Netzüberwachung mit Phasenmonitoren

Probleme im elektrischen Netz schnell identifizieren

Schwankungen und Ausfälle im elektrischen Stromnetz können viele elektrische Maschinen erheblich beschädigen und ihre Funktion beeinträchtigen. Deswegen ist eine Überwachung des Netzes mit Phasenmonitoren wichtig. Moderne Schutzrelais können flexibel eingestellt werden und bieten eine Datenschnittstelle zur einfachen Identifikation der Fehlerursache.

Netzprobleme gibt es überall

Maschinen wie Verdichter, Pumpen oder Ventilatoren werden sehr oft durch Elektromotoren angetrieben und aus dem Stromnetz mit Energie versorgt. Wenn das Netz nicht stabil ist, kommt es schnell zu Problemen und Fehlfunktionen bei der Maschine. Nun denkt man bei instabilen Stromnetzen schnell an Entwicklungs- und Schwellenländer. Probleme mit den Versorgungsnetzen kommen aber auch in Mitteleuropa und den USA vor. So wird beispielsweise gerade in ländlichen und gebirgigen Regionen immer wieder von Spannungsproblemen berichtet. Das hängt mit langen Leistungslängen und teilweise großen Verbrauchern zusammen. Schneekanonen in den Alpen sind hier ein gutes Beispiel für Verbraucher, die das Netz lokal stark belasten können. Es treten aber in der Praxis auch immer wieder in Großstädten erhebliche Schwierigkeiten auf, insbesondere in den USA werden in Städten wie New York immer wieder Alarme der Schutzeinrichtungen für die Kühlung von Rechenzentren ausgelöst. Eine weitere Problemquelle liegt gar nicht primär am Versorgungsnetz, sondern an der lokalen Installation: Große Motoren ohne Anlaufmanagement, ältere einphasige Solaranlagen und manches mehr in der lokalen Installation können zu Spannungsschwankungen und Asymmetrien der Versorgungsleitungen führen. Wenn Maschinen international in alle Welt exportiert werden, kommen natürlich die verschiedenen Herausforderungen der einzelnen Länder noch mit dazu. Abschließend sollen auch noch mobile Anwendungen wie die Transportkälte erwähnt werden. Hier wird häufig an- und abgesteckt, Verbindungen werden gelöst und geschlossen. Auch hier ist eine Netzüberwachung wichtig.

In der Praxis sind folgende fünf Probleme am weitesten verbreitet:

Unterspannung ist eine reduzierte Spannung auf allen drei Leitungen L1, L2 und L3. Typische Grenzwerte liegen zwischen -10 % und -20 %.

Überspannung ist im Gegensatz dazu eine höhere Spannung als die Nennspannung auf den drei Leitern.

Phasenausfall bezeichnet den kompletten Ausfall einer Leitung. Motoren können oft auch im Zweiphasenbetrieb laufen, sie erwärmen sich dann aber deutlich stärker und haben ein reduziertes Drehmoment.

Phasenasymmetrie bedeutet, dass nur eine Phase eine deutlich niedrigere Spannung hat.

Die Phasenfolge schließlich bestimmt die Drehrichtung des Motors. Durch das Vertauschen zweier Leiter, z.B. L1 – L3 – L2 ändert der Motor die Drehrichtung.

Phasenfehler haben erhebliche Auswirkungen

Wenn Probleme mit dem Versorgungsnetz auftreten, kann das weitreichende Auswirkungen auf Wirkungsgrad und Lebensdauer einer Maschine haben. Deswegen ist es wichtig, sich von Beginn an gegen diese potentiellen Schäden abzusichern.

Folgende Probleme können durch Schwankungen im elektrischen Netz verursacht werden:

Sinkt die Spannung in einer Phase ab, so steigt der Strom an, weil der Elektromotor in einem bestimmten Arbeitspunkt ein bestimmtes Drehmoment benötigt. Diese Stromerhöhung führt aber wiederum zu einer Erwärmung der Wicklung und kann zu einer Beschädigung oder schnelleren Alterung führen.

Durch Asymmetrien zwischen den drei Phasen kann ein Gegensystem entstehen, d.h. ein magnetisches Drehfeld, das die entgegengesetzte Umlaufrichtung wie die Drehrichtung des Motors hat. Dieses Gegensystem schwächt zum einen das resultierende wirksame Drehmoment, es kann auf Grund von Vibrationen und Schwingungen die Lager der Maschine schädigen und es kann zu einer übermäßigen Erwärmung des Stators und insbesondere des Rotors führen.

In Schaltschränken kann es auch zu einem sogenannten „Brown Out“ kommen. Das ist ein Zustand von Mikroprozessoren, bei dem Teile des Prozessors noch funktionieren und andere Teile nicht mehr ordnungsgemäß arbeiten. Ausgelöst wird ein solcher Brown Out zum Beispiel durch sehr kurze Spannungseinbrüche im Bereich von z.B. 50 ms bis 100 ms. In diesem Fall können elektronische Komponenten im Schaltschrank, wie Regler oder Anzeigen, in undefinierte Zustände kommen und die ordnungsgemäße Funktion unterbrechen. Eine Lösung des Problems kann ein Reset des Schaltschranks durch einen sehr schnellen Phasenwächter sein, der alle Mikroprozessoren wieder neu startet.

 

Praktischer Schutz vor Netzproblemen

Kriwan bringt aktuell einen neuen Phasenwächter auf den Markt, der Schaltschränke und elektrisch angetriebene Maschinen zuverlässig vor Fehlfunktion schützen kann. Das Schutzrelais „INT69UY“ ist für den Einbau in den Schaltschrank vorgesehen und kann sehr kurze Netzeinbrüche sicher identifizieren. Es ist auch für Umgebungen von hoher elek­tromagnetischer Störung ausgelegt. Durch besondere Störfestigkeit (EMV) arbeitet es auch hier stabil und zuverlässig. Das ist wichtig, wenn Maschinen weltweit eingesetzt werden und nicht immer mit zuverlässigen Installationen zu rechnen ist. So können zum Beispiel Frequenzumrichter für erhebliche Störungen im Netz sorgen, wenn die Ausgangsspannungen nicht über geeignete Kabel und Sinusfilter ordnungsgemäß mit dem Motor verbunden werden. Beim Einsatz von Frequenzumrichtern muss bei der Auswahl eines Phasenwächters mit besonderer Sorgfalt durchgeführt werden: Wenn nicht nur 50 Hz- oder 60 Hz-Netze überwacht werden sollen und ein größerer Frequenzbereich abgedeckt werden soll, muss der Phasenwächter dafür ausgelegt sein. Der „INT69UY“ ist für diese Anwendungen vorgesehen.

Die Grundfunktion des Phasenwächters dient dazu, einen Motor bei kritischen Zuständen abzuschalten oder in einem Schaltschank einen definierten Reset durchzuführen. Damit ist zwar die Maschine oder Anlage geschützt, es ist aber immer noch schwierig, die eigentliche Ursache des Netzproblems zu identifizieren. Insbesondere, wenn Netzprobleme häufiger auftreten, ist es wichtig, auch das zugrundeliegende Problem anzugehen. So kann es nötig sein, die Verkabelung zu optimieren, um Schwachstellen zu beheben und wiederkehrende Netzprobleme zu vermeiden. Auch ältere einphasige Solaranlagen, die auf die gleiche Phase einspeisen, können die Ursache für Asymmetrien im Netz sein. Eine weitere Ursache können größere Motoren in der Nähe sein, die beim Anlauf das Netz stark belasten. Diese müssen gar nicht mit der überwachten Maschine im Kälte- oder Klimakreis zusammenhängen und können in eine andere Applikation eingebunden sein. Trotzdem hat ihr Anlaufstrom eine Auswirkung auf die Kälteanlage. Schließlich gibt es noch die Ursache, dass die Verschraubungen am Klemmbrett des Motors nicht korrekt angezogen sind und sich gelöst haben. Durch steigende Übergangswiderstände ändern sich auch die Belastungen im Netz. Alle diese zugrundeliegenden Ursachen müssen identifiziert und abgestellt werden, um eine dauerhafte Beeinträchtigung der Anlage zu vermeiden.

Da Netzprobleme oft nur sporadisch auftreten und scheinbar zufällig kommen und gehen, ist es oft schwierig, die Ursache herauszufinden. Hier ist Kriwan mit dem neuen Phasenmonitor einen wichtigen Schritt gegangen: Das Modul hat einen digitalen Ausgang und kann über Bluetooth, USB oder Modbus Daten an ein Smartphone, einen Regler oder in die Cloud übertragen. Durch Informationen wie einen Zeitstempel, die Spannungsverläufe oder die Art des Fehlers wird es oft viel einfacher, die Ursache des Problems herauszufinden und abzustellen.

Dieser Phasenwächter lässt sich über die kostenlose Smartphone-App „INTspector“ (verfügbar für Android, iOS, Windows Mobile und Windows 10) auch sehr flexibel parametrieren und an unterschiedliche Anwendungen anpassen: Grenzen für den Fehlerfall, Zeiten für das Abschalten der Maschine und vieles mehr können individuell sehr einfach eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, die Überwachung an die jeweiligen Anforderungen vor Ort anzupassen.
Eine zweite Version des Phasenwächters ist auch speziell zum Einbau in den Klemmenkasten an der Maschine verfügbar.

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