Strom- und Energiemesstechnik So lassen sich Prozesse sicher beherrschen und wirksam optimieren

Autor / Redakteur: Jürgen Hobein, Andreas Senger* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

 Das Sammeln und Lesen von Informationen spielt nicht nur im privaten Bereich eine wichtige Rolle. Wichtige Daten über Produktionsanlagen und Prozesse in der Industrie zu erfassen und auszuwerten wird ebenfalls immer bedeutsamer. Denn so kann der Betreiber seine Anwendung sicher beherrschen und optimieren. Zu den wesentlichen Bestandteilen einer verbesserten Energiemessung gehören: Verbrauch ermitteln und zuordnen sowie Ausfälle vermeiden.

Die industrielle Nutzung stellt unterschiedliche Anforderungen an die Messung und Überwachung elektrischer Größen. Für jede Anwendung gibt es eine passende Lösung.
Die industrielle Nutzung stellt unterschiedliche Anforderungen an die Messung und Überwachung elektrischer Größen. Für jede Anwendung gibt es eine passende Lösung.
(Bild: Phoenix Contact)

Zu diesem Zweck steht den Unternehmen eine Reihe von Verfahren zur Verfügung, um die Informationen zu sammeln, zu analysieren und unter Umständen direkte Maßnahmen einzuleiten. Im Folgenden soll insbesondere auf die Messung von elektrischen Größen und die damit verbundenen Überwachungsmöglichkeiten eingegangen werden.

Überwachung von Antrieben auf Unter- und Überlastung

Bei der Überwachung von Antrieben stehen im Wesentlichen ihr Schutz sowie der der Anlage im Vordergrund. Dazu werden je nach Applikation verschiedene Größen gemessen und ausgewertet.

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Soll beispielsweise nur der ordnungsgemäße Betrieb eines Ventilators betrachtet werden, der über einen Keilriemen von einem Motor angetrieben wird, bietet sich eine Unterlast-Überwachung an. Dafür wird zum Beispiel der Cosinus Phi des Antriebs erfasst und analysiert. Die Alarmierung erfolgt über einen Relaiskontakt. Eine Strommessung dient der Kontrolle des Antriebs auf Überlastung. Sie ist aber lediglich dort sinnvoll, wo der Antrieb genau auf die Anwendung angepasst und nicht überdimensioniert ist. In diesem Fall könnte sich der tatsächliche Strom auch bei einer Überlastung kaum verändern. Deshalb sollte die elektrische Leistung aufgenommen und ausgewertet werden, weil sie direkten Aufschluss über die mechanische Leistung geben kann.

Zur Analyse und Reaktion sind je nach Überwachungseinheit unterschiedliche Geräte erhältlich. Das Spektrum reicht von Komponenten mit einfachen Relaiskontakten für die Abschaltung/Information bis zu Geräten wie dem Elektronischen Motor-Manager EMM, die direkt im Motorkreis schalten können und über ein Bussystem ansteuerbar sind.

Messung von AC- und DC-Strömen

Zur korrekten Messung elektrischer Ströme müssen Komponenten eingesetzt werden, die für die jeweilige Signalform geeignet sind. Stromwandler fungieren beispielsweise zur Erfassung hoher AC-Ströme in Schaltanlagen. Nur wenn die Ströme permanent gemessen werden, lassen sich die einzelnen Abläufe sicher beherrschen und mögliche Störungen sofort erkennen.

Dazu sind die Stromwandler sowohl in der Einspeisung des Schaltschranks als auch in den abgehenden Unterverteilungen der einzelnen Antriebe installiert. Sie nehmen ausschließlich Wechselströme auf und arbeiten nach dem Transformatorprinzip. Zur Messung wird der Strom führende Leiter durch die Öffnung des Stromwandlers geführt. Sekundärseitig gibt das Gerät 1 A oder 5 A aus. Ein nachgeschalteter Strommessumformer konvertiert daraus ein Normsignal, das als Eingangsgröße für die Steuerung erforderlich ist.

Punktgenaue Überwachung von PV-Anlagen

In Photovoltaik-Anlagen treten verschiedene neuralgische Punkte auf, an denen eine gezielte Überwachung sinnvoll und notwendig ist. Komponenten wie Solarcheck werden zur Kontrolle einzelner Strings genutzt.

Dadurch lassen sich vor allem in weit ausgedehnten Anlagen Fehler direkt örtlich zuordnen und gezielt beheben. Die Messtechnik basiert auf Hall-Sensoren, sodass die String-Leitungen zur Messung einfach durch die Löcher im Gerät geführt werden müssen. Je nach Verschaltung der PV-Anlage sind eine oder mehrere Sammelebenen von Strings bis zum Wechselrichter eingebaut. Die Stromüberwachung wird dann über DC-Strommessumformer realisiert. Hier werden Ströme bis zu mehreren hundert Ampere erfasst und stehen ebenfalls zur gezielten Zuordnung von Fehlern oder Verlusten zur Verfügung. Die Messung erfolgt berührungslos über Hall-Sensoren.

Der Strommessumformer kann neben DC-Strömen auch AC- und stark verzerrte Ströme in einem breiten Frequenzspektrum sicher messen. Daher wird er auch verwendet, um AC-seitig eine vom Wechselrichter unabhängige Überwachung der Ströme zum Beispiel am Einspeisepunkt der PV-Anlage zu ermöglichen. Die Messdaten liegen in Form von Normsignalen vor.

DC-Ströme können ebenfalls per Shunt gemessen werden. In diesem Fall fließt der aufzunehmende Strom über einen Widerstand und verursacht dort einen Spannungsfall. Ein nachgeschalteter Spannungsmessumformer generiert aus dem Spannungs- ein Normsignal. Die DC-Strommessung mittels Shunt-Widerstand ist etwas aufwändiger, da Zeit für die Installation des Shunts, die notwendigen Abdeckung sowie das Anschließen der elektrischen Leitungen benötigt wird. Darüber hinaus nehmen die einzelnen Komponenten im Vergleich zum schmalen Strommessumformer mehr Platz im Schaltschrank in Anspruch.

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