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antriebstechnik 9/2018

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UMRICHTERTECHNIK 03

UMRICHTERTECHNIK 03 relativer Preis in V€M / kVA 160 150 140 130 120 110 100 90 80 Normierter Preisverlauf für Niederspannungsumrichter (400/690 V Schrankgeräte, 6-Puls- und 12-Puls-Ausführungen) 70 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 Scheinleistung S in kVA 400 V / Hersteller 1 400 V / Hersteller 2 690 V / Hersteller 1 690 V / Hersteller 2 höherer Anforderungen an das Isoliersystem. Die üblichen Trends in der Preisentwicklung sind dennoch gut erkennbar. Zusätzliche Anforderungen an den Motor wie Gleitlager, Spezialkühler, Ausführung für den explosionsgefährdeten Bereich oder Schiffsklassifizierung können die Motorkosten allerding mühelos verdreifachen. Das ist in dieser Darstellung nicht berücksichtigt. Ein preislicher Schnittpunkt zwischen Niederspannungs- zu Mittelspannungsmotoren wird im Bereich um 20 kNm erwartet. VEM wird die Transnormmotoren-Reihe zukünftig bis in diese Region mit der Achshöhe 560 erweitern. Analyse der Umrichterkosten Bei Umrichtern tragen die abzugebende Spannung und der Strom entscheidend zum Preis bei, womit sich eine Normierung des Preises auf die Scheinleistung empfiehlt. Zum Vergleich wird daher der relative Umrichterpreis K FU,rel verwendet, welcher sich aus dem absoluten Preis K FU und der Scheinleistung S ermittelt: relativer Preis in V€M / kVA 04 300 250 200 150 Normierter Preisverlauf für Mittel- und Niederspannungsumrichter inklusive Transformator bei mittlerer Leistung 100 500 1.500 2.500 3.500 9.500 15.500 21.500 SinkVA 400V 12p 690V 12p Multizelle-3,3 kV Multizelle-4,16 kV Multizelle-6 kV Multizelle-6,6 kV Multizelle-10 kV Multizelle-11 kV LCI 10 kV (ohne Trafo/SVC) Abkürzungen USK Untersynchrone Stromrichterkaskade LCI Load Commutated Inverter DGASM Doppelt gespeiste Asynchronmaschine SynRM Synchronreluktanz-Motor PM Permanentmagnet SER-System Slip Energy Recovery System DOL Direct Online NPC Neutral Point Clamped CSI Current Source Inverter VSI Voltage Source Inverter AFE Active Front End DFE Diode Front End ASM Asynchronmaschine SM Synchronmaschine LV Low Voltage (< 1 000 V) HV High Voltage (> 1 000 V) In Bild 03 werden die relativen Preise für Niederspannungsumrichter in Schaltschränken von zwei Herstellern dargestellt. Während der relative Preis für kleinere Leistungen noch stark mit der Leistung fällt, bleibt dieser jedoch bei mittleren Leistungen ab ca. 500 kW nahezu konstant. Auch bei dem Vergleich zwischen 400 V und 690 V Technologie zeigen sich ähnliche relative Preise. Das heißt im Umkehrschluss, dass für zwei Motoren gleicher Leistung (z. B. 1 MW), einer mit 400 V und einer mit 690 V Wicklung, bei den Umrichtern ähnliche Kosten zu erwarten sind. Um hier zu einer kostenoptimalen Auslegung zu kommen, sind daher weitere Randbedingungen zu betrachten: auch Motor-, Transformator- und Kabelpreise müssen in den Vergleich einfließen. Im weiteren Systemvergleich werden zusätzlich zu den Umrichtern auch Transformatoren betrachtet. Dabei wird ebenso eine Normierung der Preise auf die Scheinleistung durchgeführt, wobei sich für Transformatoren über einen weiten Leistungsbereich ein leistungsunabhängiger, relativ konstanter Preis von ca. 40 bis 45 V€M/kVA ergibt. Für den Preisvergleich bei höheren Leistungen (> 500 kVA) werden in Bild 04 Nieder- und Mittelspannungs-Umrichter inklusive Transformator verglichen. Sobald in einem Antriebssystem ein Transformator vorhanden ist, ist es nicht mehr notwendig, die Motorspannung nach der Netzspannung auszulegen. Dieser Freiheitsgrad wird genutzt, um eine kostenoptimale Antriebslösung zu finden. Zum Beispiel kann bei einem 10 kV Verteilernetz ein 6,6 kV Motor zur kostenoptimalen Lösung führen (oder andersherum). Die Niederspannungsumrichter von Hersteller 2 werden zur besseren Übersichtlichkeit nicht mehr dargestellt. Ebenso entfallen die 400 V Umrichter in 6-Puls-Ausführung, da diese meist an das fabrikinterne Verteilernetz angeschlossen werden und keine separaten Kosten für den Transformator entstehen. Bei diesem Vergleich der Umrichter- und Trafopreise zeigt sich, dass Niederspannungsumrichter bis ca. 2,5 MW die kostengünstigste Variante darstellen. Analyse der Zusatzkosten Einige Antriebssysteme verlangen aus Gründen der Netzverträglichkeit zusätzliche Ausrüstung. Im Allgemeinen gelten Frequenzumrichter mit AFE oder höherpulsige DFE als ausreichend netzverträglich in Bezug auf Netzrückwirkungen. Diese Schaltungen 36 antriebstechnik 9/2018

UMRICHTERTECHNIK kommen mit sehr geringem Filteraufwand aus. Sechspulsige DFE spielen im oberen Leistungsbereich nur eine untergeordnete Rolle. Besonders Thyristorbasierte Schaltungen (LCI, USK) verlangen den Einsatz von Kompensationsanlagen. Oft werden diese Anlagen aber nicht direkt dem Antrieb zugeordnet, sondern im Versorgungsnetz der Gesamtanlage mit projektiert. Des Weiteren benötigen Thyristorbasierte Schaltungen mit Stromzwischenkreis zusätzlichen Platzbedarf für die notwendigen Zwischenkreisdrosseln. Vergleich von Motor- und Umrichterkosten Da die Motorenpreise über dem Drehmoment aufgetragen werden, ist zur Berechnung der Leistung für den Kostenvergleich eine Drehzahlvorgabe notwendig. Werden die Motorkosten aus Bild 02 unter Verwendung einer beispielhaften Bemessungsdrehzahl von 2 500 min -1 in den Vergleich von Bild 04 integriert, ergibt sich der Verlauf in Bild 05. Bei gleicher Abgabeleistung werden Motoren mit höherer Drehzahl stets kleiner und preisgünstiger. Dasselbe Phänomen ist auch bei Verbrauchern wie Pumpen oder Lüftern zu beobachten, welche ebenfalls bei einer höheren Auslegungsdrehzahl und gleicher Abgabeleistung kleiner und oft auch energieeffizienter werden. Wir haben unser gesamtes Know-how für geregelte Antriebssysteme aus Motoren, Frequenzumrichter bzw. Stromrichter und Transformatoren im Nieder- und Mittelspannungsbereich gebündelt. Die Projektierung gehört selbstverständlich dazu. Dr. Jörg Schützhold Da die Mittelspannungsmotoren in dem dargestellten Leistungsbereich höhere Preise aufweisen, verschwindet hier die Preisgrenze zwischen Nieder- und Mittelspannung, d. h. Antriebssysteme in Niederspannung sind meist günstiger als in Mittelspannung. Aufgrund kleiner werdender Spulenwindungszahlen im Motor sind Antriebe in Niederspannung allerdings nur bis ca. 4 MW sinnvoll herstellbar. Einbeziehung der Kabelkosten Wird der Kabelpreis auf die Kabellänge und die geforderte Strombelastbarkeit normiert, ergibt sich ein relativer konstanter Kabelpreis zwischen 0,20 bis 0,50 €/m/A. Der finale Preis in diesem Bereich ist davon abhängig, ob die reinen Einkaufskosten des Kabels oder auch die Installationskosten (Kabeltrasse/Personalaufwand) eingepreist werden. Bei der Preisbildung wird stets die gesamte Kabellänge zwischen Transformator und Umrichter sowie zwischen Umrichter und Motor betrachtet, da hier meist die gleiche Kabelanzahl und der gleiche Kabeltyp verwendet werden. Bei Einbeziehung dieser Kabelkosten in den vorherigen Preisvergleich (> 500 kVA), ist ein 690 V Antriebssystem schon bei 50 m Kabellänge stets günstiger als 400 V Antriebssystem (zwölf Puls, mit eingepreistem Transformator). In Bild 06 wird die Grenze zwischen Antrieben in 690 V und Mittelspannung über der Kabellänge dargestellt. Mit steigender Kabellänge sinkt diese Grenze stark, aufgrund der steigenden Kabelkosten durch die große Kupfermasse, welche für den hohen Strom bei Niederspannung notwendig ist. Mit steigender gewünschter Motordrehzahl steigt diese Grenze jedoch, da Motoren mit höherer Drehzahl bei gleicher Leistung weniger Drehmoment aufweisen und diese somit preisgünstiger in Niederspannung sind. 05 relativer Preis in V€M / kVA 06 HV-LV Grenze in kVA 350 300 250 200 150 Relativer Preisverlauf für Umrichter, Trafo und Motor bei einer Bemessungsdrehzahl von 2 500 min -1 100 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 S in kVA 400V 12p 690V 12p Multizelle-3,3 kV Multizelle-4,16 kV Multizelle-6 kV Multizelle-6,6 kV Verlauf der Preis-Grenze zwischen Nieder- und Mittelspannungsantrieben in Abhängigkeit der Kabellänge und der Motordrehzahl (Preis inkl. Umrichter, Trafo und Kabel und Motor) 500 0 100 200 300 l Kabel in m Die gesamte Einheit betrachten n Motor 500 1.000 1.500 2.000 2.500 Dieser Artikel liefert einen Beitrag zur Auslegung eines kostenoptimalen Antriebssystems, welches genau auf die Anforderungen des Anwenders abgestimmt ist. Dabei ist es erforderlich, das gesamte Antriebssystem – bestehend aus Transformator, Umrichter, Motor und Kabeln – als Einheit zu betrachten und die Vielzahl an möglichen Antriebstopologien technisch und preislich zu bewerten. Es hat sich gezeigt, dass die Grenze zwischen Niederspannungs- und Mittelspannungsantrieben stark von den Kabelwegen und von der erforderlichen Motordrehzahl abhängig ist und im Bereich von ca. 750 kW bis 3,5 MW liegt. Die Antriebssysteme von VEM werden somit im gesamten Leistungsbereich kostenoptimal ausgelegt. Fotos: VEM www.vem-group.com antriebstechnik 9/2018 37

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