Wir werfen zunächst einen genauen Blick auf das erste Segment in einem typischen dreiphasigen Motor- und Antriebssystem – von der Netzstromversorgung am Eingang der Antriebssteuerung zum Antrieb selbst. Dabei konzentrieren wir uns auf Eingangsmessungen. In diesem Anwendungsbericht werden häufig vorkommende Probleme den Messungen zugeordnet, die zur Diagnose dieser Probleme verwendet werden. Wir zeigen, welche Messgeräte in einer bestimmten Situation verwendet werden und welche Anwendung hinsichtlich eines Problems sinnvoll ist, um die Fehlersuche schneller und einfacher zu machen.
Hier die verschiedenen Blöcke eines typischen dreiphasigen Motorantriebssystems (Abb. 1):
- Im ersten Block, dem Eingang der Antriebssteuerung, wird Wechselstrom aus dem Netzstrom an den Antrieb geliefert.
- Der zweite Block umfasst den Antrieb und seinen Ausgang, wo der AC-/DC-Umrichter, der DC-Filter und der DC-/AC-Wechselrichter den Drehstrom an den Motor liefern.
- Im dritten Block stehen der Motor und der Antriebsstrang selbst.
Hinweis: Dieser Artikel bezieht sich auf die Fehlersuche bei dreiphasigen Motor- und Antriebssystemen. Der Inhalt lässt sich nicht zwangsläufig auf einphasige Motoren übertragen.
Einführung in Eingangsmessungen
Bei der Fehlersuche bei einem so komplexen System wie Motor und Antrieb ist es manchmal nicht einfach zu wissen, wo man anfangen soll. Durch Prüfen von Versorgungsspannung, -strom und -frequenz lassen sich Probleme ausschließen, die den Motorantrieb oder die Leistungs- und Unterbrecherschaltkreise betreffen. So sparen Sie Zeit und können die Probleme schneller lösen. Indem Sie feststellen, ob eine Über- oder Unterspannung vorliegt, können Sie zudem die Fehlauslösung von Antriebsschutzschaltern und eine etwaige Beschädigung des Motorantriebs selbst vermeiden.
Eingangsmessungen können an verschiedenen Stellen vorgenommen werden. In Abb. 2 sind verschiedene Eingangspunkte dargestellt, von der Einspeisung der Energieversorgung über Verteilerkasten oder Trennschalter bis zum Stromeingang am Antrieb. Jeder dieser Messpunkte könnte potenziell unterschiedliche Ergebnisse liefern, da die Messpunkte durch andere Lasten in den Schaltkreisen beeinflusst werden können.
Es gibt drei Gründe für die Durchführung von Eingangsmessungen:
- Zur Ermittlung, ob ausreichend Kapazität vorhanden ist, um das Motor- und Antriebssystem zu versorgen
- Zur Ermittlung, ob diese Leistung von angemessener Qualität ist
- Zur Sicherstellung, dass die Antriebslast die Netzqualität im Gesamtsystem nicht negativ beeinflusst, beispielsweise zur Überprüfung, dass der Motorantrieb keine Oberschwingungen erzeugt oder Einbrüche generiert, die andere Abläufe unterbrechen könnten.
Mit der Diagnosearbeit sollte an der Eingangsseite des Motorantriebs begonnen werden, da sich Spannung, Stärke und Frequenz des Stroms, der ein Motorsystem mit regelbarer Drehzahl mit Energie versorgt, kurzfristig auf den Betrieb und langfristig auf seine Lebensdauer und Zuverlässigkeit auswirken können.
Was sind die Nenngrößen von Spannung, Stromstärke und Frequenz?
Die Nenngrößen von Versorgungsspannung, -strom und -frequenz sind die drei wichtigsten Messgrößen für die Spannung, die dem Motor unter normalen Betriebsbedingungen zur Verfügung gestellt wird. Im Allgemeinen bedeutet „Nenngröße“ „wie genannt“. Die Nennspannung ist also der genannte (oder spezifizierte) Wert der Spannung eines elektrischen Verbrauchers; anders ausgedrückt, die Spannung, bei der ein Gerät ordnungsgemäß seine geplante Arbeit erfüllen kann. Die tatsächlichen Werte können von den Nennwerten abweichen; die Nennwerte liefern eine Grundlage für den Vergleich mit den ermittelten Messdaten.
Beginnend am Eingang des Motorantriebs werden Spannung, Stromstärke und Frequenz gemessen. Anschließend werden die erfassten Messdaten mit den Nennwerten verglichen. (Nennwerte sind erwartete Werte, z. B. 480 Volt bei einer 480-Volt-Leistung, die auf dem Typenschild eines Motors angegebene Stromstärke, und eine Frequenz von 50 oder 60 Hz, je nachdem, in welchem Land Sie sich befinden.)
Diese Messungen können mit einem Digitalmultimeter oder einer Stromzange durchgeführt werden, in derselben Weise wie bei einem einphasigen Schaltkreis, aber die Durchführung der Messungen mit einem dreiphasigen Netz- und Stromversorgungsanalysator erleichtert die Arbeit (Abb. 4). Die gleichzeitige Messung von drei Phasen kann auch Interaktionen zwischen den Phasen erkennen lassen, die bei einphasigen Messungen nicht sichtbar sind. Schließen Sie den Netz- und Stromversorgungsanalysator richtig an den jeweiligen Schaltkreistyp (Sternschaltung oder Dreieckschaltung) an.
Die als akzeptabel betrachtete Abweichung vom Nennwert ist abhängig von den örtlichen Gegebenheiten unterschiedlich. Als Regel gilt jedoch:
- Die Spannung sollte innerhalb eines Bereichs von plus/minus 10 Prozent des Nennwerts liegen.
- Die Stromstärke darf die Lastangabe auf dem Typenschild nie überschreiten.
- Die Frequenz muss innerhalb von 0,5 Hz des Nennwerts liegen.
Bewertung der Messdaten
- Wenn die Spannung durchgängig zu hoch ist, sollte das Energieversorgungsunternehmen kontaktiert werden (Abb. 5).
- Ist die Spannung zu niedrig, prüfen Sie, ob der lokale Schaltkreis überlastet ist. Vergleichen Sie dazu die Strommessdaten mit der Spezifikation des Leistungsschutzschalters. Wenn der gemessene Strom innerhalb der Spezifikation des Leistungsschutzschalters liegt, prüfen Sie die Größe des Kabels, über das der Antrieb gespeist wird, um sicherzustellen, dass es den NEC-Anforderungen entspricht.
- Wenn die Spannungsmessdaten in einem akzeptablen Bereich liegen und der Schaltkreis richtig konfiguriert zu sein scheint, aber weiterhin Probleme wie ein Reset des Motorantriebs oder ein Auslösen der Leistungsschutzschalter auftreten, könnten intermittierende Stromversorgungsprobleme vorliegen. Um Probleme zu erkennen, die über einen längeren Zeitraum als den durch ihre anfänglichen Messungen erfassten auftreten, verwenden Sie den Netz- und Stromversorgungsanalysator oder einen Netzqualitätsrecorder, um alle Störungen der Netzqualität im Schaltkreis während einer längeren Messperiode oder bis zum Auftreten des nächsten Fehlers zu protokollieren.
- Liegen alle Messwerte von Spannung, Stromstärke und Frequenz innerhalb eines akzeptablen Bereichs, prüfen Sie, ob eine Spannungs- oder Stromunsymmetrie vorliegt.
Spannungs- und Stromunsymmetrie
Idealerweise sollten die Spannungswerte, die in jeder Phase eines dreiphasigen Systems gemessen werden, gleich sein. Dies gilt auch für Strommessungen. Da eine Spannungs- oder Stromunsymmetrie zu Ausfällen oder Beschädigungen eines Motorantriebs führen kann, ist es wichtig zu wissen, wie diese Messdaten zu interpretieren sind (Abb. 6).
Wenn der Umfang der Spannungs- oder Stromunsymmetrie als Prozentsatz ausgedrückt wird, können Sie das Problem schnell und einfach mit einer einzigen Zahl beschreiben. Um den Prozentsatz der Unsymmetrie zu ermitteln, dividieren Sie die größte an einer Phase gemessene Abweichung durch den Mittelwert aus drei Phasen und multiplizieren Sie das Ergebnis mit 100. Wenn Sie beispielsweise 480 V, 485 V und 490 V gemessen haben, liegt die durchschnittliche Spannung bei 485 V und die größte Abweichung beträgt 5 Volt. 5 Volt dividiert durch 485 Volt ergibt 0,01, d. h. 1 Prozent Spannungsunsymmetrie nach der Multiplikation mit 100.
Eine Spannungsunsymmetrie von lediglich 2 % am Eingang eines Motorantriebs kann schon zu Spannungseinbrüchen und zu einem zu starken Stromfluss in einer oder mehreren Phasen hin zum Motor führen. Durch eine Spannungsunsymmetrie kann auch der Überstrom-Schutz des Motorantriebs ausgelöst werden.
Eine Stromunsymmetrie ist ein Maß für die Differenz im Strom, der von einem Motor in jedem Strang eines Dreiphasensystems gezogen wird. Eine Korrektur der Stromunsymmetrie hilft, Überhitzung und den Verschleiß der Motorwicklungsisolation zu verhindern. Die Stromstärke an jedem der Stränge sollte gleich oder nahezu gleich sein. Eine Ursache einer Stromunsymmetrie ist eine Spannungsunsymmetrie, die eine Stromunsymmetrie nach sich ziehen kann, die in keinem Verhältnis zur Spannungsunsymmetrie selbst steht. Wenn eine Stromunsymmetrie bei Fehlen einer Spannungsunsymmetrie auftritt, sollten Sie nach einer anderen Ursache für die Stromunsymmetrie suchen, z. B. eine fehlerhafte Isolation oder einen Masseschluss einer der Phasen. Die Stromunsymmetrie wird in derselben Weise berechnet wie die Spannungsunsymmetrie. Die maximale Stromabweichung vom Durchschnitt wird mit 100 multipliziert und durch die durchschnittliche Stromstärke der drei Phasen dividiert. Wenn also die gemessenen Stromwerte 30 A, 35 A und 30 A betragen, liegt der Durchschnittswert bei 31,7 A und die Stromunsymmetrie ist
[(35 - 31,7) x 100] ÷ 31,7 = 10,4 %
Bei Dreiphasen-Motoren sollte die Stromunsymmetrie nicht größer als 10 % sein.
Ein hoher Neutralleiterstrom kann auf eine Unsymmetrie hinweisen. In Dreiphasensystemen mit Sternschaltung fließt ein Strom durch den Neutralleiter.
Oberschwingungen
Die vom Energieversorgungsunternehmen gelieferte Frequenz der Spannung von 50 oder 60 Hz wird als Grundfrequenz bezeichnet. Unter Idealbedingungen ist nur die Grundfrequenz vorhanden. Leider können bestimmte elektrische Lasten (z. B. Computer, Steuerungen, Antriebe und energiesparende Beleuchtungssysteme) dazu führen, dass andere Frequenzen in Ihren Messdaten auftauchen. Diese anderen Frequenzen, die Vielfache der Grundfrequenz sind (d. h. 120 Hz, 180 Hz usw. bei einer Grundfrequenz von 60 Hz), werden als Oberschwingungen bezeichnet.
Der Strom an der Zuführung der Versorgungskabel Ihrer Anlage weist normalerweise wenige Oberschwingungen auf (es sei denn, sie gelangen aus einer nahe gelegenen Anlage in die Stromleitungen). In Ihrer Anlage selbst können die Oberschwingungen jedoch hoch sein, wenn viele Geräte vorhanden sind, die Oberschwingungen erzeugen.
Motorantriebe können zwar durch Oberschwingungen beeinträchtigt werden, aber sie sind häufig die Quelle von Oberschwingungen, die sich auf andere Geräte in der Anlage auswirken. Wenn Sie hohe Oberschwingungspegel bei Ihren Antriebsmessungen feststellen, kann es erforderlich sein, die Einführung von Filtern zur Blockierung dieser Oberschwingungen in Betracht zu ziehen.
Transienten
Transienten sind, wie ihr Name andeutet, kurze Ereignisse (weniger als ein halber Zyklus, d. h. weniger als ein 120stel einer Sekunde in einem 60-Hz-System) in der Wechselstromleitung. Transienten werden häufig mit externen Ereignissen assoziiert, beispielsweise Überspannungen durch Blitzschlag, aber Transienten können ihren Ursprung auch in einer Anlage oder einem Gebäude haben. Das Erkennen, die Fehlersuche und das Beseitigen von Transienten ist wichtig, da Transienten Motoren und andere Teile der Motorschaltung beschädigen können.
Die Fehlersuche hinsichtlich Transienten erfordert in der Regel ein Messgerät mit der Möglichkeit einer Fehlererfassungsrate, beispielsweise einen Netz- und Stromversorgungsanalysator oder ein tragbares ScopeMeter® Oszilloskop. Weitere Informationen zum Erkennen von Transienten finden Sie im Bericht „Sechs einfache Möglichkeiten zur Kostensenkung mit dem Netz- und Stromversorgungsanalysator Fluke 434“.
Mit der richtigen Diagnose Fehler beheben
Durch Prüfen von Versorgungsspannung, -strom und -frequenz können Sie Probleme ausschließen, die den Motorantrieb oder die Leistungs- und Unterbrecherschaltkreise betreffen. So sparen Sie Zeit und können die Probleme schneller lösen. Indem Sie feststellen, ob eine Über- oder Unterspannung vorliegt, können Sie zudem die Fehlauslösung von Antriebsschutzschaltern und eine etwaige Beschädigung des Motorantriebs selbst vermeiden.