UMRICHTERTECHNIK TITEL Drehzahlvariable Antriebe werden seit über einem halben Jahrhundert eingesetzt. Mit Industrie 4.0 verschiebt sich die Rolle des Frequenzumrichters weiter im Antriebssystem: Vom einst reinen Drehzahlsteller mehr und mehr hin zu einem intelligenten Bestandteil des Automatisierungssystems. Frequenzumrichter von Danfoss, die mit drei zusätzlichen Funktionen ausgestattet sind, arbeiten als intelligente Sensoren und ermöglichen dem Betreiber die Zustandsüberwachung. Die drei Funktionen sind die Zustandsüberwachung von mechanischen Schwingungen, der Motorstatorwicklung und der Lasthüllkurve. So wie bspw. ein Drucker über den Tonerstand auf dem Laufenden hält, können auch Frequenzumrichter frühzeitig warnen, bevor es zum Motor- und Anlagenstillstand kommt. Das Konzept dahinter nennt sich zustandsorientierte Wartung. WAS DEN FREQUENZUMRICHTER ZUM INTELLIGENTEN SENSOR MACHT Intelligente Umrichter von Danfoss sammeln Daten aus verschiedenen Quellen. Sie kombinieren dafür Signale von internen und externen Sensoren wie beispielsweise Schwingungs- und Drucksensoren. Mit Edge Intelligence werden die wertvollen Informationen lokal im Gerät ausgewertet und gegebenenfalls in die Cloud oder an das unternehmensinterne System gesendet. So stehen die Daten dort bereit, wo sie benötigt werden und ermöglichen eine vorausschauende, zustandsorientierte Wartung, die die Leistung, Effizienz und Betriebszeit von Anlagen erhöht, die Lebensdauer der Anlagenkomponenten verlängert und gleichzeitig die Komplexität verringert. DIE ÜBERWACHUNG MECHANISCHER SCHWINGUNGEN Viele mechanische Fehler wie beispielsweise Lagerverschleiß, Wellenversatz und Unwuchten erzeugen Schwingungen. Diese kann der Danfoss-Frequenzumrichter zusammen mit einem Sensor – einem externen Schwingungstransmitter – überwachen. Indem das Transmittersignal mit antriebsinternen Signalen, etwa der Drehzahl oder anderen relevanten Signalen korreliert wird, kann der Antrieb Fehler frühzeitig erkennen. Er informiert über den Zustand des Systems. Die Wartung kann dadurch im Voraus vorbereitet und geplant werden. Die Anlage arbeitet bis zur nächstmöglichen Wartungspause weiter und hat keinen überraschenden Betriebsausfall. Die Schwingungsüberwachung erfolgt mittels standardisierter Methoden und Schwellwerte, welche in Normen wie ISO 13373 zur Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen oder ISO 10816/20816 zur Messung und Klassifizierung mechanischer Schwingungen vorgesehen sind. Die Überwachung im Umrichter ermöglicht es, Daten mit den tatsächlichen Betriebsbedingungen bei Dauerbetrieb/Rampen, Lastbedingungen oder Drehzahl gegeneinander abzugleichen. 01 BLICK AUF DIE STATORWICKLUNG Fehler bei Motorwicklungen treten nicht plötzlich auf; sie entwickeln sich im Laufe der Zeit. Alles beginnt mit einem kleinen Kurzschluss an einer Windung, der zu zusätzlicher Erwärmung führt. Nun setzt sich der Schaden unerkannt weiter fort, bis der Überstromschutz aktiviert und der Betrieb gestoppt wird. Dies führt zu unerwünschten Ausfallzeiten. Abhilfe schafft die kontinuierliche Zustandsüberwachung des Motors mittels einer Analyse der elektrischen Signaturen. Aus den Motorströmen und Spannungssignalen können Zustandsinformationen gezogen und mit Motor- oder Anwendungsfehlern in Verbindung gebracht werden, wie beispielsweise mit Wellenversatz oder Fehlern in der Statorwicklung. Die Strom- und Spannungssensoren, die diese Informationen liefern, sind ohnehin wesentliche Bestandteile von Frequenzumrichtern. MIT DER LASTHÜLLKURVE VERSANDUNG FRÜHZEITIG ERKENNEN Die Pumpe scheint normal zu arbeiten, aber der intelligente Frequenzumrichter erkennt eine größere Last als üblich. Damit gibt er ANTRIEBSTECHNIK FÜR DIE OHREN: IN DER PODCASTFOLGE „WIE LERNT EIN UMRICHTER?“ Im Antriebspodcast „Drehmoment“ erklären die Danfoss- Ingenieure Jörg Dannehl und Holger Schmidt wie ein Umrichter lernt und was sich mit Condition-based Monitoring in der Antriebstechnik verändert. Die Idee: Der Frequenzumrichter wird durch Neuentwicklungen immer schlauer und regelt lange nicht mehr nur den Antrieb, sondern erkennt auch Fehler. Der Umrichter erlernt nach der Inbetriebnahme die typischen Muster der Anlage, definiert den Normalzustand und startet die Überwachung, wenn er mit ausreichend Daten trainiert wurde. Das System gleicht die Modelle aus der Lernphase dann mit dem realen Betrieb ab und gibt im Zweifel eine Warnung oder Alarm. Ein Ampelsystem warnt den Anwender vor auftretenden Fehlern in Echtzeit. Vertiefende Informationen liefert das White Paper „Zustandsüberwachung mit intelligenten Antrieben“. 14 antriebstechnik 2020/10 www.antriebstechnik.de
TITEL UMRICHTERTECHNIK 02 03 den entscheidenden Hinweis: Die Pumpe ist versandet. Bevor es zu größeren Problemen kommt, kann sie vorzeitig gereinigt werden und die Anlage normal weiterlaufen. Ganz nebenbei trägt die Zustandsüberwachung so zu Energieeinsparungen bei, da die Pumpe stets unter optimalen Bedingungen betrieben werden kann. Um diesen Fehler zu ermitteln, greift der Frequenzumrichter wieder auf die Werte der Strom- und Spannungsmessung zur Steuerung des Motors zurück. Erkennt der Frequenzumrichter Über- oder Unterlastbedingungen, die bei Pumpenanwendungen durch Verockerungen, Versandungen, Korrosion oder anderem auftreten, schlägt er Wartungsalarm. ZUSTANDSÜBERWACHUNG ALS GRUNDLAGE FÜR VORAUSSCHAUENDE WARTUNG Über die Zustandsüberwachung mit intelligenten Frequenzumrichtern können Anlagen vorausschauend instandgehalten werden. Dies bietet zahlreiche Vorteile gegenüber korrektiven und präventiven Wartungskonzepten. Allerdings ist die Zustandsüberwachung auf Sensordaten angewiesen und die Installation zusätzlicher Sensoren in Anlagen kann teuer sein. Wenn jedoch Frequenzumrichter von Danfoss in der Anwendung eingesetzt werden, sind sie eine wertvolle Datenquelle, die für die Zustandsüberwachung genutzt werden können. Das schafft Mehrwert durch Wissensvorsprung und spart unnötige Kosten durch Anlagenstillstand oder erhöhten Verschleiß. SOFTWARE LEICHT ZU BEHERRSCHEN Natürlich braucht ein Frequenzumrichter mit solchen Fähigkeiten eine leistungsfähige Software. Danfoss bietet dafür eine ganze Reihe von Tools an, die Konfiguration und Dokumentation der Frequenzumrichter vereinfachen. Sämtliche Tools, Apps und Online-Ressourcen für die Frequenzumrichter sind in der MyDrive-Suite von Danfoss zusammengefasst. Fotos: Danfoss www.danfoss.de 01 Intelligente Frequenzumrichter analysieren die Daten von internen und externen Sensoren mit Hilfe ihrer Edge Intelligence und senden wertvolle Erkenntnisse an die dafür vorgesehenen Empfänger 02 Die Produktgruppe der VLT-AutomationDrive- Frequenzumrichter 03 Ein intelligenter Frequenzumrichter überwacht den Zustand einer Pumpe; die Inbetriebnahme erfolgt einfach über die PC-Software DIE IDEE „Frequenzumrichter sind heute viel mehr als einfache Antriebe. Durch stetige Weiterentwicklung werden sie zu intelligenten Sensoren in den Anlagen und Maschinen und können durch das Aufnehmen und Analysieren der relevanten Daten maßgeblich zu vorausschauenden Wartungskonzepten beitragen.“ Martin Cerny, Produkt Marketing Manager bei Danfoss Drives www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/10 15
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