Überwachungsfunktionen senken Investitionskosten

Der Autor: Christian Mieslinger Produktmanager VLT AutomationDrive Danfoss

Ein wesentlicher Faktor, dieses Ziel zu erreichen, ist das Ausnutzen des Potenzials, das moderne Sensorik und Aktorik heute bieten. Durch verstärkten Einsatz von integrierter Überwachung und Vernetzung über Feldbussysteme mit Selbstdiagnose der Teilnehmer steigt die Möglichkeit, Gerätestörungen gezielt zu erkennen, schnell zu lokalisieren und rasch zu beheben. Denn ein gezieltes Reagieren bei Störungen ist gerade in Produktionsbetrieben mit Ex-Bereichen äußerst wichtig, um gefährliche Situationen zu vermeiden. Gleichzeitig steigt der Kostendruck und der Energieeinsatz muss gesenkt werden. Bei Umrüstungen, aber auch Neuinstallationen, stehen der Anforderung, energieeffiziente Lösungen einzusetzen, die Investitionskosten gegenüber.

Die Anzahl drehzahlgeregelter Antriebe, die Pumpen- und Lüfterapplikationen mit klassischen Bypass-Regelungen mehr und mehr ablösen, sind gerade in der chemischen Industrie in stark wachsender Zahl anzutreffen. Der Wunsch der Betreiber, elektrische Antriebe wie altbekannte Stellglieder bedienen zu können, bietet neben den Vorteilen zur Energiekostenreduktion oft auch zusätzliche Flexibilität und Möglichkeiten in der Prozessregelung und ist deshalb naheliegend.

Längst werden nicht mehr nur die reinen Komponentenkosten betrachtet. Vielmehr ist bei wachsendem Kostendruck ein schlüssiges und kosteneffizientes Konzept gefordert. So interessiert es durchaus, welchen Platzbedarf eine Funktion zur Realisierung benötigt, wie den auftretenden Wärmeverlusten begegnet werden kann, welchen Aufwand Planungs- und Montagekosten verursachen und welche begleitende Peripherie nötig ist.

Anhand der angesprochenen drehzahlgeregelten Antriebe im explosionsgefährdeten Produktionsbereich sollen im Folgenden neue Möglichkeiten aufgezeigt werden.

Steht der zu regelnde Motor in einem explosionsgefährdeten Produktionsteil, so kommt typischerweise ein Motor mit druckfester Kapselung zum Einsatz, um eventuell notwendige Zusatzaufwendungen bei der Verwendung anderer Zündschutzarten zu umgehen. Gemäß den technischen Vorgaben der EN 60079 ist hierbei der Einsatz von in der Wicklung eingebauten Kaltleitern (PTC-Fühlern) als Übertemperaturschutz, die Teil der Ex-Zulassung des Motors sind, erforderlich. Deren Auswertung ist obligatorisch und von der vorherrschenden Zone unabhängig.

Seit ein paar Jahren hat sich die Überwachung der PTC-Fühler durch in den Antrieb integrierte und zertifizierte PTC-Auswertegeräte etabliert, was den Aufwand für erforderliche Komponenten, Verdrahtung, Schnittstellen und Montagezeiten konzeptbedingt reduziert. Beispielsweise bietet Danfoss eine Atex-zertifizierte PTC-Auswerteelektronik in Form des Optionsmoduls MCB 112 an, das in Verbindung mit einer ebenfalls zertifizierten und sicheren Möglichkeit, die Energie zum Motor abzuschalten, den Motorvollschutz übernimmt.

Da das bisherige Zulassungsverfahren für umrichtergespeiste Motoren der Zündschutzart „Erhöhte Sicherheit“ (kurz Ex e) sehr unflexibel und aufwendig war, wichen Betreiber in der Vergangenheit bei Anwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen häufig auf die deutlich teueren und größeren Motoren mit druckfester Kapselung (Ex d) aus. Mittlerweile hat die PTB in Braunschweig jedoch ein neues Zulassungsverfahren entwickelt, das zukünftig den Einsatz von Frequenzumrichtern mit Ex e-Motoren deutlich attraktiver macht. Dies ermöglicht nun auch Anwendungen für Drehzahlregelung zu erschließen, die bisher mit der Ex d-Maschine, aufgrund von Baugröße/Gewicht oder der deutlich höheren Kosten im Vergleich zum Ex e-Motor, nicht zu erreichen waren.

Das neue Konzept sieht nur die Abnahme des Motors selbst vor, der jedoch in seiner EG-Baumusterprüfbescheinigung spezielle Anforderungen für die thermische Überwachung definiert. So wird neben der üblichen zertifizierten Kaltleiterauswertung zusätzlich eine drehzahlabhängige Strombegrenzung gefordert, um der reduzierten Kühlung von eigenbelüfteten Motoren bei Drehzahlregelung Rechnung zu tragen. Der Frequenzumrichter selber benötigt keine spezielle Abnahme. Allerdings muss er die drehzahlabhängige Überwachung verschiedener Stromwerte unterstützen, also die Eingabe des maximal zulässigen Motorstromes bei verschiedenen Drehzahlen (sogenannte Stützstellen).

Diese Daten und Stützstellen für die Drehzahlstromwerte muss der Hersteller auf dem Typenschild des für diesen Betrieb zugelassenen Motors angeben. Zusätzlich gehört zu diesem Motor ein entsprechendes Datenblatt, das den drehzahlgeregelten Betrieb dieser Maschine im Ex-Bereich ausweist. Allerdings heißt dies nicht, dass er dann auch automatisch für den Netzbetrieb in diesem Bereich zugelassen ist. Dies ist zwar möglich, muss aber durch ein weiteres Datenblatt/Typenschild, das ebenfalls alle Angaben für den sicheren Netzbetrieb im Ex-Bereich enthält, zusätzlich ausgewiesen werden.

Da die maximal zulässigen Stromwerte bei eigenbelüfteten Motoren unterhalb der Nenndrehzahl typischerweise kleiner sind als die Nennwerte bei Netzbetrieb, ist ein uneingeschränkter Betrieb mit Konstantmoment im unteren Drehzahlbereich häufig nicht oder nur durch Überdimensionierung möglich. Das bedeutet zwar bei manchen Anwendungen eine gewisse Einschränkung, ist aber ideal für den Betrieb der in den Prozessen häufig eingesetzten Maschinen mit quadratischem Drehmomentverlauf, wie sie Pumpen und Lüfter darstellen.

In Verbindung mit der integrierten PTC-Auswertung erhält der Anwender so eine Lösung, die einen kleineren Motor zulässt, vollständige Zuverlässigkeit in der explosionsgefährdeten Umgebung gewährleistet und durch die kürzere Amortisationszeit auch Ex-Antriebe rentabel auf Drehzahlregelung umstellen lässt, die bisher aufgrund der hohen Investitionskosten nicht infrage kamen.

Das geschilderte Konzept für die Antriebslösungen im Ex-Bereich verdeutlicht, dass große Energieeinsparpotenziale nicht hauptsächlich durch die Steigerung der Wirkungsgrade von ohnehin schon sehr effizienten Betriebsmitteln erreicht wird, sondern in wesentlich erheblicherem Maße durch Optimierung der Prozesseigenschaften und -regelung. Gerade heute, wo der Druck auf kurze Amortisationszeiten zunimmt, auf deren Grundlage Investitionsentscheidungen getroffen werden, sollten neue Möglichkeiten und Technologien häufiger als in der Vergangenheit geprüft und gegebenenfalls genutzt werden. Selbstverständlich sind hierbei keinerlei Einbußen bei der Sicherheit für Anlage oder Mensch hinnehmbar, sondern es ist vielmehr eine gleichzeitige Steigerung der Sicherheitsstandards anzustreben. Moderne Frequenzumrichter leisten hierbei einen wesentlichen Teil, indem sie die räumliche und funktionelle Zusammenfassung von klassisch getrennten Komponenten verschmelzen und weiterentwickeln.

Halle 14, Stand H30

Online-Info: www.cav.de/0311427

…eine Reduktion der Gesamtkosten ist auch in Prozessen mit erhöhten Anforderungen ohne Kompromisse bei der Betriebssicherheit möglich.