrichter mit Drehstrombrückenschaltung über
Thyristoren von ca. 30–40 %. Durch den Spannungshochsetzbetrieb des AFE wird eine höhere Umrichterausgangsspannung erreicht und damit eine höhere
Motorspannung, womit der Einsatzpunkt der Feldschwächung angehoben und damit eine Reduzierung
der Beschleunigungs-/Bremszeit erreicht wird.
Aufgrund des Zyklusbetriebes eines Zentrifugenantriebes ist ein
wesentlicher Punkt in der Auslegung der Antriebe die Überlastfähigkeit des Umrichters. Da der Motor in den technologischen Abschnitten von Füllen, Zentrifugieren bei max. Drehzahl und Ausräumen thermisch nur gering belastet wird, kann der Motor in den
Abschnitten Beschleunigen und Bremsen überlastet werden, da für
die thermische Auslastung des Motors nur der Effektivwert des
Stromes je Zyklus maßgebend ist. Da die thermische Zeitkonstante
des Motors jedoch wesentlich größer ist als die des Umrichters,
ist der Engpass für den Zentrifugenantrieb der Umrichter. Bei den
Siemens-Umrichtern ist eine Überlastfähigkeit des Umrichters bis
zum 1,5-fachen des Grundlaststromes für 60 s zulässig, der in der
Regel dem Motor-Bemessungsstrom entspricht. Falls bei anderen
Herstellern auf dem Markt diese Überlastfähigkeit nicht gegeben
ist, muss bei gleicher Chargenzahl/h der Umrichter entsprechend
größer ausgelegt werden, was damit die Antriebskosten nicht unerheblich erhöht.
Wie aus dem Schrieb der Abbildung 18 zu erkennen ist, beträgt der
max. Ausgangsstrom des 250-kW-Umrichters in diesem Fall 675 A
(möglich sind 694 A) bei einem Bemessungsstrom von 460 A für
den 250-kW-Motor. Gegenüber dem Standard-PWM-Umrichter
und dem CSI-Umrichter weist dieser Umrichter folgende entscheidende Vorteile und Merkmale auf:
– Gesamt-Leistungsfaktor λ = 1 für motorischen und generatorischen Betrieb,
– nahezu sinusförmige Ströme und Spannungen mit vernachlässigbaren Oberschwingungsanteilen,
– dadurch keine verdrosselten Kondensatorregelanlagen/Filterkreise erforderlich
– dadurch Verwendung von normalen Verteilungstransformatoren,
– keine Bauteileschäden im Leistungsteil bei Netzspannungseinbruch im Bremsbetrieb durch aktive Abschaltung,
– geringerer Netzstrom, da keine Blindleistung vorhanden,
– keine Kommutierungsspannungseinbrüche,
– wesentlich dynamischer als eine Thyristorbrücke in der Einspeise-/Rückspeiseeinheit,
– Möglichkeit der Leistungsfaktorverbesserung für andere Antriebe durch Bereitstellung kapazitiver Blindleistung,
– die Zwischenkreisspannung wird geregelt, unabhängig von
Netzspannungsschwankungen,
Abb. 18: Drehzahl (Ist- und Sollwert) und Stromverlauf (Netzstrom/AFE-Gesamtstrom und Motorstrom/WR-Gesamtstrom) eines Zyklus für eine 1750-kg‑Zentrifuge, Leistung 25 Chargen/h bei voller Trommel, normaler Ausräumer
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– Anheben des Einsatzpunktes für die Feldschwächung, dadurch
höhere Leistung der Motoren,
– Anzeige der Motor-Ist-Temperatur sowie Einstellung über Parameter von Ansprechtemperatur für Warnung und Abschaltung,
– große Anzahl von freien Funktionsbausteinen wie z.B. Technologieregler, Grenzwertbausteine, Multiplizierer usw.,
– Möglichkeit eines wassergekühlten Umrichters für erschwerte
Umgebungsbedingungen.
Für die Projektierung und Inbetriebnahme stehen die erforderlichen Werkzeuge zur Verfügung, die diese Tätigkeiten wesentlich
vereinfachen wie Projektierungswerkzeug PFAD, Inbetriebnahmewerkzeug DRIVE MONITOR und Engineering-Werkzeug DRIVE
ES für Steuerungsfunktionen zwischen Antrieb und SIMATIC S7.
Das Bedienen und Beobachten des Umrichters kann erfolgen
– vor Ort über das Bedienfeld OP1S,
– über die Steuerklemmenleiste mittels analoger und digitaler
Signale,
– über serielle Schnittstelle PROFIBUS DP,
– über TELESERVICE für Ferndiagnose.
Eine weitere technische Möglichkeit besteht darin, dass für die
Umrichter bei einer größeren Anzahl von Zentrifugenantrieben
eine gemeinsame Zwischenkreissammelschiene (DC-Schiene)
aufgebaut wird. In diesem Fall genügt eine Einspeise-/Rückspeiseeinheit mit AFE und eine zweite als Standby. An der DC-Schiene
sind die erforderlichen Wechselrichter entsprechend der Anzahl
der Motoren angeschlossen. Aufgrund der Anfahrverriegelung der
Antriebe untereinander ist bei so einer Lösung der maximale Gesamtstrom vom/zum Netz der geliefert/rückgespeist wird normalerweise nicht höher als der Netzstrom eines einzelnen Antriebes,
bedingt durch den Energieausgleich der Antriebe über die gemeinsame DC-Schiene (s. Abb. 19). Dadurch wird der Aufwand für die
Einspeisung erheblich minimiert, d.h. es ist nur noch ein Abgang
in der NSP-Verteilung und ein Einspeisekabel vorzusehen und der
Platzbedarf für die Umrichter wird im Vergleich zu Einzelumrichtern deutlich reduziert.
Sollen einzelne Wechselrichter oder auch die Einspeise-/Rückspeiseeinheit im Störungsfall oder zu Reparaturarbeiten bei spannungsführender DC-Schiene freigeschaltet werden, sind Gleichstromschaltgeräte und eine Vorladeschaltung für die Zwischenkreiskondensatoren der Wechselrichter erforderlich wie die Abbildung 20
zeigt. Entscheidend für die Auslegung der Einspeise-/Rückspeiseeinheit ist der worst case, d.h. wie viel Antriebe gleichzeitig beschleunigen und bremsen müssen.
Wird fortgesetzt
Abb. 19: Gesamtstrombedarf einer Einspeisung im verriegeltem
Betrieb mit 4 Antrieben je 385 kW/8 p/690 V/Zentrifuge, 2100 kg/
Charge, 24 Chargen/h
Abb. 20: Prinzipschaltbild von Zentrifugenantrieben mit gemeinsamer DC-Schiene
Anschrift der Verfasser: Siegfried Pusch, Wildentenweg 20, D-91056 Erlangen; e-mail: [email protected]; Roland Sauer, Sales
Manager, Siemens AG, I IA AS PA DS S, Frauenauracher Str. 85, D-91056 Erlangen, Germany; e-mail: [email protected]
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