VFD-Fehlersuche bei einer Wasser-Wiederaufbereitungsanlage

06-20-2013 | Digitalmultimeter
  • Messgeräte: Digitalmultimeter 87, Digitalmultimeter 289, Isolationsmessgerät *1520
  • Bediener: Feingerätemechaniker Bill Moreno bei der Wasserversorgungsabteilung von Palm Beach County in der Southern Region Water Reclamation Facility
  • Messungen: VFD-Ausgangsfilterung, Min./Max.-Frequenzmessungen, Spannungsunsymmetrie Phase-Phasenleiter, Prüfung von Motor-Isolationswiderständen

Palm Beach County, Florida, hat 1.274.013 Einwohner (Volkszählung von 2006), die viel Abwasser produzieren. Um mit der Verarbeitung der täglich anfallenden 132 Millionen Liter adäquat umgehen zu können, arbeitet die Anlage der Southern Region Water Reclamation Facility der Wasserversorgungsabteilung von Palm Beach County rund um die Uhr. Etwa die Hälfte dieser Wassermenge wird für das Wiederaufbereitungsprogramm des Bezirks vor allem für die Bewässerung von Golfplätzen und die private Rasenbewässerung der umliegenden Gebiete verwendet und ein Teil wird in die nahegelegenen Feuchtgebiete der Wakodahatchee Wetlands geleitet. In der Nähe befindet sich auch ein kürzlich fertiggestelltes Feuchtgebiet mit einer Größe von 40 Hektar, in dem zusätzlich etwa siebeneinhalb bis elfeinhalb Millionen Liter täglich recycelt werden können.

In der Wiederaufbereitungsanlage arbeiten knapp 30 Beschäftigte, wobei sich die Hälfte um den Anlagenbetrieb kümmert und die andere Hälfte um die Instandhaltung. Hierzu gehören zwei Elektriker, zwei Feingerätemechaniker, vier Mechaniker, zwei Arbeiter für allgemeine Instandhaltungsarbeiten und ein Leiter des Instandhaltungsteams.

Die Anlage verfügt über ein eigenes Energieverteilungssystem von 4.160 V und versorgt 9 bis 10 Gebäude, die sich über das 53 Hektar große Gelände verteilen. Alle Gebäude verfügen über redundante Transformatoren, die die 4.160 V auf verwendbare 480 V heruntertransformieren.

Zum Steuersystem gehören 120-V-Schaltschränke und ca. 20 Steuerungssysteme Allen-Bradley PLC-5s, die über ein Data-Highway-Plus-(DH+)-Netzwerk mit Glasfaser-Konverter-Modulen und innerhalb der Gebäude über ein Data-Highway-Netzwerk mit twinaxialen Blue-Hose-Kabeln kommunizieren. Die PLC/SPS steuern das System über 24-V-Remote-E/A, 4–20-mA Ein- und Ausgänge und LAN mit einen SCADA-System mit Informationen u. a. über Durchflüsse, Wasserstände, Druck, Temperatur, Leitfähigkeit, Chlorgehalt, Pumpgeschwindigkeit.

Zur Betriebsausrüstung gehören etliche 480-V-Motoren, die Pumpen und Gebläse antreiben. Die Motorsteuerungen umfassen spannungsreduzierte 700-PS-Anlasser, 400-PS-Softstarts und Antriebe mit variabler Frequenz (variable frequency drives, VFDs) im Bereich von 1 PS bis 500 PS.

Draufsicht Wasserversorgungsabteilung von Palm Beach County in der Southern Region Water Reclamation Facility.

Zur Gewährleistung des reibungslosen Motorbetriebs verfügt die Anlage über ein Programm zur vorbeugenden Instandhaltung (preventive maintenance, PM), bei dem ein Großteil aus regelmäßigen Messverfahren besteht. Dies soll Entwicklungen erkennen, die sich nachteilig auf den Betriebsablauf auswirken.

„Bei den VFDs“, so Feingerätemechaniker Bill Moreno, „bedeutet dies die Beobachtung der Eingangsspannung und die Verfolgung der Sekundärspannung zu den Motoren und die Stromstärke, damit wir Referenzdaten für die Fehlersuche besitzen.“ Moreno führt an den Motoren außerdem periodische Isolationswiderstandsprüfungen durch. „In der Praxis ist dies natürlich nicht immer notwendig“, sagt er, „so sensibel, wie die Antriebe heutzutage sind, aber zur Sicherheit verfolge ich die Werte und das hat sich bis jetzt bewährt.“ Früher benutzte er ein kurbelbetriebenes Instrument, aber seit fünf Jahren verwendet er ein Isolationsmessgerät Fluke 1520*. Ein Kollege von ihm, der Elektriker ist, verwendet ein Isolations-messgerät Fluke 1503.

Fehlersuche bei einer intermittierenden Störung

Bis vor kurzem verwendete Moreno am häufigsten das Digitalmultimeter Fluke 87. Er fand es vor allem bei einer komplizierten Fehlersuche bei einem Motor hilfreich, der von einem Antrieb mit variabler Frequenz mit 500 PS angetrieben wurde. Der Motor lief in der Regel 12 bis 24 Stunden störungsfrei und begann danach, einen intermittierenden Kurzschluss anzuzeigen. Anfängliche Prüfungen deuteten entweder auf ein Problem beim VFD oder auf einen Kurzschluss im Motor hin. Der Hersteller des VFD tippte eher in Richtung Motorproblem, also führte Moreno eine Prüfung des Isolationswiderstands durch. „Immer wenn wir den Motor prüften“, sagte er, „ergaben die Messungen einen Wert um 80, 100 Megaohm.“ „Für manche Leute mag dies tief erscheinen“, fährt er fort, „es handelt sich aber hier um einen Außenmotor und hier unten ist die Luftfeuchtigkeit hoch ... Wir bekommen einfach keinen hohen Messwert.“ Außerdem war der Messwert relativ konstant im Vergleich zu vorangegangenen Messungen, die im Rahmen des Programms für die vorbeugende Instandhaltung durchgeführt wurden.

„Er bestellte daraufhin den Motorhersteller, der eine Überspannungsprüfung am Motor durchführte und dessen Funktion als normal befand – eine gute Sache“, sagte Moreno, „da der Ausbau eines 500-PS-Motors sehr arbeitsintensiv ist.“ Nun blieb nur noch der Antrieb übrig, aber wie konnte man dies begründen?

Im Sumpfgebiet Green Cay werden täglich etwa siebeneinhalb bis elfeinhalb Millionen Liter recycelt.

Die Mitarbeiter des technischen Kundendiensts des Antriebsherstellers schlugen einen Diodentest vor, dieser ergab, dass die Dioden ordnungsgemäß funktionierten. Als Nächstes wurde vorgeschlagen, den Antrieb vom Motor zu isolieren, damit festgestellt werden konnte, ob die Spannungen Phase-Phasenleiter sich innerhalb eines Bereichs von 1 bis 2 Prozent voneinander befanden. Die Trennung des Motors war einfach: Es musste nur der Ausgangsschütz abgeschaltet werden. Leider hatte Moreno keine Möglichkeit, die Spannung Phase-Phasenleiter zu messen. Es war ein Leistungsanalysator vorhanden aber der konnte nur die Spannungen Phase-Erde messen, was uns nicht weiterhalf.

Dann kam er auf eine Idee: Er organisierte drei Digitalmultimeter Fluke 87, brachte sie am Schaltfeld mithilfe des ToolPak-Zubehörs an und schloss sie zwischen den Phasen an. Danach betrieb er den Antrieb bei Kapazitäten von 25, 50, 75 und 100 Prozent und erkannte eine „ungefähre Spannungsunsymmetrie von 3 bis 4 Prozent“. Die Ergebnisse teilte er dem Antriebshersteller mit, der daraufhin zu dem Schluss kam, dass es sich bei dem Problem um eine beschädigte Antriebsleiterplatte handelte, woraufhin er eine neue bestellte. Das Problem war gelöst, ohne dass der Motor ausgebaut werden musste.

Auf der Suche nach einem neuen Messgerät

Obwohl es sich beim Digitalmultimeter 87 um ein gutes und vielseitiges Messgerät handelt, dachte Moreno über ein Gerät nach, das über eine Aufzeichnungsfunktion und einen Tiefpassfilter für genauere Spannungs- und Frequenzmessungen bei VFDs und anderen Geräten mit elektrischem Rauschen verfügt. Er beschloss, ein Echteffektiv-Logging-Multimeter Fluke 289 mit Trenddarstellung (TrendCapture) für den Industrieeinsatz zu bestellen.

Lösung für ein schwieriges Schwingungsproblem

Das neue Digitalmultimeter 289 stellte seine Fähigkeiten unter Beweis, als Moreno sich mit einem verwirrenden Problem konfrontiert sah. Ein 500-PS-Motor für den Antrieb einer Pumpe kam aus der Motorwerkstatt zurück, in der er neu zusammengebaut wurde und als „symmetrisch“ galt. Als er jedoch an die Pumpe angeschlossen und hochgefahren wurde, erreichte er etwa 95 % seiner vollen Drehzahl, bevor er aufgrund von Schwingungen auslöste. Zur Fehlersuche wandte sich Moreno zuerst dem 120-V-Wechselspannungssteuerkreis des VFDs zu, der sich in einem Schaltfeld neben dem eigentlichen VFD befindet und an Elemente wie Schwimmer für die Niedrigwasserabschaltung und das Schwingungs-/Temperaturüberwachungssystem angeschlossen ist. Leider waren die Spannungswerte verwirrend. Selbst bei geöffnetem Freigaberelais war immer noch eine Kabelspannung von 90 V vorhanden. Was hatte das zu bedeuten und wo kam sie her?

Die 120-V-Steuerkabel teilen sich einen Kabelkanal mit der 480-V-Leistungsverdrahtung. Vielleicht war dies die Quelle der mysteriösen Spannung. Moreno schaltete daraufhin sein Digitalmultimeter 289 in die Betriebsart LoZ, bei der eine niedrige Impedanz über den Eingangsanschlüssen des Messgeräts angelegt wird. Dies soll Phantomspannungen ausschließen. Sobald er diesen Prozess durchgeführt hatte, war die Streuspannung verschwunden. Keines seiner vorherigen Messgeräte verfügte über eine LoZ-Funktion und die Erkennung der Streuspannung hätte sich als schwierig erwiesen. Mit dem Digitalmultimeter 289 war dies jedoch kein Problem.

Ein Problem war gelöst, aber der Motor löste immer noch aus. Moreno begann also nach der genauen Drehzahl zu suchen, bei der die Auslösung stattfand. Er schloss sein Digitalmultimeter 289 an den Ausgang des VFD für den Motorantrieb an und wechselte zur Tiefpassfilterfunktion des Messgeräts. Der Ausgang eines VFD verfügt über eine Vielzahl von unregelmäßigen Wellenformen und Oberschwingungen bis in den kHz-Bereich und dies ist der Grund, warum es ziemlich schwierig ist, mit einem konventionellen Digitalmultimeter genaue Frequenzmesswerte wiederzugeben. Wenn die Funktion für den Tiefpassfilter aktiviert wird, registriert das 289 ausschließlich die Ausgangs-Netzfrequenzkomponenten (siehe unten) und zeigt einen genauen Frequenzmesswert an.

Mit der Tiefpassfilter-Funktion kann das Digitalmultimeter 289 eine genaue Messung des VFD-Ausgangs durchführen.

Moreno verwendete außerdem die Min./Max.-Frequenzfunktion mit Zeitmarke, um die genaue Frequenz zu ermitteln, bei der die Auslösung stattfand, und fand schließlich heraus, dass das Problem nicht beim Motor selbst lag, sondern in der Art, wie er verwendet wurde. Die Pumpe befindet sich ca. 6 Meter unterhalb des Motors und es stellte sich heraus, dass trotz perfekter Motorsymmetrie keine Symmetrie herrschte, wenn Pumpe und Motor kombiniert wurden. Die Lösung des Problems bestand darin, eine Symmetrie für Motor und Pumpe gemeinsam herzustellen.

Moreno hat das Digitalmultimeter 289 auch zur Kalibrierungsprüfung bei einem Ventilantrieb verwendet, bei der Messung des Geräterückführsignals von 4 bis 20 mA – das erste Mal, dass er diese Option verwendet hatte. „Sobald ich es eingerichtet hatte, funktionierte es erstklassig", sagt er. Morenos Gesamteindruck? „Dieses Messgerät ist wirklich toll; ich bin sehr zufrieden damit.“

* Das 1520 wurde durch das Isolationsmessgerät 1507 oder das 1503 ersetzt.