Anwendungsbeispiel

Differenzstrommonitoring einer Produktionsmaschine mit unterschiedlichen drehzahlgeregelten Motoren

Heute ist der drehzahlgeregelte, dreiphasige Motor ein Standardelement in allen automatisierten Prozessanlagen und Geschäftsgebäuden. Hocheffiziente Asynchronmotoren, aber insbesondere auch Motortechnologien wie Permanentmagnetmotoren, EC-Motoren und Synchron-Reluktanzmotoren, erfordern eine Steuerung über Frequenzumrichter; bei vielen Motortypen ist der direkte Betrieb über eine 3-phasige Standardstromversorgung sogar überhaupt nicht mehr möglich.

Dieser Entwicklung stehen jahrzehntelange Sicherheitsrichtlinien gegenüber, die den Personen-, Brand- und Anlagenschutz garantieren sollen. Beispielsweise muss eine wiederkehrende Überprüfung von Niederspannungsinstallationen gemäß der IEC 60364-6 (Edition 2.0 2016-04) erfolgen. Unter Punkt 6.5.1.2 ist unter anderem die Überprüfung des Isolationswiderstands gefordert, bei der eine Prüfspannung zwischen dem jeweiligen Leiter und dem PE-Schutzpotential angelegt wird. Viele Hersteller von Frequenzumrichtern verbieten ausdrücklich diese Prüfung an ihren Geräten. Daher muss bei dieser Messung der Frequenzumrichter abgeklemmt werden, um eine mögliche Schädigung zu verhindern. Einen Ausweg bietet uns ebenfalls die IEC 60364-6 unter Punkt 6.5.1.2. Hier erklärt die Norm:

“Where a circuit is permanently monitored by an RCM in accordance with IEC 62020 … it is not necessary to measure the insulation resistance if the function of the … RCM is correct.”

Die im Zusammenhang mit dem SCT5xxx genannte IEC 62020 beschreibt die technischen Randbedingungen, die ein Differenzstrommonitor erfüllen muss, um als vollständiges Substitut zur herkömmlichen Messung des Isolationswiderstandes anerkannt zu werden.

Ein Anstieg der gemessenen Pegel mit dem Differenzstrommonitor kann auf einen Fehler in der Isolation der Anlage hindeuten. Eine anschließende Überprüfung der Anlage kann dann zeitlich abgestimmt erfolgen, so dass ein unkontrolliertes Abschalten der Anlage und eine ungewollte Unterbrechung der Produktionsabläufe vermieden werden kann. Im Gegensatz zur herkömmlichen Isolationsmessung wird die Anlage durch das Differenzstrommonitoring lückenlos überwacht und Fehler in der Isolation können sofort detektiert werden.

Es handelt sich somit um ein Vorgehen, das als Predictive Maintenance Lösung eingeordnet werden kann. Bei der Inbetriebsetzung eines Differenzstrommonitors sind oftmals einige Randbedingungen zu beachten, um eine korrekte Funktion zu gewährleisten.

Durch den Einsatz von Frequenzumrichtern in Produktionsmaschinen, ist in der überwiegenden Mehrzahl der Fälle ein systembedingter Ableitstrom vorhanden, der die handelsüblichen Residual Current Protective Devices (RCDs) vor Probleme stellen kann. Während Fehlerströme zumeist aus einem hohen ohmschen Anteil bestehen, sind die systembedingten Ableitströme überwiegend kapazitiv. Der RCD kann aber nicht zwischen den verschiedenen Ableitströmen unterscheiden. Deshalb kann er bereits auslösen, wenn die Summe aller systembedingten Ableitströme über dem Auslöseschwellwert liegt. Dies ist auch im normalen Betrieb möglich.

Wie in der Abbildung ersichtlich, können unterschiedliche Frequenzanteile im Differenzstrom von DC bis zu mehreren kHz auftreten. Bei der Analyse des gemessenen Differenzstroms muss der systembedingte Differenzstrom immer mitbetrachtet werden, denn dieser ist trotz perfekter Isolation vorhanden und kann technisch nicht separiert werden. Auch können aufgrund von Induktivitäten (z. B. Motor) hohe Stromspitzen während der Einschaltvorgänge generiert werden, die zu Relaisauslösungen bei den RCDs und RCMs führen können.

Generell können die unterschiedlichen Frequenzanteile folgendermaßen interpretiert werden:

Wichtig bei der Inbetriebnahme eines Differenzstrommonitors ist das Wissen über den tatsächlichen systembedingten Ableitstrom. Nur so können entsprechende Warnschwellen und Relais-Auslöseschwellen sinnvoll gesetzt werden.