Maschinenstörungen liegen nicht immer an der Maschine

Immer wieder fällt die Spritzgussmaschine eines kunststoffverarbeitenden Betriebs völlig unerwartet aus. Das kann viele Ursachen haben. Immer häufiger liegt es an einer mangelhaften Spannungs- und Netzqualität – so auch hier. Wie dies festgestellt und behoben wurde, berichtet Rolf Wagner, Leiter Vertrieb bei econ solutions.

Nach den Maschinenausfällen hat der Techniker die Maschine inklusive aller Steuerungen mehrfach überprüft, konnte jedoch nichts feststellen. Eher zufällig entdeckte dann der Produktionsleiter Auffälligkeiten bei der Spannungsqualität, als er die Aufzeichnungen für das betriebliche Energiemanagement auswertete. Hier zeigte sich im Produktionsbereich immer wieder ein ungewöhnlich hoher Oberschwingungsanteil, der für den Maschinenausfall verantwortlich sein könnte. Denn Oberschwingungen überlagern die Spannungs- und Strom-Grundschwingung und verändern dadurch die Sinusspannung. Dies kann zu Problemen führen wie Maschinenausfällen oder -Störungen, Abstürze der IT, unerwartetes Auslösen von Sicherungen und Leistungsschaltern oder auch Schäden an Leistungskondensatoren und Kompensationsanlagen.

Nach dem nächsten Maschinenausfall kontrollierte der Produktionsleiter sofort die Aufzeichnungen und konnte wieder einen hohen Oberschwingungsanteil erkennen. Ein Zusammenhang war damit naheliegend. Um diesen zu überprüfen und entsprechende Maßnahmen ergreifen zu können, zog der Kunststoffverarbeiter econ solutions hinzu. Von dem Unternehmen nutzt der Betrieb bereits das Energiemanagementsystem, das den Hinweis auf die mangelhafte Spannungsqualität geliefert hatte. 

Messungen führen zur Ursache

Um zu prüfen, wodurch die Oberschwingungen ausgelöst werden – und ob diese überhaupt im Unternehmen selbst verursacht oder vom Energielieferanten eingespeist werden – führten die Fachleute von econ solutions detaillierte Messungen der Spannung an verschiedenen Stellen durch. Die wichtigsten Messpunkte sind in solchen Fällen generell nach den Trafoeinspeisungen auf der Niederspannungsseite, direkt an den betroffenen Maschinen und bei großen Verbrauchern, wie Umrichtern oder Gleichrichtern. Da die Störungen, wie auch in diesem Fall, meist unvorhersehbar auftreten, empfiehlt es sich, die Spannung permanent zu messen. Das Energie- und Leistungsmessgerät econ sens3 ist hierfür ideal, da es schnell und unterbrechungsfrei angebracht ist und alle wichtigen Merkmale der elektrischen Leistung, Energie, Ströme und Spannungen erfasst. Der Kunststoffverarbeiter setzt auch bereits die Energiemanagement-Software von econ ein, so dass die Messdaten des sens3 über das Unternehmensnetzwerk (TCP/IP) automatisch übertragen und in die Software integriert werden. Sie bietet noch mehr und noch einfachere Auswertungsmöglichkeiten.  

Die Messungen zeigten, dass der hohe Oberschwingungsanteil im Unternehmen selbst verursacht wurde. Er entstand durch den Einsatz mehrerer nichtlinearer Verbraucher und Leistungselektronik, darunter Gleichrichter, Drehzahlregelungen von Motoren, die unterbrechungsfreie Stromversorgung sowie die kürzlich eingebaute LED-Beleuchtung in der Produktionshalle. Sie alle haben eine nichtlineare Stromaufnahme, die für die Oberschwingungen sorgen. Diese überlagern die Spannungs- und Stromgrundschwingung, was wiederum die Sinusspannung beeinflusst und so schließlich zu den Ausfällen der Spritzgussmaschine geführt hat.

Netzqualität nimmt ab

Der Einsatz solcher nichtlinearer Verbraucher hat allgemein zugenommen, zudem läuft die Stromverteilung vermehrt über HGÜ-Leitungen (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung). Deshalb kommt es auch immer häufiger vor, dass bereits von Energieversorgern eine mangelhafte Netzqualität geliefert wird. Diese ist in der EN 50160 festgelegt. 

Definition der Netzqualität: EN 50160

Die EN 50160 bestimmt die Netzqualität, d.h. mit welchen Spannungsmerkmalen Energieversorger die Energie in die öffentlichen Nieder- und Mittelspannungsnetze einspeisen müssen. Hierfür sind in der Norm Grenzwerte für alle wesentlichen Merkmale der Netzspannung am Netzanschlusspunkt festgelegt, wie z.B. für die Frequenz, Oberschwingungen, schnelle und langsame Spannungsänderungen, Flicker, Unsymmetrie und Transiente. Die Grenzwerte aus der Norm sind im econ sens3 bereits hinterlegt. Sie lassen sich jedoch auch individuell einstellen, da bereits geringere Abweichungen negative Folgen haben können – je nachdem, wie hoch die Netzimpedanz im Unternehmen ist. Wird der Grenzwert überschritten, löst das Messgerät wahlweise einen potenzialfreien Kontakt aus oder es sendet eine E-Mail mit Art der Störung im Klartext und einer Grafik von Strom- und Spannungsverlauf zum Zeitpunkt der Störung an vorab festgelegte Mailadressen. Zudem legt es die Kurvenform von Strom und Spannung im internen Speicher ab. In einem EN 50160 Report werden Grenzwertverletzungen und Netzereignisse wie Oberschwingungen, Spannungsschwankungen, Flicker, etc. übersichtlich dargestellt. Der Report ist im txt-Format und als JSON-Export verfügbar, so dass das Ereignis auch im Nachhinein nachvollziehbar und ggf. gegenüber dem Energieversorger belegbar ist. In diesem Fall lag die Ursache jedoch im Unternehmen. Damit ließ sich im ersten Schritt Abhilfe schaffen, indem alle Verbraucher soweit möglich vom Netz der Spritzgussmaschine genommen, bzw. deren Steuerungen getrennt wurden. 

Aktives Filter kompensiert Oberschwingungen

Um die Oberschwingungsanteile dauerhaft zu reduzieren, entwarf econ solutions ein aktives Oberschwingungsfilter und schloss es parallel zu den Erzeugern der Oberschwingung an. Es neutralisiert deren Oberschwingungsströme am Anschlusspunkt, indem es diese analysiert und den gegenphasigen Kompensationsstrom liefert. Damit verhält sich die Kombination aus Oberschwingungsfilter und -Verbraucher im Netz wie eine lineare Last, die einen sinusförmigen Strom verbraucht. Eine Variante ist ein passives Filter. Es besteht aus einem abgestimmten Saugkreis für jede Oberschwingung, der sich aus Induktivitäten und Kapazitäten zusammensetzt. Das passive Filter lässt sich in der Praxis jedoch schwerer umsetzen, zudem ist es immer nur auf die jeweilige Installation ausgelegt. Wird diese geändert oder erweitert, kann auch am Filter eine Anpassung notwendig sein, was neue Investitionen erfordert. Aus diesen Gründen hat econ solutions hier das aktive Oberschwingungsfilter gewählt. Damit konnten alle Verbraucher wieder ans Netz gehen und die Spritzgussmaschine läuft seitdem wieder vollkommen zuverlässig.