Antriebstechnik Antriebssysteme sicher überwachen durch Differenzstrommessung

Autor / Redakteur: Falko Wiehle / Dr. Jörg Kempf

Um Anlagenstörungen noch stärker zu verringern als bislang möglich, hat Danfoss zusammen mit der Firma Bender ein Modul zur Erfassung von Differenzströmen entwickelt. Betreiber stellen damit die Überwachung des kompletten Antriebssystems ab Eingangsklemmen des Frequenzumrichters bis hin zum Motor sicher und erschließen sich neue Möglichkeiten zur Überwachung und vorbeugenden Instandhaltung.

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Die Differenzstromüberwachung ist auf einem passenden Montagehalter vor dem Netzanschluss des Frequenzumrichters positioniert.
Die Differenzstromüberwachung ist auf einem passenden Montagehalter vor dem Netzanschluss des Frequenzumrichters positioniert.
(Bild: Danfoss)

Seit 15 Jahren sind sie in vielen Industriebereichen auf dem Vormarsch: Frequenzumrichter verringern den Energieverbrauch in Produktionsprozessen überall dort, wo Antriebe eingesetzt werden. Doch Energieeffizienz ist nicht alles. Moderne, intelligente Frequenzumrichter helfen Anlagenbetreibern auch dabei, die Produktqualität zu optimieren und die Lebensdauer der Produktionsmittel zu verlängern. Die Datenerhebung aus vielen Messpunkten sowie die Rückmeldungen aus Geräten und Frequenzumrichtern bieten eine Vielfalt an Möglichkeiten, um einen reibungslosen Betrieb sicher zu stellen.

Weiteres Potenzial steckt im Bereich der permanenten Überwachung und vorbeugenden Instandhaltung. Ein Beispiel ist die Überwachung des Zustandes von Antriebssträngen. Besondere Bedeutung gewinnt dies, wenn raue Umgebungsbedingungen herrschen, gleichzeitig aber die unbedingte Verfügbarkeit bestimmter Antriebe sichergestellt werden muss. Aus diesem Grund wird meist bei größeren Antrieben teils hoher Aufwand betrieben, um typische Parameter wie Motor- und Lagertemperaturen sowie deren Schwingungen zu überwachen. In einigen Fällen helfen zusätzlich Isolations- und Differenzstromüberwachungen, um rechtzeitig auf sich anbahnende Störungen hinzuweisen.

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Bei kleineren Antrieben wird dieser Aufwand allerdings seltener betrieben. Die Gründe dafür liegen auf der Hand: Zusätzliche Messsysteme sind bislang meist teuer in der Anschaffung. Installation und Einbinden in die Prozesssteuerung sind ebenfalls mit teils spürbaren Kosten verbunden. Zudem ist für die Einrichtung und Betreuung oft ein Spezialist erforderlich. Die Frage nach Aufwand und Risiko wird dann schnell gestellt. Diese Überwachungslücke soll eine Option zur Erfassung von Differenzströmen schließen, die Danfoss zusammen mit der Firma Bender entwickelt hat.

Installation leicht gemacht

Die Zielsetzung bei der Entwicklung des Differenzstrom-Überwachungsgerätes war vielfältig, soll doch die Installation schnell und einfach möglich sein, aber eben auch die Überwachung des kompletten Antriebssystems ab Eingangsklemmen des Frequenzumrichters bis hin zum Motor sicherstellen.

Die Nachrüstung mit geringem Aufwand stand ebenso auf der Liste wie der Verzicht auf Einstellungen am Messsystem. Und: Universell soll es sein – alle Spannungsbereiche bis 690 V sollen abgedeckt werden können, ohne Rücksicht auf die Netzform nehmen zu müssen. Die einfache Installation und Nachrüstbarkeit warf Fragen auf, wie die Spannungsversorgung zu realisieren ist und wo die Messwerte angezeigt werden können. Zusätzlich ist auszuschließen, dass insbe-sondere beim Einsatz in IT-Netzen sich die Messtechnik mehrerer Geräte gegenseitig beeinflusst.

Was die besondere Herausforderung bei einem solchen Messsystem ist, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Die Nutzung mehrerer Geräte mit aktiven Messverfahren ist daher keine Alternative. Die besondere Herausforderung bei einem solchen Messsystem ist, es umrichtergerecht zu bauen. Das bedeutet, die Messtechnik so abzustimmen, dass beispielsweise die Taktfrequenz des Frequenzumrichters in der Erfassung nicht dazu führt, Fehlmessungen anzuzeigen und zu alarmieren, wenn kein Isolationsfehler vorliegt. Diese Aufgabenstellung ist nicht ganz einfach, da bei jeder Drehzahländerung und in Abhängigkeit der örtlichen Gegebenheiten und vom verwendeten Gerät, dessen Einstellungen sowie der Kabellänge und -typ sich kapazitive Ableitströme ausbilden, die systembedingt sind, und keinen Isolationsfehler darstellen.

Erfasste Signale auswerten

Das Auswerten und vor allem das Interpretieren des erfassten Differenzstromsignals ist dann die eigentliche Herausforderung, um dem Betreiber permanent verlässliche Informationen zur Verfügung zu stellen. Den aktuellen Anlagenzustand bekommt der Anwender in Form eines Analogwertes von 4...20 mA übermittelt. Damit sind alle Möglichkeiten gegeben, eine anwenderspezifische Auswertung aufzubauen.

Die Nutzung der Intelligenz im Frequenzumrichter steht hierbei als vorteilhafte Variante zur Verfügung, die den Anwender von aufwändigeren Lösungen im Leitsystem befreit. Dabei wird das Analogsignal auf einen Analogeingang des Frequenzumrichters geführt und dieser mit wenigen Parametern so programmiert, dass beispielsweise eine Warnmeldung oder auch ein Gerätestop bei einer vom Anwender definierten Schwelle erfolgt.

Die Differenzstromüberwachung mit der Bezeichnung RCMB20- bzw. RCMB35-500-01 versorgt sich über die vom Frequenzumrichter bereitgestellten 24 VDC. Das RCMB20/35 ist auf einem passenden Montagehalter vor dem Netzanschluss des Frequenzumrichters positioniert. Der Verdrahtungsaufwand ist mit vorgefertigten vier Adern gering, die Montage durch lediglich zwei Befestigungsschrauben im Handumdrehen erledigt.

Das RCMB20/35 kann auch von einer anderen Spannungsquelle versorgt, und das Analogsignal übergeordnet verarbeitet werden. Auch eine Auswertung per Profibus über den Frequenzumrichter ist denkbar, wenn das Signal auf dessen Analogeingang geführt ist und der Frequenzumrichter die Anbindung besitzt. Eine erfahrene Elektro-/Mess- und Regelfachkraft bewältigt die Integration schnell und ohne Expertenhilfe.

Fazit

Es besteht mit dem RCMB die Möglichkeit, den Zustand des Antriebsstranges über den Frequenzumrichter, das optionale Ausgangsfilter, die Motorleitungen und nicht zuletzt den Motor selbst im Hinblick auf sich ankündigende Isolationsfehler im TN- bzw. Erdschluss im IT-Netz einfach und effektiv zu überwachen. Somit eignet sich das Modul besonders für Chemieanlagen. Die Lösung ist mit unterschiedlichen Komponenten und zwei Standardgehäusen des aktuellen Lieferprogramms der Firma Bender für die Verwendung bei VLT-Frequenzumrichtern bis 75 kW verfügbar. Auch das Monitoring kleinerer Anlagenteilbereiche ist möglich.

* Der Autor ist Director Solution Sales EMA, Danfoss GmbH, VLT Drives EMA, Offenbach.

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