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Energie- und Antriebstechnik software­unterstützt planen

01  Die Planungstools Simaris Design, Simaris Project und Simaris Curves decken für die elektrischen Energieverteilung die komplette Planung, Dimensionierung und Dokumentation bis zu jedem einzelnen Verbraucher ab

01  Die Planungstools Simaris Design, Simaris Project und Simaris Curves decken für die elektrischen Energieverteilung die komplette Planung, Dimensionierung und Dokumentation bis zu jedem einzelnen Verbraucher ab

02  Die Auslegung von Frequenz­umrichtern gemäß der Applikation Lüften, Pumpen, Verdichten, Bewegen oder ­Verarbeiten stellt hohe Anforderungen

02  Die Auslegung von Frequenz­umrichtern gemäß der Applikation Lüften, Pumpen, Verdichten, Bewegen oder ­Verarbeiten stellt hohe Anforderungen

03  Die neuen Versionen der Simaris-Planungstools unterstützen den Planer nicht nur bei ­Motorstarterkombinationen, sondern auch bei der durchgängigen Planung von Frequenzumrichtern

03  Die neuen Versionen der Simaris-Planungstools unterstützen den Planer nicht nur bei ­Motorstarterkombinationen, sondern auch bei der durchgängigen Planung von Frequenzumrichtern

04  Bereits bei der ­Planung kann die Leistung von Gießharz-Verteilungstransformatoren durch ­Zusatzlüfter, sogenannte Querstromlüfter, erhöht werden

04  Bereits bei der ­Planung kann die Leistung von Gießharz-Verteilungstransformatoren durch ­Zusatzlüfter, sogenannte Querstromlüfter, erhöht werden

Die Planung von elektrischen Energieverteilungsanlagen in Industrie und Infrastrukturen stellt vielfältige Anforderungen. Bei der Projektierung und Dimensionierung von Frequenzumrichtern und anderen Antriebstechnik-Komponenten wird das sogenannte vorgelagerte Netz dennoch oft vernachlässigt. Planungstools versprechen hier wirkungsvolle Unterstützung.

Knapp zwei Drittel des industriellen Strombedarfs entfallen auf elektrische Antriebe. Umso entscheidender ist es, von Anfang an auf die geeignete Antriebstechnik zu setzen und diese bereits in der Planung durchgängig zu ­berücksichtigen. Denn elektrische Antriebe verhalten sich charakteristisch anders als konventionelle Verbraucher. Speziell für die Auslegung der elektrischen Energieverteilung bietet Siemens die Planungstools Simaris Design, Simaris Project und Simaris Curves (Bild 1). Ausgehend von der Mittelspannung lässt sich damit softwarebasiert die komplette Planung, Dimensionierung und Dokumentation bis zu jedem einzelnen Verbraucher abdecken. Zusätzlich zu den Motorstarterkombinationen, die bereits in Simaris enthalten waren, unterstützen die neuen Versionen der Planungstools den Planer nun auch bei der durchgängigen Planung der Frequenzumrichter.

Vorschriftenkonforme Planung
Die notwendigen Vorschriften für die gesamte Planung und Auslegung elektrotechnischer Anlagen werden dabei automatisch berücksichtigt. Die Praxis zeigt, wie wichtig dies ist: Mit wenigen Klicks können in der Planungssoftware konkrete projektspezifische Gegebenheiten berücksichtigt werden, die einen Einfluss auf die Dimensionierung der elek­trischen Betriebsmittel haben. So kann zum Beispiel bei der Querschnittsermittlung für ein Kabel berücksichtigt werden, ob die Verlegung in der Erde, auf Kabelwannen oder anderweitig erfolgen wird. Dies hat einen unmittelbaren Einfluss auf die Belastbarkeit des Kabels und somit auf den zu wählenden Leitungsquerschnitt.
In der intuitiv bedienbaren Software Simaris Design sind die relevanten Vorschriften für die gesamte Planung und Auslegung einer Niederspannungs-Energieverteilung hinterlegt. Neben der Auswahl der Netzkomponenten werden auch die Rahmenbedingungen definiert, etwa die Umgebungstemperatur oder auch die Einbaulage von Stromschienen. Die Software prüft im Hintergrund, ob diese Eingaben mit den geltenden Normen korrespondieren.

Applikationsspezifische Auswahl und Auslegung von Frequenzumrichtern
Die Software Simaris Design hilft auch bei der richtigen Auswahl und Auslegung der Frequenzumrichter gemäß der Applikation Lüften, Pumpen, Verdichten, ­Bewegen oder Verarbeiten (Bild 2). Darüber hinaus berücksichtigt sie sämtliche Einflüsse bei der Dimensionierung aller Netzkomponenten wie Schaltern, Transformatoren, Schienenverteilersystemen und Kabeln.
Bei Motoren und Frequenzumrichtern geht es dabei insbesondere um folgende vier Punkte:
• Einschalt- und Anlaufstromverhalten: Aufgrund des hohen Einschaltstroms für die Beschleunigung der Schwungmasse und wegen des verringerten induktiven Widerstands des Rotors im Einschaltmoment muss zusätzlich zum statischen Spannungsfall für diesen Betriebsfall auch der dynamische ­Spannungsfall berücksichtigt werden. Mit Stern-Dreieck- und Sanftanlauf sowie Frequenzumrichter lassen sich diese Anlaufströme und der dynamische Spannungsfall im Vergleich zum Direktanlauf reduzieren (Bild 3).
• Kurzschlussstromverhalten: Die Basis für die Kurzschlussstromberechnung bildet die DIN EN 60909-0 (VDE 0102):2016-12. Motorische Verbraucher werden im Kurzschlussfall durch die mechanische Kopplung an die ­Arbeitsmaschinen und deren Massenträgheitsmoment von diesen angetrieben. Sie wirken hierbei wie ein Generator und speisen ihren Beitrag zum Kurzschlussstrom an die Fehlerstelle. In dieser Norm wird im Abschnitt 3.8 ­(Asynchronmotoren) gefordert, dass in Netzen der Industrie sowie in Eigenbedarfsanlagen von Kraftwerken dieser Anteil immer berücksichtigt werden muss. In öffentlichen Energieversorgungsnetzen muss dieser Anteil berücksichtigt werden, wenn der Beitrag der motorischen Verbraucher zum Kurzschlussstrom mehr als 5 % vom Anfangskurzschlussstrom, der ohne Motoren ermittelt wurde, beträgt. Bei der Berechnung dürfen die Motoren vernachlässigt werden, die nach Art der Schaltung (Verriegelung) oder der Prozessführung nicht gleichzeitig eingeschaltet sein können. Frequenzumrichter, welche im Zwei-Quadranten-Betrieb verwendet werden, liefern keinen zusätzlichen Beitrag zum Kurzschluss.
• Elektromagnetische Verträglichkeit: Besonders Frequenzumrichter weisen durch die nichtlinearen Bauelemente in den Gleichrichterschaltungen ­(Thyristoren, Dioden) eine nichtlineare Strom-Spannungs-Charakteristik auf und ­belasten daher trotz der Speisung mit sinusförmiger Spannung das Netz mit nicht-sinusförmigen Strömen. Diese nicht-sinusförmigen Ströme, die von den Verbrauchern mit nichtlinearer Charakteristik stammen, rufen am Innenwiderstand des Transformators nicht-sinusförmige Spannungsfälle hervor und verzerren damit die Spannung, sodass andere Betriebsmittel im Netz nicht ordnungsgemäß funktionieren oder Schaden nehmen können. Bereits bei der Auslegung des Netzes in der Planungsphase sollten hierfür Gegenmaßnahmen berücksichtigt werden. Die EMV lässt sich verbessern, indem man Filter zur Reduzierung der Oberschwingungen verwendet und somit die Lebensdauer der Betriebsmittel erhöht. Die Verwendung von Drosselspulen ermöglicht den Einsatz in höheren Funkstörklassen.
• Typgeprüfte Gerätekombination: Für einen zuverlässigen Betrieb bei den ­Anlaufarten Direkt-Starter, Reversierbetrieb, Stern-Dreieck- und Sanftanlauf bietet Siemens typgeprüfte Kombinationen aus sicherungsloser und sicherungsbehafteter Technik in Kombination mit Schütz und Überlastrelais an. Bei Frequenzumrichtern werden diese Kombinationen zusätzlich mit Filter und Drosselspule ergänzt. Diese Kombinationen sind auf ihre Erwärmung, Kurzschlussfestigkeit sowie Verbauung in den entsprechenden Motor-Control-Centern oder bei Frequenzumrichtern mit größeren Leistungen in separaten Schränken geprüft und garantieren dadurch einen zuverlässigen Betrieb.
Mit Simaris Project wird auf Basis der ausgewählten Frequenzumrichter die passende Niederspannungsschaltanlage oder der entsprechende Schrank ausgewählt und aufgebaut, wodurch der Planer sowohl konkrete technische Daten als auch den benötigten Raumbedarf erhält. Zusätzlich werden für die ausgewählten Frequenzumrichter auch die Ausschreibungstexte automatisch generiert.
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Softwareunterstützung bei der Planung überlastbarer Transformatoren
Welche Vorteile der Einsatz einer Softwarelösung allgemein bei der Planung und Dimensionierung von elektrotechnischen Anlagen und Energieverteilungen bietet, wird zum Beispiel auch bei der korrekten Dimensionierung und Projektierung von überlastbaren Transformatoren deutlich.
Die Leistung von Gießharz-Verteilungstransformatoren kann durch Zusatzlüfter, sogenannte Querstromlüfter, erhöht werden (Bild 4). Bei freier Aufstellung und ausreichender Belüftung ist dadurch eine Leistungssteigerung von bis zu 50 % möglich. Vor allem in der Industrie und bei großen Infrastrukturprojekten konzentriert sich eine große Einspeise­leistung an einem Punkt. Mit steigender Transformatorleistung und bei Parallelbetrieb von Transformatoren steigt auch die erforderliche Kurzschlussbelastbarkeit der eingespeisten Niederspannungshauptverteilung. Bei Einsatz der Querstromlüfter kann in solchen Fällen auch die Kurzschlussleistung begrenzt oder verringert werden, um so zu einem wirtschaftlicheren Betrieb der Niederspannungshauptverteilungen zu kommen.

Fazit
Die korrekte Dimensionierung und Projektierung von elektrischen Energieverteilungsanlagen bis hin zu Frequenzumrichtern und anderen Antriebstechnik-Komponenten wird durch Planungstools erheblich erleichtert. Alle relevanten Parameter für die gesamte Planung sind in der Software hinterlegt. Das Programm prüft dann automatisch, ob die jeweiligen Eingaben mit den geltenden Vorgaben korrespondieren. Die neuen Versionen der Simaris-Tools von Siemens sind dabei auch auf die spezifischen Anforderungen von Frequenzumrichtern ausgelegt. (mh)

Nicole Wagner ist im Marketing Simaris Planungstools, Energy Management für die Siemens AG tätig. wagner.nicole@siemens.com

Nicole Wagner ist im Marketing Simaris Planungstools, Energy Management für die Siemens AG tätig. wagner.nicole@siemens.com