Strom und Spannung effizient messen

Leistungsmonitoringsystem

Viele energieintensive Unternehmen müssen eine Zertifizierung gemäß der Energiemanagement-Norm ISO 50001 durchführen und kontinuierliche Einsparungen nachweisen, um weiterhin steuerliche Erleichterungen beim Energiebezug zu erhalten. Bei existierenden Anlagen ist eine Nachrüstung mit Messeinrichtungen aufgrund von Platzbeschränkungen nur sehr schwierig durchzuführen. Es bietet sich eine Montage in den elektrischen Verteilerschränken an. Derzeitige Lösungen, die meist auf magnetoresistiven Messverfahren beruhen, sind relativ teuer, groß, haben keine integrierte Auswertung und geben die Messwerte mittels störanfälliger Analogsignale aus.

Das zusammen mit einem industriellen Anwender und Vermarkter entwickelte Energiemesssystem des Fraunhofer IIS bietet als flexibles Monitoringsystem verschiedene Alleinstellungsmerkmale. Es besteht aus busfähigen Messsensoren und einer Auswerteeinheit. Alle Komponenten sind platzsparend ausgelegt und können in vorhandene Verteilerschränke eingebaut werden, ohne den laufenden Betrieb zu unterbrechen. Durch die Integration von Spannungsmessung und Strommessung vereinfacht sich der Installationsaufwand. Die Montage erfolgt durch Aufpressen des Messsensors auf die zu überwachende Leitung.

Kernkomponente des Systems ist der Messsensor:

  • Platine besteht aus einem Starrteil und einem Flexleiter
  • Flipchip-Montage der Sensoren
  • Gehäuse aus Kunststoff
  • Dorn zur Kontaktierung des Leiters
  • Feder für die Langzeitstabilität der Verbindung
  • VDE-Zertifizierung

Die Spannungsmessung erfolgt über eine direkte Kontaktierung des Stromleiters während der Montage. Über einen Dorn werden die Spannungswerte abgegriffen und mit dem Analog-Digital-Umsetzer des Mikrocontrollers auf dem Messsensor digitalisiert und weiterverarbeitet. Die Strommessung wird von hochintegrierten Hallsensoren kontaktlos durchgeführt, welche ringförmig um den stromführenden Leiter angeordnet sind. Die einzelnen Messsensoren werden über eine Busverkabelung mit einer Auswerteeinheit verbunden. Diese hat die Aufgabe, mehrere Sensoren zu einer 3-Phasenmessung zusammenzufassen und die Sensoren logisch einer Anlage zuzuordnen. Eine übergeordnete Automatisierungs- oder Auswerteeinheit kann über eine Ethernetschnittstelle oder eine Modbus RTU-Schnittstelle alle anlagenbezogenen Messwerte sekundengenau abfragen. Zusätzlich speichert die Auswerteeinheit historische Messdaten in ihrem internen FLASH-Speicher. So stehen die Messdaten noch bis zu drei Tage dezentral zur Verfügung und können über den integrierten FTP-Server abgefragt werden.

Technische Daten der kleinsten Variante für den niedrigsten Messbereich:

Aktueller Prototyp mit VDE-Zertifizierung ©Fraunhofer IIS

Aktueller Prototyp mit VDE-Zertifizierung

  • Messungen ab 20 ms Zeitauflösung  
  • Effektivstrom bis 80 Ampere, Genauigkeit 0,5%
  • Effektivspannung bis 600 Volt, Genauigkeit 0,5%
  • Netzfrequenz
  • Berechnung von Leistungsfaktor, Wirk- und Scheinleistung

Testen im realen Feldversuch des Leistungsmesssystem

Im Rahmen eines Feldversuchs wurde das neu entwickelte Messsystem im industriellen Umfeld zur Überwachung zweier Keramikbrennöfen eingesetzt. Durch den Vergleich des Verbrauchsverhaltens der praktisch identischen Öfen sollten zum einen die individuellen Energieverbräuche erfasst, zum anderen mögliche Ansätze untersucht werden, wie verschiedene Prozessänderungen während der Produktion helfen, Energie einzusparen. Wie gefordert konnten die Klemmen in kurzer Zeit problemlos in der Elektroverteilung der Geräte eingebaut werden, ohne den Betrieb der Anlagen zu unterbrechen. Ein auf der Hutschiene im Verteilschrank montierter Industrie-PC übernahm die Ansteuerung der Messtechnik und die Speicherung der Messdaten. Über Ethernet konnte jetzt zu beliebigen Zeitpunkten die gesamte Messhistorie abgerufen und ausgewertet werden.

Alleinstellungsmerkmale der Energiemessung:

  • Hoher Dynamikbereich
  • Geringer Platzbedarf
  • Reduktion der Installationskosten
  • Konzipiert für den Nachrüstbereich
  • Einbau unter Spannung möglich - keine Maschinenstillstandszeiten
  • Kommunikation über genormte Schnittstellen
  • Offenes System - individuelle Anpassung möglich
  • Überlastsicher - nach einer möglichen Überlastung erfolgt keine Dekalibrierung

Erfolgreicher Einsatz in einem Produktionsbetrieb

Nach der VDE-Zertifizierung wurde das Leistungsmonitoringsystem erfolgreich in einem produzierenden Betrieb in Thüringen eingesetzt. Es wurden über 500 Messklemmen und 15-20 Gateways an den Anlagen sowie an weiteren Geräten mit hohem Energieverbrauch wie beispielsweise in der Kantine installiert. Ihr Ziel war es den aktuellen Energiebedarf festzustellen und zu optimieren. Schon nach wenigen Wochen im Einsatz unseres Energiemesssystems konnten erhebliche Energieeinsparungspotenziale erkannt werden und weitere Maßnahmen ergriffen werden.

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