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Ersatzschaltbild Wechselrichter Kurzschlussfall
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03.08.14 17:29
Andy 
Ersatzschaltbild Wechselrichter Kurzschlussfall

Hallo, ich studiere Elektrotechnik und schreibe gerade meine Bachelorarbeit über das Verhalten von USV-Anlagen im Kurzschlussfall. Bei recherchen bin ich auf dieses Forum gestoßen und dachte mir: fragen kostet ja nichts :)

Der Anlagentyp ist eine 3-phasige VFI Anlage, sprich Dauerwandler.
Solange das Netz vorhanden ist ist die Kurzschlussbetrachtung kein Problem, weil der Netzbypass von der elektrischen Umschalteinrichtung geschaltet wird.
Für den Kurzschlussfall im Batteriebetrieb fehlen mir momentan aber die Ideen.
Ich habe gelesen, dass der Kurzschlusstrom rein von dem angeschlossenen Wechselrichter abhängig ist und die Batterien anfangs keine Rolle spielen. Es geht also um die ersten Millisekunden, bzw. die Transiente bis sich der Dauerkurzschlussstrom einstellt.
Deshalb möchte mir dafür einen RCL-Kreis als Ersatzschaltbild herleiten und diesen simulieren und ebenso berechnen. Leider habe ich da bisher wenig in der Literatur gefunden und weiß auch nicht wie ich den Kreis herleiten kann. Die Anlage existiert nicht und ich kann den Fall nicht mit Messungen bestimmen.

Ich hoffe, dass hier jemand ist der sich ein wenig mit sowas auskennt und mir gute Literatur empfehlen kann oder mir zeigt wie ich am besten so ein Ersatzschaltbild herleiten kann.

Zuletzt bearbeitet am 03.08.14 17:37

04.08.14 10:56
TheodorHarms 

Administrator

Re: Ersatzschaltbild Wechselrichter Kurzschlussfall

Hallo Andy.


Auf Ihre Frage eine Antwort zu geben ist nicht einfach. Kein Hersteller wird Ihnen die genauen Daten des Ausgangsfilterkreises geben. Das Ausgangsfilter hängt ab von der PWM Frequenz, der Grundwelle, der Regekdynamic sowie dem Klirrfaktor den ich erreichen möchte.

Dann gibt es zu bedenken, dass es Wechselrichter gibt mit einem Ausgnagstrafo am Ausgang oder nur mit einem L/C Filter.

Die meisten Anlagen werden jedoch heutzutage ohne Ausgangstrafo Verkauft.

Auf Grund der elektronischen Strombegrenzung ist der max. Ausgangsstrom / Kurzschlußstrom endlich. Je nach Hersteller liegt er im Bereich von 2 -3 x dem Gerätenennstrom.

Die max. Strombegrenzung setzt ein, sobald ein Kurzschluss am Ausgang detektiert wird. Die Stromflußdauer ist in der Regel sehr kurz (60ms bis 100ms). Eineige wenige Hersteller liefern auch höhere Stromflußzeiten.


Eine Impedanzfeststellung ist bei diesen Systemen sehr schwierig, da sich die Ausgangsspannung je nach der Impeadnz des Kurzschlusses ändert. Ein hochohmiger Kurzschluß zwingt vielleicht gerade den Wechselrichter in die Stromberenzung. Dabei liefert er aber noch z.B. statt 400V nur noch 280V. Bei einem vollen Kurzschluß geht die Ausgangsspannung gegen null, während sich der Kurzschlußstrom auf Grund der Strombegrenzung nicht ändert.

Sinmulieren können Sie dieses Verhalten am besten mit P-Spice oder LT-Spice was in jeder Hochschule zur Verfügungs stehen dürfte.


Zu Größenordnung der Ausgangfilter lässt sich folgendes sagen:

PWM Freuenzem im Bereich 4KHZ - 16 KHz. (Leistungsabhängig)
L-Wert liegt im 100yH Bereich. (Frequenzabhängig)
Ausgangs Kondensatoren liegen ca. im Bereich von 50uF - 200uF. (Frequenz und Leistungsabhängig)


Leider kann ich Ihnen keine detailiertere Antwort geben.



Wenn Sie in Google "Ersatzschaltbild PWM Wechselrichter" eingeben, sehen Sie mehr als genug Ersatzschaltbilder sowie Prinzipvorschläge.



Mit freundlichen Grüßen




PSG-Elektronik GmbH
Am Damm 2 - 26789 Leer
http://www.psg-elektronik.de


Zuletzt bearbeitet am 04.08.14 10:57

05.08.14 10:04
Andy 
Re: Ersatzschaltbild Wechselrichter Kurzschlussfall

Danke für die schnelle Antwort. Ich werde mich heute Mittag mal daran setzen und versuchen eine Simulation zu erstellen. Wir haben Plecs, damit habe ich mal ein kleines Projekt bearbeitet. LT Spice hab ich noch nie benutzt. Plecs sollte aber auch funktionieren.
Mein Betreuer hatte auch ein inneres Bild vor Augen, dass im Kurzschlussfall erst einmal eine Transiente durch die inneren Eneegiespeicher im WR mit hoher Amplitude startet und diese dann ablingt. Wie schnell diese abklingt sei dahingestellt.
Dafür sollte dann ein RLC-Kreis mit ähnlichem Verhalten modelliert werden.
So wie das schreiben ist dies aufgrund der internen Regelungen aber deutlich komplizierter, wenn vllt überhuapt nicht im Rahmen meiner Fähigkeiten machbar.

05.08.14 10:44
admin 

Administrator

Re: Ersatzschaltbild Wechselrichter Kurzschlussfall

Ja, die Entwicklung eines Simmulationsmodels für einen WR ist schon etwas aufwendiger, wenn man die gesamte Regelung mit in die Simulieren einbeziehen möchte. Eine steile Stromamplitude im ersten Möment des Kurzschlusses kommt hauptsächlich durch die vorgeschaltete Kondensatorbatterie zustande. Je nach Größe der Kondensatorbatterie und der Schnelligkeit des Stromreglers sind es einige Micro oder Millisekunden. Am besten Sie besorgen sich fertige PWM Modelle zu Ihrem Simulationsprogramm.

Viel Erfolg.

19.08.14 08:38
Andy 
Re: Ersatzschaltbild Wechselrichter Kurzschlussfall

Aufgrund der schnellen Regelzeit hat sich nun die Simulation erledigt. :(
Ich habe aber noch eine andere Frage:
Wie berechne ich den von einem Wechselrichter ausgehenden Kurzschlusstrom genau, wenn der Kuzschluss bei Batteriebetrieb stattfindet.

Die Nenndaten geben an Ik=2-3 x Inenn
Für die Auslegung von Schutzorganen ist dies jedoch wie ich finde eine nicht ausreichende Angabe .
Wie habe ich vorzugehen, wenn ich eine entferntere Last habe, beispielsweise 100m Leitungslänge q=2,5 und an dieser Last sich ein Kurzschluss ereignet.
Der Wechselrichter sieht in diesem Moment nur einen Lastsprung und die anliegende Impedanz der Leitung als Verbraucher sehr großer Leistung. Es ergibt sich immer noch ein Spannungsfall auf dieser Leitung.
Wie finde ich nun heraus, ob Ik beispielsweise 70, 80 oder 120A groß ist?

Gibt es ein analoges Vorgehen wie beim Netzkurzschluss, bei dem ich Quellspannung durch die Impedanzwerte dividiere?

Über Literaturangaben freue ich mich sehr. Ich habe bisher dazu noch keine wirklichen Ergebnisse gefunden. :(

19.08.14 08:58
admin 

Administrator

Re: Ersatzschaltbild Wechselrichter Kurzschlussfall

Ja die Sache mit der Impedanz.

Laut Abschaltbedingungen der VDE 0100 Teil 410 müssen die Sicherungen in einer bestimmten Zeit auslösen. Danach ist der Kurzschlußstrom des Wechselrichters auszulegen. Ebenfalls ist geregelt, das der Spannungsabfall auf den Leitungen in der Regel max. 3% betragen darf. Die Länge / Quesrschnitt ist dabei natürlich mit zu berücksichtigen da die Werte direkt in die Impedaz der Leitung eingehen.

Das der Wechselrichter eine elektronische Strombegrenzung hat, erhöht er so lange seine Ausgangsspannung bis der max. Kurzschlußstrom erreicht ist. Wenn aber die Impedanz so groß ist, das die Spannung enorm angehben werden müsste, dann wäre es theorätisch möglich, dass der Wechselrichter in den Überlastbereich (durch IK x U) kommt und dann abschaltet.

Eine Auslegung der Installation muss daher exakt nach den geltenden Vorschriften vorgenommen werden.

Ihre Frage: Wie finde ich heraus wie groß IK ist.

Beachten Sie die Herstellerangabe mit 3xIn. Das heißt also, der Kurzschlusstrom kann den Wert des 3 fachen Nennstromes annehmen. Da gibt es immer noch einen Zeitfaktor den der Hersteller angibt. Nach dieser kurzschlußzeit , oft ca. 100ms, schaltet der Wechselrichter dann ab.

In der Installationstechnik addiert man die verschiedenen Impedanzen im Leitungsverlauf zusammen. Leitungsimpedanzen, Ausgangstrafo Wechselrichter, Übergangsstellen. Bei laufendem Wechselrichter wäre das nur theorätisch möglich, wenn es keine Strombegrenzung gäbe und der Wechselrichter unendlich Strom liefern könnte. Das ist aber auf Grund der Strombegrenzung nicht möglich.


Mit freundlichen Grüßen



19.08.14 10:00
Andy 
Re: Ersatzschaltbild Wechselrichter Kurzschlussfall

Vielen Dank,

als Beispiel:

Daten Wechselrichter:

Überlastverhalten: 1,5fache Nennlast -> 60sek
1,25 fache Nennlast -> 10 Min
1,1 fach Nennlast 30 Min
Kurzschusstrom: 3Inenn 3Sek einphasiger Kurzschluss
2 Inenn 3Sek 3-phasiger Kurzschluss

Sind nun die Leitungen nach Norm richtig dimensioniert und es liegt ein Kurzschluss vor, so kommt bei einem Kurzschluss der angegeben Strom auf jeden Fall zum fließen. Sprich 3Inenn bei einpoligen Fehler und 2Inenn bei 3-poligen Fehler.
Sind die Leitungen falsch dimensioniert liegt für den WR nur eine Überlast vor, die von der Elektronik erkannt wird und den WR nach einer gewissen Zeit automatisch abschaltet.
Die exakte Ermittlung der Leitungsimpedanzen ist in dem Fall dann wenn korrekte Dimensionierung vorliegt überflüssig oder verstehe ich Sie falsch?

Spielt die aktuelle Auslastung zum Kurzschlusszeitpunkt für Ik eine Rolle oder ist dieser bis auf einen vernachlässigbaren Anteil konstant? Wirken zum Beispiel bei mehreren Abgängen die fehlerfreien Abgänge auf den Kurzschlusstrom mit ein und verringern diesen.

Als simples Beispiel:
Abgang a) 15A Belastung
Abgang b) 20A Belastung
Abgang c) Kurzschluss

Ik in c= 3*Inenn - Ia -Ib

Vielen Dank schon einmal für die Antwort.

19.08.14 12:43
admin 

Administrator

Re: Ersatzschaltbild Wechselrichter Kurzschlussfall

Sie sehen es schon richtig so wie Sie es schreiben.
Zur Ihrer letzten Frage.
Die Nennströme der anderen Verbraucher werden in das Ergebnis mit einfließen.
Modere USV Anlagen besitzen ein Einzelphasenregelung für Spannung und Strom.
Wenn eine Phase kurzgeschlossen ist, dann wird nur diese strombegrenzt. Die anderen Ströme können weiterfließen bis zur endgültigen Abschaltung der USV nach der vorgesehenen Zeit im Kurzschluss.

Diese Betrachtung ist aber sehr theoretisch und kann unterschiedlich sein von Hersteller zu Hersteller.


Mit freundlichen Grüßen

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