Produktion contra Labor

„Hausgemachte“ Stromschwankungen können analytische Systeme stören

Um den gestiegenen Ansprüchen an Präzision, Langlebigkeit oder Verhalten zu genügen, müssen Werkstoffe wie Hartmetall oder Siliciumcarbid heute exakten Vorgaben entsprechen. Umfassende Analysen der Materialien sind daher unerlässlich, doch die Umgebungsbedingungen werden für die sensiblen Messgeräte und Instrumente häufig zum Problem: Die großen Elektromotoren vieler Anlagen in der Produktion erzeugen Störungen im Stromnetz, die zu Messfehlern und Abstürzen führen können.

Die analytischen Instrumente von LECO werden in Laboren weltweit eingesetzt, in der Forschung ebenso wie in der Industrie. Große Verbraucher in der Fertigung und die oft veralteten Stromnetze führten jedoch mitunter zu Störungen der High-Tech-Geräte. (Bild: LECO)

Um Unternehmen in dieser Situation zu unterstützen und ihnen unabhängig von der Ursache funktionierende Lösungen bieten zu können, arbeitet LECO, einer der führenden Anbieter von analytischen Systemen, mit dem Stromqualitätsexperten Powervar zusammen. Dadurch wird nicht nur die Fehlersuche vereinfacht, mittels spezieller Stromkonditionierer lassen sich auch die problematischen Netzschwankungen selbst in sehr schwierigen Umgebungen, wie der Erzverarbeitung, ausfiltern, so dass zuverlässige Messungen sichergestellt werden können.      

Anorganische und organische Elementaranalytik, Metallographie und Spektrometrie gehören zu den Spezialgebieten der LECO Corporation. Die hochpräzisen Geräte des Unternehmens bestimmen beispielsweise den Kohlenstoff- und Schwefelgehalt in Metallen oder Keramiken und werden weltweit in verschiedensten Laboratorien eingesetzt, von Universitäten bis hin zu Fertigungsbetrieben wie Gießereien.

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Das industrielle Umfeld stellt jedoch eine besondere Herausforderung für die Technik dar, wiederholt kam es hier zu Software-Abstürzen, Mess- und Steuerungsfehlern, die nicht auf die Messinstrumente selbst zurückgeführt werden konnten. "Nachdem wir alles andere - teils sehr kostenintensiv durch den Austausch der Hardware - ausgeschlossen hatten, blieb als Auslöser nur die Spannungsversorgung in den Unternehmen", berichtet Thomas Post, Serviceleiter bei der deutschen Niederlassung LECO Instrumente GmbH.

Messungen belegen Zusammenhang von Schaltvorgängen und Störungen
Da diverse Steuersignale der hochmodernen Geräte eine präzise Synchronisation zur Auswerteeinheit benötigten, kann es durch Spannungsspitzen oder Frequenzabweichungen in den oft veralteten Verteilernetzen der Betriebe zu Störungen kommen - ein sozusagen "hausgemachtes" Problem der Firmen. Um den Kunden dennoch zu verlässlichen Analysen zu verhelfen, ging LECO über den normalen Servicerahmen hinaus und beauftragte Powervar Deutschland mit der Untersuchung der betroffenen Netze. Die Messungen zeigten zum einen eine Tendenz zur Spannungsabsenkung, was auf Betriebsmittel mit schwankendem Verbrauch hinweist.

"Noch viel wichtiger war aber der Zusammenhang zwischen den Spannungseinbrüchen auf der Phase und der Zunahme der Störspannung zwischen Null- und Erdleiter. Die Einbrüche betrugen teils bis zu 124 V", erklärt Geschäftsführer Werner Karau. "Das lässt auf das Einschalten oder Verwenden großer Lasten, etwa starker Elektromotoren, als Ursache schließen." Dafür sprach auch, dass das Phänomen immer zu bestimmten Uhrzeiten gehäuft auftrat, zu denen das Arbeiten mit den Messgeräten fast unmöglich wurde. Hinzu kamen kurze Stromunterbrechungen und deutliche Verformungen in der üblichen Sinuskurve der Versorgungsspannung. "Für uns wie für den Kunden war das Ergebnis in dieser Deutlichkeit sehr überraschend", so Post.  

Kombiniertes Schutz- und Filtersystem sichert gleich bleibende Stromzufuhr
Ein entsprechender Umbau der Hauselektrik hätte nicht ausgereicht, diese Probleme zu beheben, und wäre zudem sehr aufwändig gewesen. Stattdessen schaltete Powervar daher einen Security Plus-Stromkonditionierer vor das analytische System. Dabei handelt es sich um eine Kombination verschiedener Schutzelemente, welche die unterschiedlichen Störungsquellen aus dem Strom entfernen und eine gleichmäßige Energieversorgung gewährleisten.

So fängt ein Überspannungsableiter gefährliche Transienten ab, ein Rauschfilter entfernt die hochfrequenten Signale, die die Spannungskurve verzerren, während ein Spannungs- sowie ein Frequenzregler die definierten Betriebsbedingungen sicherstellen, unabhängig von den Eingangsparametern. Da der Spannungsregler in einem weiten Bereich von 140 bis 276 V ohne zusätzliche Batterie-Energie arbeiten kann, werden die Akkus hierfür kaum beansprucht.

Darüber hinaus umfasst das Schutzsystem einen niedrigohmigen Trenntransformator, der die Gleichtaktstörspannungen zwischen Null- und Erdleiter beseitigt. Diese sind im Elektronikbereich meist für unerklärliche Datenverluste oder Programmabstürze verantwortlich und ziehen oft unnötige Serviceeinsätze nach sich, da an der Gerätetechnik kein Fehler festgestellt werden kann. Zur Überbrückung kurzer Stromausfälle ist zudem ein Backup-System integriert, das die Stromversorgung bei voller Last bis zu 15 min aufrechterhalten kann und ein sicheres Abschalten der angeschlossenen Anlagen ermöglicht. Mit zusätzlichen externen Batterien lässt sich dieser Zeitraum sogar noch ausdehnen.

Die Umschaltung von Netz- auf Akkubetrieb erfolgt dabei unterbrechungsfrei, da das Security Plus-Gerät über eine Doppelwandler-Konfiguration in die Stromleitung eingebunden ist: Der Wechselstrom wird zunächst gleichgerichtet - wodurch er auch die Akkus laden kann - und anschließend in einem zweiten Wechselrichter wieder umgewandelt. Auf diese Weise stammt die Energie zum Betrieb der angeschlossenen Anlage immer aus dem Wechselrichter, so dass es bei einem Stromausfall keine Verzögerungen oder Spannungsabfälle gibt. Der Eingangsleistungsfaktor der Geräte liegt bei 0,95 und der Ausgangsleistungsfaktor bei 0,9. 3000 VA werden so beispielsweise in 2700 W nutzbare Leistung ungesetzt, was etwa 30 % über den Werten herkömmlicher USV-Anlagen liegt.

Netzanalyse ergänzt Fehlersuche
Speziell für LECO wurden die Security Plus-Systeme außerdem mit kundenspezifischen Steckdosen ausgestattet, da die Analyseninstrumente temporär, beispielsweise beim Verbrennen der Proben, sehr viel Strom benötigen und deshalb spezielle Stecker nutzen. Zusätzlich können an die Schutzsysteme auch PCs, Monitore, Waagen und ähnliches angeschlossen werden. Vor allem aber sichern sie die Zuverlässigkeit der Messungen, wie Post bestätigt: "Durch den Einsatz der Powervar-Systeme funktioniert unser Gerät wieder perfekt." Zudem will LECO - nachdem nun Netzstörungen als eine mögliche Fehlerquelle identifiziert sind - die Möglichkeiten des Stromqualitätsexperten in der Netzanalyse häufiger einsetzen. "Damit könnten wir unsere oft kostenintensive Fehlersuche optimieren."

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