Probleme nach energetischen Upgrades von Anlagen lösen

Der Versuch, Energiekosten zu sparen, ist nicht immer so einfach, wie es scheint. Die Installation von Frequenzumrichtern (VFDs) und die Nachrüstung von Beleuchtungssystemen sind zwei der schnellsten und am weitesten verbreiteten Wege, um erhebliche Energieeinsparungen zu erzielen. Dadurch können jedoch neue Probleme auftauchen.

Einer der ersten Schritte zur Lösung dieser Probleme besteht darin, zu verstehen, dass die energieeffizienten Geräte selbst die Ursache sein können. Während die meisten energiesparenden elektronischen Vorschaltgeräte, Beleuchtungssteuerungen und
VFDs in modernen Stromverteilungssystemen problemlos funktionieren, können diese Geräte in älteren Einrichtungen zu Albträumen bei der Fehlersuche führen.

Elektrische Probleme, die aus hocheffizienten, energiesparenden Upgrades resultieren, fallen in einen oder mehrere von drei Bereichen:

• Bewerbung
• Installation (einschließlich Start)
• Wartung

VFD-Nichtübereinstimmungen
Eine der häufigsten energiesparenden Anwendungen in Einrichtungen ist der Einsatz von VFDs an Kreiselpumpen, Lüftern und Gebläsen. Das Variieren der Motordrehzahlen ist ein viel effizienterer Weg, um die Durchflussmengen zu steuern und dadurch die Wassertemperaturen aufrechtzuerhalten, als den Motor und die Pumpe mit voller Geschwindigkeit zu betreiben und ein Ventil zu drosseln, um die Durchflussmengen anzupassen. Es treten jedoch Probleme auf, wenn:

• Das VFD wurde nicht richtig dimensioniert und ausgewählt
• Die Installation von Antrieb und Motor wurde nicht mit Blick auf einen VFD durchgeführt
• Parameter wurden beim Start nicht richtig eingestellt
• Die Auswirkungen von Oberschwingungsströmen wurden bei der Konstruktion nicht berücksichtigt und bei der Wartung berücksichtigt

Der nichtlineare Effekt elektronischer Lasten
Frequenzumrichter sind komplexe elektronische Geräte, sogenannte nichtlineare Lasten, die ihre Ausgangsspannung und -frequenz variieren, um die Motordrehzahl zu steuern. Das Verteilungssystem liefert Spannung, jedoch fließt kein Strom in den VFD, bis die Gleichrichterschaltung im Umrichterabschnitt zu leiten beginnt. Da der Strom beim Anlegen einer Spannung nicht linear fließt, wird das Gerät als „nichtlinear“ bezeichnet.

Wenn die Dioden plötzlich einen Stromfluss zulassen, erzeugt dies eine „Kerbe“ auf der Sinuswelle, die eine Sinuswellenverzerrung verursacht. Die VFD-Gleichrichterschaltung bewirkt auch, dass Ströme in Vielfachen von 60 Hertz (Hz) in das Verteilungssystem zurückfließen. Strom, der in Vielfachen der Grundwelle zurückfließt, wird als harmonischer Strom bezeichnet. Die dritte Harmonische ist das Dreifache der Grundwelle von 60 Hz oder 180 Hz. Der Strom der fünften Harmonischen liegt bei 300 Hz und so weiter.

Oberschwingungen
Diese Oberschwingungsströme neigen nicht nur dazu, die Spannung in der gesamten Anlage zu verzerren, sondern bestimmte Oberschwingungsfrequenzen verursachen Probleme, die nur für diese Oberschwingung gelten. Beispielsweise verursacht die dritte Harmonische eine Überhitzung in Neutralleitern und Transformatoren. Die fünfte Harmonische kann zu Motorproblemen wie Überhitzung, anormalen Geräuschen und Vibrationen und Motorineffizienz führen.

Das Fazit:Alle elektronischen Geräte erzeugen Oberwellen und verzerren die werksintern verteilte Spannung.

Andere typische nichtlineare Lasten, die während der Energieaufrüstung hinzugefügt werden, umfassen elektronische Vorschaltgeräte, Computer, Steuerungen (SPS usw.) und verschiedene Komponenten von Gebäudeautomationssystemen. Verwenden Sie beim Messen nichtlinearer Lasten, insbesondere des Stroms, immer ein auf Echteffektivwerte reagierendes Prüfgerät. Weitere Informationen zu den Gründen für True-rms finden Sie unter www.fluke.com/true-rms.

Sensible Steuerelemente
Hier liegt die Ursache des Problems:Moderne Steuerungssysteme reagieren oft sensibel auf Qualitätsprobleme der zugeführten elektrischen Energie. Das bedeutet, dass nichtlineare Lasten mit hohem Wirkungsgrad nicht nur bei anderen empfindlichen Anlagenteilen, sondern auch bei sich selbst Betriebsprobleme verursachen. Ironischerweise verursachen gerade die zum Energiesparen installierten Geräte oft Ineffizienzen und unerwartete Wartungskosten.

Glücklicherweise können einige schnelle Überprüfungen und grundlegende elektrische Fehlersuche viele Probleme lösen.

Beispiele zur VFD-Fehlerbehebung
Schlechte Motordrehzahlregelung und/oder Fehlauslösungen: Ein typisches VFD-Problem, das in der Praxis auftritt, besteht beispielsweise darin, dass der Antrieb die Motordrehzahl nicht richtig regelt und es sogar zu Fehlauslösungen kommen kann. Die zwei wahrscheinlichsten Ursachen für dieses spezielle Problem:

• Spannungsasymmetrie an den drei Phasen, die den Antrieb versorgen
• Oberwellen fließen aus dem Antrieb zurück ins Verteilsystem

Beispielsweise können bei einer Kältemaschine mit installiertem VFD aufgrund von verzerrten Sinuswellen, die durch die Oberwellen erzeugt werden, Temperaturregelungsprobleme an bestimmten Stellen im System auftreten. Diese Verzerrung beeinflusst den Betrieb von SPS, Temperaturreglern und anderen Steuerungen in der Kältemaschine.

Eine andere Möglichkeit:Wenn die Rückführkabel des Tachometers nicht richtig ausgewählt und installiert sind, werden falsche Motordrehzahlinformationen in den VFD zurückgespeist, wodurch es für den VFD unmöglich wird, die tatsächliche Motordrehzahl zu steuern.

Die Lösung:Führen Sie für diese Niederspannungssignale abgeschirmte Kabel und erden Sie nur an einem Ende.

Achten Sie beim Verlegen dieser Niederspannungsleiter darauf, dass sie nicht in der Nähe von Starkstromleitern verlegt werden. Elektromagnetische Induktion von Stromkabeln kann die Niederspannungssteuerung beeinträchtigen.

Installationsprüfungen: Um Probleme mit der VFD-Steuerung zu beheben, überprüfen Sie zuerst das Installationsdesign. Es besteht die Möglichkeit, dass der richtige Antrieb, Motor und die dazugehörige Ausrüstung ausgewählt wurden – aber überprüfen Sie es trotzdem. Gehen Sie nach unten und beobachten Sie die Installation. Wurden die richtigen Kabeltypen ausgewählt und richtig installiert? Ist die Installation für die Umgebung geeignet, in der sie installiert wird? Sind Gehäuse staubfrei und ausreichend belüftet?

Überprüfung der Drive-Parameter: Überprüfen Sie die im Antrieb programmierten Parameter. Stimmen die eingegebenen Daten mit dem Typenschild des Motors überein? Ist der Antrieb auf ordnungsgemäßen Betrieb eingestellt, z. B. auf variable Drehmomente für energiesparende Pumpen- und Lüfteranwendungen? Wenn der VFD den Motor nicht wie erwartet steuert, kann dies daran liegen, dass die Betriebsparameter entweder nicht richtig eingestellt oder höchstwahrscheinlich von einer wohlmeinenden Person zurückgesetzt wurden, die versucht, andere Probleme zu beheben.

Schnelle Überprüfung der Messung: Messen Sie die VFD-Eingangsspannung mit einem Echteffektivwert-Digitalmultimeter, um sicherzustellen, dass die Spannungsasymmetrie innerhalb der Herstellerspezifikationen liegt. Messen Sie harmonische Frequenzen und Pegel an dem Punkt, an dem der VFD mit Strom versorgt wird, mit einer Stromzange oder einem Stromqualitätsanalysator. Überprüfen Sie auch auf Oberschwingungen an der Abzweigung, wo der Strom zum VFD auch andere Lasten versorgt.

Die Lösung:Wenn ein Spannungsungleichgewicht das Problem ist, verschieben und verteilen Sie einphasige Lasten gleichmäßig. Wenn Oberschwingungen als Ursache gefunden werden, wenden Sie sich an den Umrichterhersteller oder einen Oberwellenfilter-Hersteller und bestimmen und installieren Sie einen richtig abgestimmten Oberwellenfilter.

Probleme bei Beleuchtungsnachrüstungen
Störende Auslösung: Ohne Zweifel sparen Beleuchtungsnachrüstungen Geld auf der monatlichen Stromrechnung. Aber viele Einrichtungen investieren in Beleuchtungs-Upgrades, nur um festzustellen, dass die Lichter flackern oder überhaupt nicht funktionieren. Scheinbar nicht zusammenhängend, überhitzen Drehstrommotoren, Server und Computer versagen und Daten gehen verloren. Es treten plötzlich Fehlauslösungen von Leistungsschaltern auf. Neu installierte elektronische Geräte lösen bei Überspannung oder Übertemperatur auf mysteriöse Weise aus – dennoch zeigen die Geräte keine Anzeichen für solche abnormalen Bedingungen.

Solche Probleme sind im Allgemeinen mit Oberwellen verbunden. Eine IEEE-Studie zeigt, dass diese Oberwellen zu einem erheblichen Problem werden können, wenn Leuchtstofflampen 25 Prozent oder mehr der Anlagenlast ausmachen.

Elektronische Vorschaltgeräte führen oft Oberwellenströme zurück in das Verteilungssystem. Wenn es sich um eine ältere Anlage handelt und für jeden der drei ungeerdeten Außenleiter zum Beleuchtungsstromkreis (gemeinsamer Neutralleiter) nur ein Neutralleiter eingezogen wurde, kann es zur Überhitzung von Neutralleitern, Schalttafeln und Transformatoren kommen. Die Wartung findet und behebt diese Probleme oft.

Ein Tipp:Ziehen Sie bei Bedarf zusätzliche Neutralleiter ein, einen pro Phase insgesamt. Infrarot-Thermografie kann diese Probleme oft erkennen, bevor ein Fehler auftritt.

Dimmersteuerung: Gängige Nachrüstungen von T-8-Lampen mit elektronischen Vorschaltgeräten und der Ersatz von Glühlampen durch Kompaktleuchtstofflampen (CFLs) führen zu erheblichen Energieeinsparungen. Für zusätzliche Energieeinsparungen dimmen Sie die Leuchtstoffröhrenbeleuchtung, wenn nicht die volle Lichtleistung benötigt wird. Dieses Dimmen kann mit manuellen Dimmern oder mit Fotosensoren erreicht werden, die das Lichtniveau je nach Bedarf im Innen- oder Außenbereich erfassen.

Stellen Sie sicher, dass die richtige Art der Dimmersteuerung mit dem zu dimmenden Vorschaltgerät und Lampentyp übereinstimmt. Nichtübereinstimmungen hier können nicht nur zu nicht ordnungsgemäß funktionierenden Geräten, sondern auch zu beschädigten Komponenten des Beleuchtungssystems führen.

Abhängig von der Art der verwendeten Dimmsteuerungen können zusätzliche Steuerkabel installiert werden, die mit 0 bis 10 Volt arbeiten. Wenn Sie diese Steuerkabel während der Installation oder Wartung zu nahe an den Stromleitern platzieren, kann dies zu einer fehlerhaften Beleuchtungssteuerung führen.

Ein Tipp:Halten Sie die Steuerkabel bei der Installation so kurz wie möglich.

Automatische Beleuchtungssteuerungen, die Beleuchtungsbänke nach der Installation von Energiesparsteuerungen unregelmäßig aus- und einschalten, sollten auf ordnungsgemäße Sensorfunktion überprüft werden. Einige Fotosensoren verfügen möglicherweise über eine Totzonenanpassung, um die Zeit zwischen Licht-Aus und Licht-Ein zu ändern.

Motoren überhitzen: Im Rahmen der energiesparenden Beleuchtungsmodernisierungen können Beleuchtungsreihen umgeschaltet werden, um Energie zu sparen. Abhängig von den geschalteten Stromkreisen kann es bei Drehstromnetzen zu Phasenunsymmetrien kommen. Die Wartung bekommt den Ruf, Motoren zu ersetzen, die durch Überhitzung zerstört wurden.

Ein Tipp:Kontrollieren Sie in allen Phasen des Anlagenbetriebs die dem Motor zugeführte Spannung.

Die maximale Spannungsasymmetrie an den Motorklemmen sollte 1 Prozent nicht überschreiten. Der Betrieb eines Motors bei einer Unwucht von mehr als 5 % führt wahrscheinlich zu einem Motorschaden.

Schlussfolgerung
Das beste Werkzeug zur Lösung von Problemen nach einem Upgrade sind gut ausgebildete und gut ausgestattete Mitarbeiter. Die Kenntnis der Funktionsweise der Energiesparanwendung ist der erste Schritt zur Lösung der damit verbundenen Probleme. Überprüfen Sie das Design, die Installation und alle Startverfahren, um viele Probleme zu isolieren und zu beheben. Wenn eine Wartung der Ausrüstung erforderlich ist, verwenden Sie einen logischen, systematischen Ansatz mit den richtigen Werkzeugen, um Probleme zu isolieren.

Sehen Sie sich Abbildung 1 an, um typische Probleme nach energiesparenden Upgrades und Ideen für den Einstieg zu sehen.

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

Abbildung 1. Typische Probleme, die nach Energie-Upgrades und einigen schnellen Überprüfungen zur Behebung von Problemen gemeldet wurden.

Abbildung 2. Um Ihre Energie-Upgrade-Einsparungen zu erhalten, lernen Sie, damit verbundene Probleme intern zu beheben und zu beheben.