Weniger Anlagenstillstände: Differenzstromüberwachung bei Umrichterbetrieb

Um Anlagenstörungen noch stärker zu verringern, als bislang möglich, stellt Danfoss zusammen mit der Firma Bender GmbH & Co KG eine Option namens RCMB20 bzw. RCMB35-500-01 zur Erfassung von Differenzströmen vor. Sie stellt die Überwachung des kompletten Antriebssystems ab Eingangsklemmen des Frequenzumrichters bis hin zum Motor sicher. Frequenzumrichter verbessern nachhaltig die Energieeffizienz von Maschinen und Anlagen, verlängern ihre Lebensdauer und verbessern die Qualität der produzierten Güter. Die Vereinfachungen in der Verfahrenstechnik durch Nutzung der Geräteintelligenz ist ein weiteres, stark genutztes Merkmal moderner Frequenzumrichter. Deswegen werden sie seit gut 15 Jahren in vielen Industriebereichen immer mehr eingesetzt. All diese Merkmale und das AnwendungsKnow-how führen zu störungsarmen und effizient ablaufenden Prozessen, die in Zeiten harten Wettbewerbs unabdingbar sind. Durch die mittlerweile gute Datenerhebung aus vielen Messpunkten, der Nutzung von Rückmeldungen aus Geräten und Frequenzumrichtern wird den Anlagenbetreibern eine Vielfalt an Möglichkeiten geboten, täglich für einen reibungslosen Betrieb zu sorgen. Das sichert die Kontinuität der Prozesse und reduziert unliebsame Zusatzkosten. Zusätzlich zu diesen als selbstverständlich erachteten Abläufen, gibt es zusätzlich Potenzial im Bereich der permanenten Überwachung und vorbeugenden Instandhaltung zur Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit. Eine davon ist die Überwachung des Zustandes von Antriebssträngen. Verfügbarkeit erhöhen Besondere Bedeutung gewinnt dies, wenn raue Umgebungsbedingungen herrschen, gleichzeitig aber die unbedingte Verfügbarkeit bestimmter Antriebe sichergestellt werden muss. Deren plötzlicher Ausfall kann zum Erliegen der Produktion und Umweltbelastungen mit allen negativen Auswirkungen sowie hohen finanziellen Verlusten führen. 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. Allerdings findet sich dieser Aufwand typischerweise bei kleineren Antrieben weniger häufig. Die Gründe dafür liegen auf der Hand: Zusätzliche Messsysteme sind teuer in der Anschaffung, Installation und Einbinden in die Prozesssteuerung sind ebenfalls mit teils spürbaren Kosten verbunden. Ein Spezialist ist für die Einrichtung und Betreuung oft erforderlich. Die Frage nach Aufwand und Risiko wird dann schnell gestellt. Diese Überwachungslücke soll die neue Option zur Erfassung von Differenzströmen schließen, die Danfoss zusammen mit der Firma Bender GmbH & Co KG entwickelt hat. Das Haus Bender besitzt über 70 Jahre Erfahrung in der Erfassung und Auswertung von Fehlerströmen. Leicht zu installieren 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 690V 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 insbesondere beim Einsatz in IT-Systemen sich die Messtechnik mehrerer Geräte gegenseitig beeinflusst. Die Nutzung mehrerer Geräte mit aktiven Messverfahren ist daher keine Alternative. Die besondere Herausforderung bei einem solchen Messsystem ist es, 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 bis 20mA 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. Deren Einstellung ist je Anlage individuell und nach einem Testlauf, dem sogenannten Teach In zu ermitteln und vorzugeben. Die Differenzstromüberwachung mit der Bezeichnung RCMB20- bzw. RCMB35-500-01 versorgt sich über die vom Frequenzumrichter bereitgestellten 24VDC. 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 ist eine Vielzahl von Möglichkeiten geschaffen, 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- und im IT-System einfach und effektiv zu überwachen. Diese Lösung ist mit unterschiedlichen Komponenten und zwei Standardgehäusen des aktuellen Lieferprogramms der Firma Bender für die Verwendung bei VLT Frequenzumrichtern bis 75kW verfügbar. Auch das Monitoring kleinerer Anlagenteilbereiche ist möglich, da die Differenzstromüberwachung nicht zwingend am Frequenzumrichter angebracht werden muss. Eine sinnvolle Anwendung bei Insellösungen mit kleinen Umrichtern ist somit möglich. Bei größeren Geräten, die in aller Regel mehr Platzreserven vorhalten, können bereits vorhandene Standardlösungen eingesetzt werden.