Fehlerbehebung bei Stromproblemen bei HLK-Geräten

Ein Frequenzumrichter (VFD) kann die Geschwindigkeit des Abluftventilators nicht ändern. Ein Motor überhitzt und fällt vorzeitig aus. Programmierbare Steuerungen, die im Allgemeinen ohne Probleme funktionieren, haben plötzlich Probleme, wenn sie im Standby-Modus betrieben werden. Ein VFD löst ohne ersichtlichen Grund in einem Kaltwassersystem aus, was zu einem Hochtemperaturalarm führt. Ein Leistungsschalter löst aus und führt zu einer Systemabschaltung; dennoch zeigt eine Stromzangenmessung keinen abnormalen Stromfluss im System nach dem Neustart.

Obwohl jedes Problem bei der Fehlerbehebung in einem HLK-System seine eigenen einzigartigen Umstände darstellt, können Wartungsfachleute solche Probleme als mögliche Probleme mit der Stromqualität erkennen.

Auf der Suche nach der wahren Ursache
Elektronik ist die Grundlage moderner Steuerungen. Programmierbare Steuerungen, Halbleiterrelais, Sensoren, Wandler, Frequenzumrichter an Lüftern und Kaltwasserpumpen sowie elektronische Steuerungen an Aktoren sind anfällig für Probleme, die ältere, rein elektromechanische Steuerungen nicht hatten. Diese Probleme sind oft das Ergebnis der Qualität der Spannung und des Stroms, die an die HVAC-Geräte geliefert werden. Schlechte „Stromqualität“ ist elektrischer Strom, der die angegebenen Parameter nicht erfüllt.

Wie bei allen Formen der HLK-Fehlerbehebung müssen Techniker die Ursachen potenzieller Probleme kennen, um sie zu lösen. Ungeklärte Probleme werden oft auf defekte elektronische Geräte zurückgeführt.
Die wahre Ursache liegt jedoch möglicherweise gar nicht in den elektronischen Geräten.

Falsche oder irreführende Hinweise
Beispiel:Ein VFD, der den Auslass nicht richtig variiert – die Luftgebläsedrehzahl kann das Ergebnis verschiedener Systemprobleme sein – von einer DDC-Übersteuerung, die am VFD ausgelöst wird, über einen fehlerhaften statischen Drucksensor bis hin zu übermäßiger Kanalleckage. Während die Ursache des anfänglichen Fehlers selten beim VFD selbst liegt, kann der VFD tatsächlich andere Systemprobleme verursachen. Überhitzung der Motoren, Fehlauslösungen von Leistungsschaltern oder unerklärliche durchgebrannte Sicherungen und Fehlalarme können an anderer Stelle im digitalen Steuerungssystem auftreten. Da dies alles Merkmale des normalen VFD-Betriebs sein können, müssen die Techniker das Problem immer bis zur Ursache zurückverfolgen.

In einem Fall würde ein ventilatorgespeister VFD in einem Kühlsystem versehentlich auslösen, wenn Strom von der üblichen Quelle zur Standby-Quelle übertragen wurde. Die Folge waren Hochtemperaturalarme an den gelieferten Geräten wegen unzureichender Kühlung. VFDs sind so konzipiert, dass sie eine bestimmte Menge an Spannungsunterbrechungen in einem System überstehen. Wenn jedoch die VFD-Spezifikationen für solche Fehler überschritten werden, schaltet sich das VFD ab.

In diesem Fall dachte man zunächst, der elektronische Antrieb sei schuld. Die Untersuchung der VFD-Betriebsparameter und die Aufzeichnung von Spannungs- und Stromwerten während der Übertragung der Systemleistung ergab jedoch die wahre Ursache des Problems:Die Umschaltzeit war oft zu lang, um den VFD-Betrieb zu unterstützen.

In einem anderen Fall würde ein VFD in einem VAV-Terminal offline auslösen, wenn es von der Standby-Stromquelle mit Strom versorgt wird. Als Problem wurde festgestellt, dass der Standby-Generator nicht in der Lage ist, eine ausreichende Stromqualität zum Betreiben des VFD bereitzustellen. Spannungsschwankungen im Standby-Betrieb führten zu Auslösungen des VFD. Die Lösung bestand darin, den VFD im Standby-Betrieb in den Bypass-Betrieb zu versetzen, wodurch die elektronischen Drehzahlregelungen umgangen wurden.

Die Wurzel von Problemen mit der Netzqualität
Elektronische Geräte nehmen Wechselstrom auf und wandeln ihn in Gleichstrom zur Verwendung durch elektronische Komponenten um. Dieser Prozess erzeugt harmonische Ströme, die in das System zurückfließen. Diese Oberschwingungsströme können zu Überhitzung führen und auch die Sinuswellen vor der Elektronik verzerren.

Oberschwingungsströme sind Ströme, die bei Vielfachen der Grundfrequenz von 60 Hertz (Hz) auftreten. Die dritte Harmonische ist beispielsweise ein Strom, der mit 180 Hz (60 x 3) fließt; die fünfte Harmonische ist ein Strom, der bei 300 Hz (60 x 5) fließt, und so weiter.

Wie man Oberwellen misst
Techniker messen die Pegel der verschiedenen Oberwellen und den Grad der erzeugten Verzerrung, um festzustellen, ob die Oberwellen Probleme verursachen. Verwenden Sie einen Netzqualitätsanalysator, um harmonische Pegel und Verzerrungen zu messen. Die wichtigste Messung ist die Gesamtklirrfaktor (THD) der Spannung.

Stellen Sie den Analysator gemäß den Anweisungen ein und lesen Sie den THD direkt auf der Vorderseite des Messgeräts ab. Der THD sollte 5 Prozent nicht überschreiten, wenn er an dem Punkt gemessen wird, an dem die den VFD versorgende Zuleitung auch andere Lasten versorgt. Dies ist der Point of Common Coupling (PCC).

Wenn der THD der Spannung die Grenzen überschreitet, wenden Sie sich an den VFD-Hersteller, um die beste Lösung zu bestimmen. Dies kann die Installation einer Netzdrossel oder eines Trenntransformators umfassen. Es ist nicht schwierig, den Umgang mit einem Netzqualitätsanalysator zu erlernen, und solche Anstrengungen überwiegen in der Regel die Kosten für Ausfallzeiten von HLK-Systemen bei weitem.

Motorausfall
Ein weiteres Problem der Stromqualität bei HLK-Systemen ist der Ausfall von Motoren, insbesondere von VFDs. Diese Ausfallrate kann sich erhöhen, wenn der Motor dazu neigt, mit niedrigeren Drehzahlen zu laufen, die für viele Anwendungen typisch sind. Zu den Ausfällen zählen häufig Überhitzung, Isolationsversagen oder ein vorzeitiger Lagerausfall.

Alle diese Fehler können den normalen Betriebseigenschaften von VFDs zugeschrieben werden. Der elektronische Antrieb variiert die Spannung und Frequenz des Motors, um seine Drehzahl zu variieren. Leider werden dem Motor auch Oberschwingungsströme zugeführt, die zu einer Überhitzung führen können. Diese dem Motor zugeführte „pulsweitenmodulierte“ Spannung und dieser Strom können auch die Isolierung beschädigen, was zu einem vorzeitigen Ausfall und einem Motorausfall führt. Durch die Motorlager können auch Ströme fließen, was deren Lebensdauer stark verkürzt.

Die beste Lösung für all diese Probleme ist die Verwendung von Motoren mit Umrichterbetrieb, die speziell für den Einsatz in Frequenzumrichtern entwickelt wurden.

Spannungsungleichgewicht
Drehstrommotoren, die nicht von einem VFD gespeist werden, können auch aufgrund eines anderen Netzqualitätsproblems ausfallen:Spannungsunsymmetrie. Eine um nur 1 Prozent unausgeglichene Phasenspannung kann zu einer sechs- bis zehnmal größeren Unsymmetrie des Motorstroms führen. Solch ein übermäßiger Stromfluss kann schnell zu einer Überhitzung der Motoren führen.

Um die Unsymmetrie zu bestimmen, messen Sie die Spannung von Phase zu Phase für jede der Phasen A-B, A-C und B-C. Addieren Sie die drei Messwerte und teilen Sie sie durch drei. Dies ist die durchschnittliche Spannung von Phase zu Phase. Wenn einer der drei Einzelwerte um mehr als 1 Prozent vom Durchschnitt abweicht, liegt eine Spannungsasymmetrie vor.

Bei einer Spannungsasymmetrie von 5 % überhitzt der Motor typischerweise und wird zerstört. Im Allgemeinen besteht das Problem darin, dass zu viele einphasige Verbraucher von einer einzelnen Phase versorgt werden. Diese Lasten müssen gleichmäßig auf die Phasen an der Schalttafel verteilt werden, um das Problem zu beheben.

Allgemeine Richtlinien
Alle elektrischen und elektronischen HLK-Geräte haben spezifizierte elektrische Versorgungsparameter. Wenn sie nicht eingehalten werden, wird lediglich sichergestellt, dass die Ausrüstung nicht wie geplant funktioniert. Ein ventilatorbetriebenes VAV-Terminal ist ein typisches Beispiel für Geräte mit bestimmten Anforderungen an die Stromversorgung.

Wenn Sie einen fehlerhaften Betrieb dieses Geräts feststellen, überprüfen Sie, ob die Parameter für die Stromversorgung eingehalten werden. Bei solchen Geräten muss die AC-Eingangsspannung innerhalb von 10 Prozent der Nennspannung bei Nennfrequenz liegen. Auf dem Typenschild ist die Nennspannung des Geräts angegeben. Beispielsweise müssen Geräte mit einer Nennspannung von 208 V eine Versorgungsspannung zwischen 187 V und 229 V haben. Bei der Fehlersuche an Geräten werden nicht selten niedrige Spannungen festgestellt.

Tools
Es ist auch wichtig, beim Messen von Spannungs- und Stromwerten einen Echteffektivwertmesser zu verwenden. Heutige moderne HLK-Systeme erzeugen nicht nur Oberwellenströme, sie können aufgrund der durch diese Oberwellen erzeugten Sinuswellenverzerrungen auch nicht richtig funktionieren. Ein durchschnittlich ansprechendes Messgerät, das von vielen HLK-Technikern verwendet wird, liefert keine genauen Messwerte, wenn Oberwellen vorhanden sind.

Durchschnittlich ansprechende Messgeräte messen Strom und Spannung von sinusförmigen Wellenformen bei 60 Hz ohne vorhandene Oberwellen. Nichtlineare Lasten wie VFDs erzeugen nicht-sinusförmige Wellenformen sowie Ströme und Spannungen bei verschiedenen Frequenzen. Um die Werte in diesen Versorgungskreisen abzulesen, müssen Sie das richtige Messgerät verwenden. Nur Echt-Effektivwert-Messgeräte liefern Ihnen die richtigen Messwerte.

Versorgungsspannung
Wenn die Versorgungsspannung unter der Niederspannungsspezifikation liegt, können Sie mit zwei Problemen mit HLK-Geräten rechnen. Erstens wird die Motorlebensdauer verkürzt, da Motoren überschüssigen Strom ziehen, um die benötigte Leistung bei der niedrigeren Spannung zu erzeugen. Zweitens funktioniert die Elektronik nicht richtig, da der Stromversorgungsteil der elektronischen Steuerung nicht genügend Spannung hat, um die Kondensatoren in ihren Filterkreisen aufzuladen.

Elektronische Komponenten, die normalerweise nur mit 5 Volt Gleichstrom arbeiten, werden jetzt stark von einer niedrigen Eingangsspannung beeinflusst. Erwarten Sie abhängig vom Schweregrad der niedrigen Eingangsspannung einen fehlerhaften Betrieb und Fehlalarme. Und denken Sie daran, dass Sie ohne den Echteffektivwertmesser möglicherweise kein genaues Bild der tatsächlichen Versorgungsspannung haben.

Der Wechselstrom muss auch innerhalb von 5 Prozent der Nennfrequenz bei der Nennspannung an einem typischen VAV-Anschluss liegen. Im Allgemeinen ist dies beim Betrieb mit Netzstrom kein Problem. HVAC-Profis berichten jedoch von zahlreichen Problemen mit Spannung und Frequenz beim Betrieb an Standby-Generatoren. Stellen Sie sicher, dass Sie alle Spezifikationen der eingehenden Stromversorgung für alle Stromquellen überprüfen, die für das HLK-System erforderlich sind.

Eine zusätzliche Anforderung des Geräteherstellers besteht darin, dass die Versorgung „einer kombinierten Spannungs- und Frequenzschwankung von 10 Prozent (der Summe der Absolutwerte) der Nennwerte entsprechen muss, vorausgesetzt, die Frequenzschwankung überschreitet nicht 5 Prozent der Nennfrequenz“. Auch hier tritt dieses Problem am wahrscheinlichsten im Standby-Betrieb auf. Es stehen mehrere Optionen zur Verfügung, um Steuerungsprobleme beim Betrieb mit Standby-Strom zu stabilisieren. Dies erfordert zwar die Zusammenarbeit mit den entsprechenden Systemingenieuren und Technikern, der erste Schritt besteht jedoch darin, sicherzustellen, dass Sie über genaue Messwerte verfügen, um Ihre Behauptung zu untermauern, dass das Steuerungsproblem auf einer instabilen Standby-Stromversorgung beruht.

Zusammenfassung
Viele HLK-Fehlerbehebungsprobleme werden weiterhin durch Routineaufgaben wie das Überprüfen von Sicherungen, das Prüfen auf das Vorhandensein von Spannung an einem Schütz und das Überprüfen, ob der Stromfluss die Motortypenschilddaten überschreitet, gelöst werden. Bei Systemen mit elektronischen Steuerungen und VFDs treten jedoch aufgrund von Problemen mit der Stromqualität Probleme auf.

Heutzutage erweitern viele HLK-Experten ihre Fähigkeiten und ihr Wissen in diesem Bereich. Je mehr Steuerungen in HLK- und Gebäudesystemen verwendet werden, desto mehr Probleme mit der Netzqualität treten auf. Die Verwendung von Echteffektivwert-Messgeräten und -Analysatoren, die elektrische Parameter im Laufe der Zeit protokollieren, wird die Isolierung und Korrektur von Problemen mit schlechter Netzqualität erheblich verbessern. Richtiges Wissen, gepaart mit den richtigen Werkzeugen, hilft Wartungsprofis sehr dabei, viele Probleme im Zusammenhang mit heutigen HLK-Systemen zu lösen.

Weitere Informationen finden Sie auf der Website der Fluke Corporation unter www.fluke.com.