von Markus Bakker, Fluke Corporation
Es ist allgemein bekannt, dass Energiequalitätsmessungen an Motoren und Frequenzumrichtern die Energieeffizienz von elektrischen Systemen verbessern und die Kosten niedrig halten können. Es gibt jedoch mehrere unsichtbare Probleme im Zusammenhang mit der Energienutzung in Anlagen, die zu erheblichen Mehrkosten führen können, während sie gleichzeitig Schäden an der Ausrüstung verursachen und störende ungewollte Abschaltungen hervorrufen.
Wenn man sich auf die folgenden sechs Aspekte der Energiequalitätsmessung konzentriert, kann man einige unsichtbare Probleme aufdecken, die Kosten senken und die Gesamtleistung der Anlage verbessern.
Ungleichgewicht zwischen Phasen
In einem symmetrischen Dreiphasensystem müssen die Phasenspannungen und -ströme entweder identisch sein oder in Bezug auf Amplitude und Phase extrem nahe beieinander liegen. Ein Ungleichgewicht in einem dieser Bereiche kann zu einer verminderten Leistung oder sogar zu einem vorzeitigen Ausfall führen. Motoren können aufgrund des Widerstandsmoments weniger leistungsfähig sein, während ein vorzeitiger Ausfall durch eine übermäßige Überhitzung der Wicklungen verursacht werden kann.
Die größten Kosten, die entstehen können, sind der Austausch von Motoren und der Einkommensverlust, der durch das Auslösen von Schutzschaltungen entsteht, sowie die Ausfallzeiten und Arbeitskosten, die mit der Behebung des Problems verbunden sind. Die Unwucht wirkt sich jedoch auch auf die Energiekosten aus, da die Unwucht die Leistung der Motoren verringert.
Eine der besten Möglichkeiten, potenzielle Probleme mit Spannungsunsymmetrie zu erkennen, ist die Messung der Spannung am Anschluss des Kunden an das öffentliche Stromnetz (Stromzähler). Gemäß der Norm EN50160 zur Energiequalität muss die Spannungsunsymmetrie (das Verhältnis zwischen negativen und positiven Komponenten) am Zähler weniger als 2 % betragen. Wenn die Spannung am Zähler nicht gut ausgeglichen ist, ist die Leistung der gesamten Anlage unausgeglichen und muss vom Betreiber des Verteilungsnetzes so schnell wie möglich korrigiert werden.
Die Unwucht kann bei einer einzelnen Last oder einem ganzen Zweig der internen elektrischen Infrastruktur bestehen, z. B. bei einem Elektromotor oder sogar einer Gruppe von Motoren. Daher ist es sinnvoll, die Phasenspannungen und -ströme am Eingang zu überprüfen, wobei zu beachten ist, dass die Unsymmetrie nicht mehr als 2 % in der Spannung und 6 % im Strom betragen darf. Die Unsymmetrie im Strom ist eine direkte Folge der Unsymmetrie in der Spannung. Wenn die Spannungen ausgeglichen sind, wird die Stromunsymmetrie durch ein Ungleichgewicht der Lasten verursacht.
Gesamte harmonische Verzerrung
Der Gesamtklirrfaktor (THD) ist der Anteil der Verzerrung der Spannung oder des Stroms, der auf die Oberschwingungen des Signals zurückzuführen ist. Während eine gewisse Stromverzerrung normal ist, rechtfertigt ein Wert von mehr als 5 % auf einer Phase eine gründliche Untersuchung. Wird dieser Verzerrungsgrad nicht korrigiert, kann er zu Problemen führen, z. B. zu einem hohen Strom, der durch die Neutralleiter fließt, zu Motoren oder Transformatoren, die sich erwärmen (was die Lebensdauer der Isolierung verkürzt), zu einem schlechten Wirkungsgrad der Transformatoren (oder der Notwendigkeit, größere Transformatoren zu verwenden, um die Oberwellen zu berücksichtigen), zu hörbarem Rauschen oder Vibrationen aufgrund der Sättigung des Transformatorkerns (Rauschen und Vibrationen stellen eine Energieverschwendung dar).
Die größten Kosten im Zusammenhang mit Oberschwingungen sind die verkürzte Lebensdauer von Motoren und Transformatoren. Wenn die betroffenen Geräte Teil eines Produktionssystems sind, kann sich dies natürlich auch auf die Einnahmen auswirken, da Oberschwingungen den Wirkungsgrad und die Leistung von Motoren und Transformatoren verringern.
Am besten lassen sich solche Probleme erkennen, indem man an Motoren, Transformatoren und Neutralleitern, die elektronische Lasten versorgen, Messungen im Vergleich zum Normalpegel durchführt. Es ist wichtig, die Stromstärken und Temperaturen im Inneren von Transformatoren zu überwachen, um sicherzustellen, dass sie nicht überlastet sind, und auch zu verstehen, dass der Neutralleiterstrom niemals die Kapazität des Neutralleiters überschreiten darf.
Oberschwingungen werden häufig von bestimmten Maschinen oder speziellen elektrischen Anlagen verursacht und treten nur auf, wenn diese Elemente unter Spannung stehen. Daher ist es sehr nützlich, Messungen mit einem Zeitstempel aufzuzeichnen, um das zeitweise Auftreten bestimmter Oberschwingungen direkt mit bestimmten Prozessen in Verbindung bringen zu können.
Die harmonischen Frequenzen, um die es hier geht, reichen bis zur 50èmeund werden alle von der Grundfrequenz der Spannung abgeleitet, die 50 Hz beträgt. Mit dem zunehmenden Einsatz von Leistungselektronik, wie z. B. Antrieben oder Frequenzumrichtern, können Oberschwingungen mit höheren Frequenzen das Netz verschmutzen. Diese Oberschwingungen stehen in keinem Zusammenhang mit der Grundfrequenz (50 Hz) und werden durch das Schalten der oben erwähnten Leistungselektroniksysteme verursacht. Diese "Überharmonischen" stören die Prozesssteuerungsanlagen und können diese sogar zum Stillstand bringen.
Transienten
Elektronische Geräte sind auch sehr anfällig für Transienten. Dabei handelt es sich um extrem kurze Impulsspannungen (weniger als 10 ms), die jedoch sehr groß sein können (bis zu 6 kV). Diese Impulse können durch das Schalten schwerer Lasten, die Entladung von Kondensatoren oder sogar durch einen Blitzschlag verursacht werden. Wenn sie von einem Transienten getroffen werden, können sich elektronische Geräte abschalten oder die Prozesse, für die sie programmiert sind, stören.
Um sicherzustellen, dass Transienten die Ursache eines Problems sind, müssen Sie ein Messgerät mit einer ausreichend hohen Abtastfrequenz verwenden, um das Ereignis zu erfassen. Diese Geräte müssen unbedingt über einen Erdungsanschluss verfügen und das erfasste Ereignis muss angezeigt werden können, damit der Ursprung des Spannungsimpulses identifiziert oder zumindest vermutet werden kann.
Die einzige Möglichkeit, diese Geräte nach einem solchen Vorfall wieder in Betrieb zu nehmen, ist ein manueller Reset, was zuvor eine Unterbrechung der Produktion erfordert. Außerdem muss die Qualität aller seit dem Vorfall hergestellten Produkte überprüft werden. Um die Geräte vor Transienten zu schützen, können Überspannungsableiter installiert werden, die den Spannungsimpuls zur Erde leiten, bevor er die elektronischen Geräte erreicht.
Spannungsabfälle
Ein Spannungsabfall ist eine vorübergehende Verringerung des Spannungsniveaus, die durch das Hinzufügen von Lasten verursacht werden kann, ohne dass die Verantwortlichen in der Anlage davon wissen. Diese Lasten können die Systemspannung für kurze Zeit absinken lassen, wenn sie hohe Einschaltströme erzeugen. Dies kann dazu führen, dass einige elektronische Geräte zurückgesetzt werden oder Überstromschutzfunktionen ausgelöst werden. Ein Spannungsabfall in einer oder zwei Phasen einer dreiphasigen Last kann dazu führen, dass die andere(n) Phase(n) einen höheren Strom ziehen, um dies auszugleichen.
Spannungsabfälle können zu Einkommensverlusten führen, wenn z. B. ein Computer oder ein Steuerungssystem neu gestartet wird. Einkommensverluste können auch dadurch entstehen, dass bestimmte Frequenzumrichter (VFD) auslösen oder dass die Lebensdauer von unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) aufgrund zu häufiger Ladezyklen verkürzt wird. Jede vorbeugende Wartungsstrategie muss Maßnahmen zur Überwachung von Motoren, USV-Anlagen, VFDs und Schalttafeln, die Industriesteuerungen und IT-Geräte versorgen, beinhalten. Der offensichtliche Vorteil einer solchen Nachverfolgung ist die Minimierung von Ausfallzeiten und die Senkung von Kosten.
Um die Schwere eines Spannungsabfalls zu beurteilen, ist es wichtig, die Stärke des Abfalls (in Prozent der Nennspannung) und seine Dauer (in Millisekunden) zu messen. Anhand dieser beiden Parameter kann ein Vergleich mit den vom amerikanischen Konsortium ITI (Information Technology Industry Council) festgelegten Grenzwerten vorgenommen werden. Elektronische Geräte können Spannungsabfälle verkraften, solange sie innerhalb dieser Grenzen liegen. Ist dies nicht der Fall, müssen Anstrengungen unternommen werden, um diese Spannungsabfälle abzuschwächen. Das Problem bei Spannungsabfällen ist, dass sie oft intermittierend auftreten; daher müssen Messungen automatisch ausgelöst werden, um sie sofort erfassen zu können. Wenn ein zuvor festgelegter Triggerpegel erreicht wird, sollte die Messausrüstung mit der Aufzeichnung des Ereignisses beginnen.
Spitzenbedarf
Energieversorger überwachen die Höhe des Stromverbrauchs von Industrie- (und Gewerbe-) Anlagen mehrmals pro Stunde, um den durchschnittlichen Energiebedarf der Anlage zu ermitteln. Beim Hochfahren neigen insbesondere Produktionsanlagen dazu, eine große Menge an Energie zu verbrauchen, was sich darauf auswirken kann, wie die Energieversorger ihre Tarife nach dem Spitzenbedarf (dem höchsten durchschnittlichen Bedarf aller Zeitintervalle eines Abrechnungszyklus) berechnen.
Um diese Kosten zu senken, sollte das Schalten von Lasten gestaffelt werden, um die Nachfrage zu senken und den momentanen Maximalverbrauch zu minimieren. Dazu ist es wichtig, das vom verteilten Netzdienst verwendete Bedarfsintervall zu bestimmen und den Energiebedarf im Laufe der Zeit am Zähler mit einem Energiequalitätslogger zu messen. Es ist auch hilfreich zu erkennen, ob große Lasten gleichzeitig angeschlossen sind, indem man die Bedarfsmessungen analysiert, um die Messungen zu identifizieren, die den verschiedenen Lasten entsprechen.
Wenn Anlagen die vertraglich vereinbarten Spitzenbedarfswerte überschreiten, drohen ihnen erhebliche finanzielle Strafen seitens der Energieversorger. Daher ist die Verhinderung von Überschreitungen und die Regulierung der Energiekosten entscheidend für den Schutz der Einnahmen und die Senkung der Ausgaben.
Leistungsfaktor
Der gesamte Strom, der erzeugt und zum Endverbraucher transportiert wird, wird nicht effizient genutzt; es ist in Wirklichkeit die effektive Leistung (gemessen in kW), die der Endverbraucher bezahlen muss. Die Blindenergie, die die Infrastruktur ebenfalls transportieren muss, wird nicht genutzt und dem Endnutzer nicht in Rechnung gestellt. Sie kann daher als verschwendete Energie betrachtet werden. Das bedeutet, dass die Infrastruktur, insbesondere Kabel, Schalter und Transformatoren, so dimensioniert sein muss, dass sie die gesamte Energiemenge transportieren kann, aber nur ein Teil dieser Infrastruktur effizient genutzt wird. Die gesamte transportierte Leistung wird als Scheinleistung (gemessen in kVA) bezeichnet.
Das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung gibt an, wie effizient die Energie genutzt wird. Ist dieses Verhältnis gleich 1, wird die gesamte Scheinleistung genutzt und in Rechnung gestellt. Je niedriger das Verhältnis, desto weniger effizient ist die Nutzung der Scheinleistung. Da Energieversorger dem Endverbraucher keine Blindleistung in Rechnung stellen dürfen, wird im Vertrag eine Grenze festgelegt. Wenn diese Grenze erreicht wird, kann eine erhebliche finanzielle Strafe in Rechnung gestellt werden. Das Verhältnis zwischen Wirkleistung und Scheinleistung wird als "Cosinus phi" oder "Verdrängungsleistungsfaktor" bezeichnet und sollte idealerweise nie unter 0,95 liegen.
Neben einer möglichen finanziellen Strafe kann ein schlechter Cosinus phi auch zu einer Überhitzung der Infrastruktur führen. Um dies zu verhindern, sollten die Anlagen über Kondensatorbatterien verfügen, die in der Nähe großer Lasten, wie z. B. Motoren mit einer Leistung von mehr als 50 kW, oder zentral in der Nähe des Hauptverteilers installiert werden.
Oberschwingungen können sich auch auf den Leistungsfaktor auswirken. Bei Vorhandensein von Oberschwingungen kann die alleinige Kompensation durch Kondensatoren unzureichend sein. Daher ist es unerlässlich, eine Filterung zu implementieren, um die negativen Auswirkungen der Oberschwingungen zu reduzieren.
Indem sie diese sechs unsichtbaren Probleme im Zusammenhang mit dem Stromverbrauch angehen, werden die Einrichtungen in der Lage sein, unnötige Ausgaben, Ausfallzeiten und Schäden an der Ausrüstung zu minimieren und gleichzeitig die Produktivität und die Energieeffizienz zu maximieren. Weitere Informationen finden Sie unter www.fluke.com.