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Applikation zur Antriebstechnik

Projektierung des Bremschopperbetriebs

Applikationsbeschreibung für SINAMICS G120 und MICROMASTER 440

Gewährleistung, Haftung und Support

Projektierung des Bremschopperbetriebs ID-Nr: 22101908

Version 1.2 Ausgabe März 2008 2/28

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Hinweis Die Applikationsbeispiele sind unverbindlich und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit hinsichtlich Konfiguration und Ausstattung sowie jeglicher Eventualitäten. Die Applikationsbeispiele stellen keine kundenspezifische Lösungen dar, sondern sollen lediglich Hilfestellung bieten bei typischen Aufgabenstellungen. Sie sind für den sachgemäßen Betrieb der beschriebenen Produkte selbst verantwortlich. Diese Applikationsbeispiele entheben Sie nicht der Verpflichtung zu sicherem Umgang bei Anwendung, Installation, Betrieb und Wartung. Durch Nutzung dieser Applikationsbeispiele erkennen Sie an, dass Siemens über die beschriebene Haftungsregelung hinaus nicht für etwaige Schäden haftbar gemacht werden kann. Wir behalten uns das Recht vor, Änderungen an diesen Applikationsbeispielen jederzeit ohne Ankün-digung durchzuführen. Bei Abweichungen zwischen den Vorschlägen in diesen Applikationsbeispiel und anderen Siemens Publikationen, wie z.B. Katalogen, hat der Inhalt der anderen Dokumentation Vorrang.

Gewährleistung, Haftung und Support

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 grober 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.

Copyright© 2008 Siemens A&D. Weitergabe oder Vervielfältigung dieser Applikationsbeispiele oder Auszüge daraus sind nicht gestattet, soweit nicht ausdrücklich von Siemens A&D zugestanden. Bei Anregungen zu diesem Beitrag wenden Sie sich bitte über folgende E-Mail-Adresse an uns:

mailto:[email protected]

Vorwort

Projektierung des Bremschopperbetriebs ID-Nr: 22101908

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Vorwort

Ziel der Applikation Bei Applikationen, wo Lasten dynamisch bewegt oder abgesenkt werden, bzw. größere Schwungmassen abgebremst werden, fällt zeitweise eine generatorische Leistung an. Der Motor arbeitet dabei als Generator und liefert die Energie über den umrichterinternen Wechselrichter in den Zwischenkreis zurück. Dies hat ein Ansteigen der Zwischenkreisspannung zur Folge. Um einen zu hohen Anstieg der Zwischenkreisspannung und eine damit verbundene Störabschaltung zu vermeiden, sind im Umrichter MM440 und SINAMICS G120 mit PM240 Funktionen enthalten, die die Zwischenkreisspannung in einem zulässigen Bereich halten. Eine dieser Funktionen ist der in der Gehäusegröße A-F (0,12 – 75kW) im Standard integrierte Bremschopper, der bei einem generatorischen Betrieb des Motors die Bremsenergie in einen angeschlossenen Bremswiderstand abführt. In der folgenden Applikationsbeschreibung werden Informationen zur Funktionsweise des Bremschoppers und Projektierung des generatorischen Bremsbetriebs gegeben.

Abgrenzung Diese Applikation enthält keine Beschreibung

• des Inbetriebnahmetools STARTER 4.1.1

• der Grundinbetriebnahme des Umrichters

• der Inbetriebnahme übergeordneter Steuerungen

Grundlegende Kenntnisse über diese Themen werden voraus gesetzt.

Referenz zum Automation and Drives Service & Support Dieser Beitrag stammt aus dem Internet Applikationsportal des Automation and Drives Service & Support. Durch den folgenden Link gelangen Sie direkt zur Downloadseite dieses Dokuments.

http://support.automation.siemens.com/WW/view/de/22101908

Projektierung des Bremschopperbetriebs

Inhaltsverzeichnis

Projektierung des Bremschopperbetriebs ID-Nr: 22101908

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Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis......................................................................................................... 4

1 Funktionsweise des Bremschoppers im MM440 und SINAMICS G120 mit PM240.......................................................................................................... 5

1.1 Ansprechschwelle des Bremschoppers.......................................................... 10 1.2 Lastspiele und Belastbarkeit des Bremschoppers.......................................... 10

2 Projektierung des Bremsbetriebs ............................................................... 13 2.1 Maximale Bremsleistung................................................................................. 13 2.2 Mittlere Bremsleistung .................................................................................... 14 2.3 Hinweise zu den Spalten 1 – 8 der Tabellen 1 und 2 ..................................... 18 2.4 Beispiel zur Berechnung und Überprüfung der maximalen und mittleren

Bremsleistung ............................................................................................ 19 2.4.1 Überprüfung der maximalen Bremsleistung:................................................... 20 2.4.2 Überprüfung der mittleren Bremsleistung: ...................................................... 21 2.5 Ablaufdiagramm.............................................................................................. 22 2.6 Bremswiderstände .......................................................................................... 24 2.6.1 Anschluss des Bremswiderstands .................................................................. 25 2.6.2 Thermischer Schutz des Bremswiderstands .................................................. 26 2.7 Betrieb zusammen mit anderen Bremsarten .................................................. 26 2.8 Zwischenkreisspannungsregler ...................................................................... 26 2.9 Zusammenfassung von Umrichter Parametern, die für den generatorischen

Betrieb wichtig sind .................................................................................... 27

3 Literaturhinweise .......................................................................................... 28 3.1 Literaturangaben............................................................................................. 28 3.2 Historie............................................................................................................ 28

Projektierung des Bremschopperbetriebs

Funktionsweise des Bremschoppers im MM440 und SINAMICS G120 mit PM240

Projektierung des Bremschopperbetriebs ID-Nr: 22101908

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1 Funktionsweise des Bremschoppers im MM440 und SINAMICS G120 mit PM240

Der Bremschopper im MM440 und SINAMICS G120 mit PM240 besteht im Wesentlichen aus einem IGBT-Transistor. Ist der Bremsbetrieb über den Umrichterparameter P1237 aktiviert, so schaltet sich der Bremschopper beim generatorischen Betrieb des Motors, bei einem bestimmten Wert der Zwischenkreisspannung, selbständig zu. Oberhalb dieser Chopper-Einschaltschwelle UDCChopper wird der Zwischenkreis mit einem externen Bremswiderstand über den getakteten Bremstransistor verbunden (siehe Bild 1). Während der Zeit, in der der Bremstransistor leitend ist, wird

im Bremswiderstand eine Leistung von dsBremswider

dsBremswider RUDCChopperP

tan

2

maxtan =

vernichtet. Der Bremschopper wird mit einer Frequenz von 2 kHz gepulst, dies entspricht einer Periodendauer von 500µs (siehe Bild 2).

B-

=~

~

B+ / DC+

=

~

MM440

Bremswiderstand

Chopper-Steuerung

Bild 1: Prinzipieller Aufbau des Umrichters MM440 und G120 mit Bremschopper (beim G120 mit PM240 heißen die Anschlussklemmen für den Bremswiderstand DCP/R1 und R2).

Projektierung des Bremschopperbetriebs

Funktionsweise des Bremschoppers im MM440 und SINAMICS G120 mit PM240

Projektierung des Bremschopperbetriebs ID-Nr: 22101908

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tUDC

t

UDC, Chopper

UDC, ist

Chopperaktiv

t

t Chopper, ON

Choppert f1 =Chopper

Hz 2000

1 =t

f

Bild 2: Taktung des Bremschoppers beim generatorischen Betrieb mit dem eingestellten Lastspiel

Beim generatorischen Betrieb des Motors und steigender Zwischenkreisspannung UDC schaltet sich der Bremschopper bei der Chopper-Einschaltschwelle UDCChopper selbstständig zu. Ist die momentan vom Motor in den Umrichterzwischenkreis zurückgeführte generatorische Leistung kleiner als die in den Bremswiderstand abgeführte Leistung an der Chopper-Einschaltschwelle, so sinkt die Zwischenkreisspannung wieder unter die Chopper-Einschaltschwelle und der Bremschopper schaltet sich nach 2ms wieder ab. Beim anschließenden Wiederanstieg der Zwischenkreisspannung schaltet sich der Bremschopper wieder zu und der Vorgang wiederholt sich (siehe Bild 3).

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f

tUDC

t

UDC, ist

t2ms

UDC, Chopper

Chopperaktiv

Bild 3: Chopperbetrieb bei geringer generatorischer Leistung

Ist die momentan vom Motor zurückgeführte Bremsleistung größer als die in den Bremswiderstand an der Chopperschwelle abgeführte Bremsleistung, so steigt die Zwischenkreisspannung trotz zugeschaltetem Bremswiderstand weiter, bis zu einem Punkt, an dem die Zwischenkreisspannung der zurückgeführten Bremsleistung entspricht. Bei diesem Wert pendelt sich die Zwischenkreisspannung bei einer weiterhin anstehenden Bremsleistung ein und der Bremschopper ist permanent durchgesteuert (siehe Bild 4). Dieser „Vollblockbetrieb“ wird wegen der Taktung des Bremschoppers mit 2 kHz nach 500µs nur für ca. 10µs kurz unterbrochen. Anschließend wiederholt sich der Vorgang wieder entsprechend. Die kurze Unterbrechung des „Vollblockbetriebs“ für 10µs kann allerdings vernachlässigt werden und wird deshalb in den Bildern nicht berücksichtigt.

Dieser „Vollblockbetrieb“ kann dann für eine maximale Zeitdauer t ON benutzt werden, die von der Höhe des eingestellten Lastspiels in P1237 abhängig ist (siehe Bild 6).

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f

tUDC

t

UDC, ist

tz.B. 5s

UDC, Chopper

Chopperaktiv

Bild 4: Chopperbetrieb bei stärkerer generatorischer Leistung, z.B. aufgrund hoher Lastträgheitsmomente

Nach Ablauf der maximalen Zeitdauer t ON für den „Vollblockbetrieb“ geht der Umrichter zum thermischen Schutz des angeschlossenen Bremswiderstands in das mit P1237 eingestellte Lastspiel über. Das Lastspiel wird dann durch das Verhältnis der Einschaltzeit ChopperONt zur

Chopperzykluszeit Choppert (= 500µs) gebildet. Bei einem in P1237

eingestellten Lastspiel von z.B. 5% ist die Einschaltzeit ChopperONt demnach 25µs (siehe Bild 5).

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f

tUDC

t

UDC, ist

t12s

UDC, Chopper

Chopperaktiv

25µs

500µst

Bild 5: Beispiel für den „Vollblockbetrieb“ mit anschließendem Lastspiel 5%

Der max. Wert für die Zwischenkreisspannung im Bremsbetrieb ist die Umrichter-Überspannungs-Abschaltschwelle maxUDC , die in den Tabellen 1 und 2 für den jeweiligen Umrichter aufgeführt sind. Hierzu kann auch die maximal mögliche abzuführende Bremsleistung berechnet werden:

min

2

maxtanmax

RUDCP dsBremswider =

Dieser Wert ist allerdings ein Spitzenwert, der in der Praxis wegen der Nähe zur Überspannungs-Abschaltschwelle nicht voll ausgenutzt werden kann. Für einen sicheren Bremsbetrieb mit ausreichendem Abstand zur Überspannungs-Abschaltschwelle muss von dieser maximalen Bremsleistung maxtan dsBremswiderP noch 5% abgezogen werden. Oberhalb der Chopper-Einschaltschwelle UDCChopper ist noch ein Übergangsbereich vorhanden, in dem der Bremschopper, abhängig von der Höhe der Zwischenkreisspannung, das Ein- zu Ausschaltverhältnis während der Chopperzykluszeit Choppert (= 500µs) linear bis zu einem Wert von 100% erhöht. Der Zwischenkreisspannungsbereich UDCΔ für diesen Übergang ist für die Geräte mit einer Netzanschlussspannung von

• 1/3AC 200-240V gleich DC 9,8V

• 3AC 380-480V gleich DC 17,0V

• 3AC 500-600V gleich DC 21,3V

Dieser Übergangsbereich oberhalb der Chopper-Einschaltschwelle UDCChopper wird zur Vereinfachung jedoch vernachlässigt.

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1.1 Ansprechschwelle des Bremschoppers

Die Einschaltschwelle für den Bremschopper UDCChopper wird im Umrichter MM440 und G120 mit PM240 automatisch nach jedem Netzzuschalten ermittelt. Ein entsprechender Referenzwert wird in Parameter r1242 hinterlegt. Die Einschaltschwelle für den Bremschopper UDCChopper beträgt hierbei 98% des ermittelten Referenzwertes in Parameter r1242 ( 124298,0 rUDCChopper ∗= ). Die automatische Ermittlung des Zwischenkreisspannungsreferenzwertes r1242 kann über Parameter P1254 auch abgewählt werden. Die Einsatzschwelle für den Bremschopper UDCChopper ist dann von dem Parameter P0210 (Netzspannung) abhängig:

0210213,1 PUDCChopper ∗∗=

Die Höhe des Wertes für die Einsatzschwelle des Bremschoppers UDCChopper bestimmt nicht die maximal mögliche Bremsleistung des Umrichters, da die Zwischenkreisspannung bei einer entsprechend hohen Bremsleistung des Motors während des Betriebs des Bremschoppers noch weiter ansteigen kann.

1.2 Lastspiele und Belastbarkeit des Bremschoppers

Zum Schutz des angeschlossenen Bremswiderstands muss am Umrichter MM440 und G120 mit PM240 über Parameter P1237 ein Lastspiel für den Bremsbetrieb vorgegeben werden. Für die im Katalog DA51.2 dem Umrichter MM440 und im Katalog D11.1 dem G120 mit PM240 zugeordneten Bremswiderstände gilt ein zulässiges Lastspiel von 5%. Der im Umrichter MM440/G120 integrierte Bremschopper kann dauerhaft mit

der maximalen Bremsleistung min

2

maxtanmax

RUDCP dsBremswider =

(siehe Tabelle 1 und 2) belastet werden. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass der Umrichter diese Leistung über seinen Wechselrichter führen kann (Überlastfähigkeit des Umrichters) und der angeschlossene Bremswiderstand für diese Leistung ausgelegt ist. Ist die maximale Umrichterleistung (Überlastfähigkeit 200% für 3s) kleiner als die maximale Bremsleistung des integrierten Bremschoppers maxtan dsBremswiderP , so ist diese Leistung die maximal erreichbare Bremsleistung.

Bei der Einstellung eines bestimmten Lastspiels für den Bremsbetrieb in P1237 (z.B. 5% für den Betrieb der MM440/G120 Bremswiderstände) kann der Bremschopper bei einer entsprechend großen Bremsleistung für die maximale Zeitdauer ONt mit der maximalen Bremsleistung maxtan dsBremswiderP bremsen. Nach Ablauf dieser Zeit wird das eingestellte Lastspiel (z.B. 5%)

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durch das Ein- zu Ausschaltverhältnis während der Chopperzykluszeit Choppert (= 500µs) erzwungen (siehe Bild 5). Ist dann die tatsächliche

Bremsleitung höher als es dem eingestellten Lastspiel entspricht, so würde die Zwischenkreisspannung ansteigen und der Umrichter am Zwischenkreisüberspannungs-Abschaltpunk mit einer Fehlermeldung abschalten. In diesem Fall ist mit einem geeigneten Bremswiderstand ein höheres Lastspiel im Parameter P1237 einzustellen.

Bei einem einmaligen Bremsvorgang kann mit der maximalen Bremsleistung maxtan dsBremswiderP für die maximale Zeitdauer ONt und anschließend mit der Dauerleistung dmittelsBremswiderP tan gebremst werden. Bei zyklischen Vorgängen muss nach einem Bremsen mit der maximalen Bremsleistung maxtan dsBremswiderP für die maximale Zeitdauer ONt erst eine Pausenzeit OFFt eingehalten werden, bevor wieder mit der maximalen Bremsleistung maxtan dsBremswiderP gebremst werden kann (siehe Bild 6).

Je nach Einstellung des Lastspiels in Parameter P1237 ergeben sich unterschiedliche Werte für die maximale Zeitdauer ONt mit maximaler Bremsleistung maxtan dsBremswiderP , der Pausenzeit OFFt und der Lastspieldauer

ercycleChoppt . Im Bild 6 sind die entsprechenden Werte dargestellt, die für die Projektierung des Bremsbetriebs zugrunde gelegt werden müssen.

t

tcycle Chopper

PWiderstand max

tON tOFF

P1237 t ON t OFF t cycle Chopper

5 % 12.0 228.0 240.0 0.05

10 % 12.6 114.0 126.6 0.10

20 % 14.2 57.0 71.2 0.20

50 % 22.8 22.8 45.6 0.50

100 % Infinite 0 Infinite 1.00

PWiderstand mittel

PWiderst.mittel

Bild 6: Einschalt- und Pausenzeit ( ONt und OFFt ) sowie Lastspieldauer ercycleChoppt in

Abhängigkeit des Parameters P1237; ONt , OFFt und ercycleChoppt in (s).

Das oben genannte Bremsprofil beschreibt nur die maximale Belastbarkeit des Bremschoppers in Abhängigkeit des in Parameter P1237 eingestellten Lastspiels zum Schutz des angeschlossenen Bremswiderstands. In der Praxis stellt sich aber, je nach Art der Applikation, ein anderer zeitlicher Ablauf des Bremsbetriebs ein. Die Überprüfung, ob mit dem Umrichter

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dieses applikationsspezifische Bremsprofil erreicht werden kann, wird im Folgenden beschrieben.

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2 Projektierung des Bremsbetriebs

Bei der Projektierung des Bremsbetriebs muss zuerst die maximale und mittlere Bremsleistung für die Applikation ermittelt werden. Hierzu kann z.B. das Programm SIZER ab Version 2.1 verwendet werden. Dabei ist zu beachten, dass das Programm SIZER eine Lastspieldauer von 90s bei der Berechnung der mittleren Bremsleistung für die Applikation zugrunde legt. Ist die Lastspieldauer, die sich aus dem gewählten Lastspiel mit Parameter P1237 ergibt, größer als 90s, so kann die mittlere Bremsleistung aus dem Programm SIZER übernommen werden. Dies ist bei einem gewählten Lastspiel von 5% ( ercycleChoppt = 240s) und 10% ( ercycleChoppt = 126,6s) gewährleistet. Bei einem gewählten Lastspiel von ≥ 20% in Parameter P1237 ist die Lastspieldauer ercycleChoppt kleiner als 90s und somit kann der Wert aus dem Programm SIZER zur Überprüfung der mittleren Bremsleistung nicht verwendet werden (siehe Bild 6).

2.1 Maximale Bremsleistung

Hierbei muss überprüft werden, ob die maximal auftretende Bremsleistung bei der Applikation maxApplP in den Bremswiderstand abgeführt werden kann. Dabei muss folgende Bedingung erfüllt sein:

maxtanmax dsBremswiderBremsAppl PP ≤

maxBremsApplP

Maximal auftretende Spitzenbremsleistung bei der Applikation

maxtan dsBremswiderP

Maximal mögliche Spitzenbremsleistung des Bremschoppers mit dem ausgewählten Bremswiderstand (siehe Tabelle 1 und 2)

Die maximal mögliche Spitzenbremsleistung des Bremschoppers maxtan dsBremswiderP ist vom Widerstandswert des angeschlossenen

Bremswiderstands abhängig. Sie berechnet sich aus:

dsBremswiderdsBremswider R

UDCP

tan

2

maxtanmax

=

Wie vorher schon beschrieben, ist dieser Wert ein Spitzenwert, der in der Praxis wegen der Nähe zur Überspannungs-Abschaltschwelle nicht voll

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ausgenutzt werden kann. Für einen sicheren Bremsbetrieb mit ausreichendem Abstand zur Überspannungs-Abschaltschwelle muss von dieser maximalen Bremsleistung maxtan dsBremswiderP noch 5% abgezogen werden.

Zum Schutz des Choppertransistors ist ein minimaler Widerstandswert minR einzuhalten (siehe Tabelle 1 und 2). Die mit diesem minimalen

Widerstandswert erreichbare Spitzenbremsleistung des Bremschoppers maxtan dsBremswiderP ist somit ein Maximalwert.

Voraussetzung bei der Ausnutzung der maximalen Spitzenbremsleistung des Bremschoppers ist, dass der maximale Umrichterausgangsstrom (Überlaststrom) durch den generatorischen Betrieb des Motors nicht erreicht wird. Die Überlastfähigkeit des Umrichters MM440 und SINAMICS G120 mit PM240 für die Gehäusegrößen A-F sind:

Für MM440:

• 2,0 x Umrichter - Bemessungsausgangsstrom für 3s alle 300s

• 1,5 x Umrichter - Bemessungsausgangsstrom für 60s alle 300s

Für SINAMICS G120 mit PM240:

• 2,0 x Umrichter - Bemessungsausgangsstrom für 3s alle 300s

• 1,5 x Umrichter - Bemessungsausgangsstrom für 57s alle 300s

Der bei der Applikation auftretende maximale Motorstrom kann z.B. mit dem Programm SIZER berechnet werden.

2.2 Mittlere Bremsleistung

Die Überprüfung der mittleren Bremsleistung dient in erster Linie zum thermischen Schutz des angeschlossenen Bremswiderstands. Die im Katalog DA51.2 für den MM440 und im Katalog D11.1 für den G120 mit PM240 zugeordneten Bremswiderstände haben eine mittlere Bremsleistung von ca. 5% der maximalen Bremsleistung (siehe Tabelle 1 und 2). Ist diese mittlere Bremsleistung des MM440/G120 Bremswiderstands für die Applikation zu gering, so kann durch die Verwendung von 4 MM440/G120 Bremswiderständen die verfügbare Dauerbremsleistung auf 20% der maximalen Bremsleistung erhöht werden. Dazu werden die Bremswiderstände gemäß Bild 7 angeschlossen.

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Chopper-Steuerung

B-B+

R

P1237 = 1(5 %)

Chopper-Steuerung

B-B+

R

P1237 = 3(20 %)

R

R R

Bild 7: Erhöhung der Dauerbremsleistung mit 4 MM440/G120 Bremswiderständen (beim G120 mit PM240 heißen die Anschussklemmen für die Bremswiderstände DCP/R1 und R2)

Alternativ dazu können auch andere Bremswiderstände, z.B. aus dem MASTERDRIVES Produktspektrum verwendet werden. Bei entsprechender Auslegung der Bremswiderstände kann die mittlere Bremsleistung bis auf 100% der maximalen Bremsleistung gesteigert werden. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass dabei der Umrichter-Bemessungsausgangsstrom nicht überschritten wird. Mit dem Parameter P1237 können die im Bild 6 gezeigten Lastspiele eingestellt werden. Bei einem Lastspiel von z.B. 5% beträgt somit die mittlere zulässige Bremsleistung dmittelsBremswiderP tan ca. 5% der maximalen Bremsleistung. Der Umrichter überwacht im Betrieb die Belastung des Bremswiderstands und begrenzt diese auf den eingestellten Wert. Mit der Einstellung des Lastspiels und somit der mittleren zulässigen Bremsleistung in P1237 wird auch die Lastspieldauer ercycleChoppt des Bremschoppers verändert (siehe Bild 6). Ist die Lastspieldauer der Applikation cycleApplt kleiner als die Lastspieldauer ercycleChoppt des Bremschoppers, so kann die mittlere Bremsleistung der Applikation

ittelBremsApplmP direkt mit der mittleren zulässigen Bremsleistung

dmittelsBremswiderP tan verglichen werden:

ercycleChoppcycleAppl tt ≤

dmittelsBremswiderittelBremsApplm PP tan≤

Bei einer größeren Lastspieldauer der Applikation cycleApplt

( ercycleChoppcycleAppl tt > ) muss ein Zeitabschnitt mit der Dauer von ercycleChoppt aus dem Applikationslastspiel herausgesucht werden, bei dem der Mittelwert der Bremsleistung ittelBremsApplmP am größten ist. Dieser Wert für

ittelBremsApplmP wird dann zur Überprüfung herangezogen.

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Copyright © Siemens AG 2008 All rights reserved PDF_Projektierung_Bremschopperbetriebsde_V1_2_de.doc

1 2 3 4 5 6 7 8 MM440-Brems-

Widerstand Bestell-Nr 6SE6400-

Umrichter-gehäuse-größe

Umrichter-eingangs-spannung

(V)

Umrichter-leistung

CT (kW)

Dauerbrems-leistung

(W)

Maximale Bremsleistung

(W)

MM440- Brems-widerstands-

wert /

Rmin (Ω)

Maximale Zwischenkreis-

spannung UDC max

(V)

4BC05-0AA0 A 200 - 240 0.12 - 0.75 50 980 180 420 4BC11-2BA0 B 200 – 240 1.1 - 2.2 120 2600 68 420 4BC12-5CA0 C 200 – 240 3.0 250 4500 39 420 4BC13-0CA0 C 200 – 240 4.0 - 5.5 300 6500 27 420 4BC18-0DA0 D 200 – 240 7.5 - 15.0 800 16800 10 410 4BC21-2EA0 E 200 – 240 18.5 - 22.0 1200 24700 6.8 410 4BC22-5FA0 F 200 - 240 30.0 - 45.0 2500 51000 3.3 410 4BD11-0AA0 A 380 - 480 0.37 - 1.5 100 1800 390 840 4BD12-0BA0 B 380 – 480 2.2 - 4.0 200 4400 160 840 4BD16-5CA0 C 380 – 480 5.5 - 11.0 650 12600 56 840 4BD21-2DA0 D 380 – 480 15.0 - 22.0 1200 24900 27 820 4BD22-2EA0 E 380 – 480 30.0 - 37.0 2200 44800 15 820 4BD24-0FA0 F 380 - 480 45.0 - 75.0 4000 82000 8.2 820 4BE14-5CA0 C 500 - 600 0.75 - 5.5 450 8600 120 1020 4BE16-5CA0 C 500 – 600 7.5 - 11.0 650 12700 82 1020 4BE21-3DA0 D 500 – 600 15.0 - 22.0 1300 26700 39 1020 4BE21-9EA0 E 500 – 600 30.0 - 37.0 1900 38500 27 1020 4BE24-2FA0 F 500 - 600 45.0 - 75.0 4200 86700 12 1020

Tabelle 1: Technische Daten zum Bremschopperbetrieb mit dem MM440/G120 für die Gehäusegrößen A-F (Leistung 0,12 bis 75kW)

Projektierung des Bremschopperbetriebs

Projektierung des Bremsbetriebs

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Für den SINAMICS G120 mit PM240 gibt es für die Baugröße B einen speziellen Bremswiderstand mit den folgenden Daten:

1 2 3 4 5 6 7 8

G120-Brems-Widerstand Bestell-Nr

6SL3201-

Umrichter- gehäuse-

größe

Umrichter- eingangs- spannung

(V)

Umrichter- leistung

CT

(kW)

Dauerbrems- leistung

(W)

Maximale Bremsleistung

(W)

Bremswider- standswert

Rmin

(Ω)

Maximale Zwischenkreis-

Spannung UDC max

(V)

0BE12-0AA0 B 380 - 480 2.2 – 4.0 200 4000 160 840

Tabelle 2: Technische Daten zum Bremswiderstand für SINAMICS G120, speziell für die Baugröße B.

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2.3 Hinweise zu den Spalten 1 – 8 der Tabellen 1 und 2

Spalte:

1) Bestell-Nummer des zugeordneten MM440/G120 Bremswiderstands

2) Betreffende Gehäusegröße der Umrichter

3) Umrichtereingangsspannung

4) Leistungsbereich der Umrichter für die jeweilige Gehäusegröße

5) Dauerbremsleistung dmittelsBremswiderP tan des zugeordneten MM440/G120 Bremswiderstands mit einer Lastspieldauer von 240s.

6) Maximal erreichbare Spitzenbremsleistung maxtan dsBremswiderP des integrierten Bremschoppers. Dieser Spitzenwert wird jedoch nur erreicht, wenn die Zwischenkreisspannung während des Bremsvorgangs aufgrund einer hohen abzuführenden Bremsleistung bis zur Abschaltschwelle des Umrichters ansteigt. In der Praxis kann der in Spalte 6 angegebene Wert wegen der Nähe zur Überspannungs-Abschaltschwelle nicht voll ausgenutzt werden. Für einen sicheren Bremsbetrieb mit ausreichendem Abstand zur Überspannungs-Abschaltschwelle muss von dieser maximalen Bremsleistung maxtan dsBremswiderP noch 5% abgezogen werden. Die maximale Spitzenbremsleistung des integrierten Bremschoppers wird begrenzt von der jeweiligen maximalen Umrichterleistung (Überlastfähigkeit 200% für 3s und 150% für 60s bei MM440, beim G120 liegt die Überlastfähigkeit bei 200% für 3s und 150% für 57s). Der integrierte Bremschopper kann mit der angegebenen Spitzenbremsleistung auch dauerhaft belastet werden. Dieser Wert wird jedoch von der maximal möglichen Dauerleistung des Umrichters begrenzt. Ferner muss ein dafür geeigneter Bremswiderstand verwendet werden.

7) Widerstandswert des zugeordneten MM440/G120 Bremswiderstands. Dies ist auch der anschließbare Mindestwiderstandswert eines verwendeten Fremdwiderstands.

8) Maximal erreichbare Zwischenkreisspannung bis zur Überspannungsabschaltung des Umrichters.

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2.4 Beispiel zur Berechnung und Überprüfung der maximalen und mittleren Bremsleistung

Ein Schleifscheibenantrieb soll von einer Drehzahl von 2900 U/min bis zum Stillstand gebremst werden (siehe Bild 8), der Einfluss der Reibung wird dabei vernachlässigt. Die weiteren Applikationsdaten sind:

Umrichter-Bemessungsleistung: kWPUmr 5,5=

Max. Bremsleistung des umrichterinternen Bremschoppers: kWP dsBremswider 6,12maxtan =

Motor-Bemessungsleistung: kWPMotorN 5,5=

Motorwirkungsgrad: 865,0=Motorη

Motornenndrehzahl: min/2925UnMotorN =

Trägheitsmoment des Motors: 2015,0 kgmJ Motor =

Trägheitsmoment der Schleifscheibe (bezogen auf den Motor): 24,0 kgmJ Schleif =

Max. Drehzahl des Motors bei der Applikation: min/2900max Un =

Bremszeit für die Schleifscheibe: stBremsAppl 5=

Lastspieldauer der Applikation: stcycleAppl 15=

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nMotor

MBrems Appl

PBrems

5s

PBrems Appl max

PBrems Appl mittel

t

15s t

t Bild 8: Verlauf des Bremsmoments und der Bremsleistung beim Applikationsbeispiel

2.4.1 Überprüfung der maximalen Bremsleistung:

Bremsmoment: ( )

BremsAppl

SchleifMotorBremsAppl t

nJJM

∗+=

55,9max

( )Nm

s

UkgmkgmM BremsAppl 2,25

555,9

min/29004,0015,0 22

=∗

∗+=

Maximale Bremsleistung: MotorBremsAppl

BremsAppl

nMP η∗

∗=

55,9max

max

kWUNm

PBremsAppl 6,6865,055,9

min/29002,25max =∗

∗=

Die Bedingung )6,12()6,6( maxtanmax kWPkWP dsBremswiderBremsAppl ≤ ist somit erfüllt.

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2.4.2 Überprüfung der mittleren Bremsleistung:

Mittlere Bremsleistung im Applikations-Lastspiel 15s:

cycleAppl

BremsApplApplApplmittel t

tPP ∗∗= max2

1

kWsskWPApplmittel 1,1

1556,6

21

=∗∗=

Mit der mittleren Bremsleistung von kWP ittelBremsApplm 1,1= und der

Lastspieldauer der Applikation stcycleAppl 15= muss nun ein geeigneter Bremswiderstand gesucht werden. Die in den Katalogen DA51.2 und D11.1 zugeordneten Bremswiderstände mit einer mittleren zulässigen Bremsleistung kWP dmittelsBremswider 65,0tan = sind für diese Anwendung zu klein. Für das Applikationsbeispiel können 4 MM440/G120 Bremswiderstände verwendet werden, die entsprechend dem Bild 7 geschaltet werden müssen. Die zulässige mittlere Bremsleistung

dmittelsBremswiderP tan ist dann kWkW 6,265,04 =∗ und somit ausreichend. Das Lastspiel am Umrichter muss im MM440 und G120 Parameter P1237 auf „3“ (20%) eingestellt werden, die daraus sich ergebende Lastspieldauer des Bremschoppers ercycleChoppt ist mit 71,2s (siehe Bild 6) größer als die

Lastspieldauer der Applikation stcycleAppl 15= . Die Bedingungen:

)2,71()15( stst ercycleChoppcycleAppl ≤ und

)6,2()1,1( tan kWPkWP dmittelsBremswiderittelBremsApplm ≤ sind somit erfüllt.

Alternativ kann auch ein anderer, einzelner Bremswiderstand verwendet werden, der die mittlere Bremsleistung abführen kann. Ein geeigneter Bremswiderstand aus dem MASTERDRIVES Produktspektrum ist der Widerstand mit der Bestellnummer 6SE7018-0ES87-2DC0. Dieser hat eine zulässige mittlere Bremsleistung von 1,25kW, einen Widerstandswert von 80Ω und eine Zykluszeit von 90s. Wegen des höheren Widerstandswerts gegenüber dem MM440/G120 Bremswiderstand (56Ω) ist eine Nachrechnung erforderlich. Die maximale Spitzenbremsleistung, die in den 80Ω Widerstand abgeführt werden kann, ist:

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kWVRUDCP

dsBremswiderdsBremswider 82,8

80840max 22

tan

2

maxtan =Ω

==

Dieser Wert ist höher als die max. Bremsleistung der Applikation (6,6kW) und somit ausreichend.

Um die mittlere Bremsleistung der Applikation kWP ittelBremsApplm 1,1= abführen zu können, ist eine Lastspieldauer von 20% in Parameter P1237 einzustellen. Die Umrichter-Lastspielüberwachung begrenzt die mittlere Bremsleistung auf 20% von maxtan dsBremswiderP (20% von 8,82kW) = 1,76kW, die bei der Applikation aber nicht erreicht wird. Da die Zykluszeit (90s) des Bremschoppers größer ist als die Lastspieldauer des Bremschoppers

ercycleChoppt (71,2s) wird dieser beim Lastspiel nicht überlastet.

Hinweise:

• Zwei in Reihe geschaltete MM440/G120 Bremswiderstände sind bei dieser Applikation nicht möglich, da der Summenwiderstand von

Ω=Ω∗ 112562 eine zu kleine maximale Spitzenbremsleistung von 6,3 kW ergeben würde.

• Die maximale Bremsleitung maxstndBremswiderP aus der Tabelle 1 und 2 wird bei dem Applikationsbeispiel nicht erreicht, sodass ein ausreichender Abstand zur Überspannungs-Abschaltschwelle gewährleistet ist.

2.5 Ablaufdiagramm

Mit Hilfe des folgenden Flussablaufplans (Bild 9) ist die Vorgehensweise bei der Kontrolle der Bremsleistungen übersichtlich dargestellt.

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Bild 9: Flussablaufplan für die Kontrolle der Bremsleistungen

Start

• Berechnung der maximal auftretenden Bremsleistung bei der Applikation PBrems Appl max • Berechnung der mittleren Bremsleistung bei der Applikation PBrems Appl mittel • Bestimmung der Spitzenbremsleistung des Bremschoppers PBremswiderstand max aus Tabelle 1

und 2 • Bestimmung der zulässigen mittleren Bremsleistung des Widerstands PBremswiderstand mittel bei

MM440/G120 Bremswiderständen. Werte aus Tabelle 1 und 2

PBrems Appl max < PBremswiderstand max

Vorgabe geänderter Applikationsdaten

möglich, z.B. längere Rücklaufzeit?

Verwendung der höheren Werte PBremswiderstand max und

PBremswiderstand mittel des leistungsstärkeren Umrichters

Verwendung eines größeren Umrichters

MM440/G120 mit einer höheren maximalen

Bremsleistung möglich?

Verwendung des MM440/G120 für die gewählte Applikation

nicht möglich.

Ende

PBrems Appl mittel < PBremswiderstand mittel

Der ausgewählte Umrichter MM440/G120 und

Bremswiderstand kann verwendet werden

Ende

Der ausgewählte Bremswiderstand kann nicht verwendet werden. Abhilfe:

• 4 MM440/G120 Bremswiderstände verwenden

Lastspiel 20% • Verwendung eines anderen

geeigneten Bremswiderstandes (z.B. aus dem MASTERDRIVES Produktspektrum)

Lastspiel bis 100% Dabei sind folgende Werte einzuhalten: • RBremswiderstand >= Rmin • PBrems Appl max <= PBresmwiderstand max • PBrems Appl mittel <= PBremswiderasnd mittel

Ende

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2.6 Bremswiderstände

Als Bremswiderstände stehen in erster Linie die im Katalog DA51.2 und DA11.1 zugeordneten MM440/G120 Bremswiderstände zur Verfügung (siehe Tabelle 1 und 2). Die mittlere Bremsleistung der Bremswiderstände

dmittelsBremswiderP tan ist dabei ca. 5% der maximalen Bremsleistung

maxtan dsBremswiderP (Lastspiel 5%). Zur Erhöhung von dmittelsBremswiderP tan können 4 Bremswiderstände gemäß Bild 7 verwendet werden. Dabei kann die 4-fache mittlere Bremsleistung erreicht werden, dass Lastspiel (Parameter P1237) kann auf 20% eingestellt werden. Die maximale Bremsleistung

maxtan dsBremswiderP ändert sich dabei jedoch nicht, da der resultierende Widerstandswert bei minR bleibt. Alternativ können auch andere Bremswiderstände mit einer höheren mittleren Bremsleistung

dmittelsBremswiderP tan (z.B. aus dem MASTERDRIVES Produktspektrum) eingesetzt werden. Folgende Bedingungen müssen dabei eingehalten werden:

• Erforderliche Spannungsfestigkeit der Bremswiderstände:

– 1/3AC 200V – 240V Geräte: DC 450V

– 3AC 380V – 480V Geräte: DC 900V

– 3AC 500V – 600V Geräte: DC 1100V

• mintan RR dsBremswider ≥ (Werte für minR siehe Tabelle 1 und 2)

• maxtanmax dsBremswiderBremsAppl PP ≤

Die mit dem Bremswiderstand erreichbare maximale Spitzenbremsleistung ist:

dsBremswiderdsBremswider R

UDCPtan

2

maxtanmax

=

(abzüglich 5% wegen dem Abstand zur Überspannungs-Abschaltgrenze)

• dmittelsBremswiderittelBremsApplm PP tan≤

(Die Lastspieldauer des Widerstands muss dabei größer als die sich ergebende Lastspieldauer des Bremschoppers ercycleChoppt sein)

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Dabei ist:

• dsBremswiderR tan : Widerstandswert des externen Bremswiderstands

• minR : Kleister anschließbarer Widerstandswert, entspricht dem Widerstand des zugeordneten MM440/G120 Bremswiderstands

• ittelBremsApplmP : Mittlere Bremsleistung bei der Applikation

• dmittelsBremswiderP tan : Dauerleistung des Bremswiderstands

• maxBremsApplP : Spitzenbremsleistung bei der Applikation

• maxtan dsBremswiderP : Spitzenbremsleistung des Bremswiderstands

• maxUDC : Maximale Zwischenkreisspannung (siehe Tabelle 1 und 2)

Im Folgenden sind die Internet Adressen von möglichen Bremswiderstandherstellern aufgelistet. Die Hinweise der jeweiligen Lieferanten zum Einsatz der Bremswiderstände sind zu beachten.

• Fa. REO, D-42657 Solingen http://www.reo.de/product_list/231

• Fa. GINO, D-53117 Bonn http://www.gino.de/produkte/bremswiderstaende

• Fa. Koch, D-76698 Ubstadt http://www.koch-mk.de/

2.6.1 Anschluss des Bremswiderstands

Der Bremswiderstand wird an den Klemmen B+ / DC+ und B- am MM440 angeschlossen, beim SINAMICS G120 mit PM240 sind es die Klemmen DCP/R1 und R2. Zur Vermeidung von EMV-Störaussendungen muss die Anschlussleitung geschirmt ausgeführt und der Schirm beidseitig aufgelegt werden. Die EMV-Aufbaurichtlinie muss beachtet werden, unter anderem durch die räumliche Trennung von Leistungs- und Signalleitungen. Weitere Hinweise zum EMV-gerechten Aufbau sind in der „EMV-Aufbaurichtlinie für MICROMASTER“ enthalten. Die maximale Entfernung zwischen Umrichter und Bremswiderstand (Gehäusegröße A-F) darf beim MM440 25m (geschirmt) betragen. Beim SINAMICS G120 mit PM240 beträgt die maximale Leitungslänge zum Bremswiderstand 15m

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2.6.2 Thermischer Schutz des Bremswiderstands

Über die Lastspielüberwachung des Umrichters wird der angeschlossene MM440/G120 Bremswiderstand thermisch überwacht. Dazu ist im Parameter P1237 der Wert „1“ (5% Lastspiel), bzw. bei 4 angeschlossenen MM440/G120 Bremswiderständen gemäß Bild 7 der Wert „3“ (20% Lastspiel) einzustellen. Bei der Verwendung von Fremdbremswiderständen entspricht unter Umständen die zulässige mittlere Bremsleistung des Widerstands nicht genau dem in P1237 ausgewähltem Lastspiel. Durch die Auswertung eines im Bremswiderstand vorhandenen Thermoschalters kann dieser jedoch thermisch geschützt werden.

2.7 Betrieb zusammen mit anderen Bremsarten

Die generatorische Bremsung mit Bremswiderständen ist die wirkungsvollste und genaueste Bremsmethode beim MM440 und G120 mit PM240. Bei aktivierter Widerstandsbremsung mit Parameter P1237 darf die Compound-Bremsung (P1236) nicht verwendet werden. Die Compound-Bremsung schaltet sich, abhängig von der Höhe der Zwischenkreisspannung, bei der gleichen Einschaltschwelle zu wie der Bremschopper. Der gleichzeitige Betrieb beider Bremsarten würde deshalb zu Fehlfunktionen des Umrichters führen. Die Gleichstrombremse (Parameter P1230 – P1234) kann bei Bedarf zugeschaltet werden, wenn z.B. bei Stillstand des Motors ein Haltemoment vorgegeben werden soll.

2.8 Zwischenkreisspannungsregler

Ist der Bremschopper des Umrichters aktiviert, so muss der maxUDC Regler des Umrichters (Parameter P1240) deaktiviert werden, da beide Funktionen sich gegenseitig beeinflussen und zu Fehlfunktionen des Umrichters führen können. Der minUDC Regler des Umrichters (kinetische Pufferung, einstellbar auch über Parameter P1240) kann jedoch aktiviert werden.

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2.9 Zusammenfassung von Umrichter Parametern, die für den generatorischen Betrieb wichtig sind

MM440 und G120 Parameter

Bemerkung

P1121 Rücklaufzeit: Höhere Rücklaufzeiten bewirken geringere maximale Bremsleistungen. Die maximale Bremsleistung tritt zu Beginn des Rücklaufs auf.

P1132 Anfangsverrundung Rücklauf: Eine Anfangsverrundung reduziert die maximale Bremsleistung

P1230-P1234 Gleichstrombremsung: Kann z.B. zum Festbremsen des Motors nach einem generatorischen Rücklauf (Widerstandsbremsung) aktiviert werden.

P1236 Compound-Bremsung: Darf nicht gleichzeitig mit der Widerstandsbremsung aktiviert werden, wegen gleicher Ansprechschwelle.

P1237 Widerstandsbremsung: Wird durch Einstellung eines Wertes größer „0“ aktiviert. Vorgabe Lastspiels für den Bremschopper.

P1240 DCU -Regler: Darf bei aktivierter Widerstandsbremsung nicht auf den

Wert „1“ oder „3“ eingestellt werden. r1242 Einschaltpegel maxDCU -Regler: Der Bremschopper schaltet sich bei

124298,0 rU DCChopper ∗= zu. Der Wert für r1242 wird bei jedem Netzzuschalten des Umrichters neu erfasst.

P1254 Automatische Erfassung des maxDCU -Einschaltpegels: Funktion wird mit Einstellung „0“ deaktiviert. Einstellung dann mit P0210 (Netzspannung)

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Literaturhinweise

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3 Literaturhinweise

3.1 Literaturangaben

Diese Liste ist keinesfalls vollständig und spiegelt nur eine Auswahl an geeigneter Literatur wieder.

Tabelle 3-1

Themengebiet Titel /1/ Katalog D11.1 SINAMICS G110/SINAMICS G120 Umrichter-

Einbaugeräte SINAMICS G120D Dezentrale Frequenzumrichter

/2/ Katalog DA51.2 Umrichter MICOMASTER 420/430/440 /3/ Handbuch SINAMICS G120 /4/ Handbuch MICROMASTER 440 /5/ Handbuch MICROMASTER 4: EMV-Aufbaurichtlinie /6/ Aktuell

[Intranet] Vertriebsfreigabe Leistungserweiterung SINAMICS PM240 Framesize F 110 kW und 132 kW

3.2 Historie

Tabelle 3-2 Historie

Version Datum Änderung

V1.0 März 2004 Erste Ausgabe V1.1 September 2005 Layout geändert in Applikation & Tools

übernommen V1.2 März 2008 Text überarbeitet, Daten für G120 / PM240

eingefügt