AutomationHarting HCME: Kleines kann Großes bewirken
Vorausschauend handeln ist immer besser als unter Zeitdruck reagieren. Das gilt auch bei der Wartung industrieller Anlagen und Systeme. Laut AUVA (Allgemeine Unfallversicherungsanstalt) stellen geplante Instandhaltungsarbeiten sogar die primäre Maßnahme zur Erhöhung der Arbeitssicherheit dar. Stromsensoren können ebenfalls einen wichtigen Beitrag zu einem zustandsorientierten, vorausschauenden Handeln leisten. Denn etwaige Schwächen bis hin zum möglichen Ausfall von Komponenten lassen sich oft frühzeitig am Stromverbrauch erkennen. Maschinenbauer nutzen deshalb verstärkt Stromsensoren, um detaillierte Informationen über ihre Anlagen zu gewinnen.
Kompakte Open-Loop-Stromsensoren erfassen den Output eines modularen Frequenzumrichters, der ein IGBT–Modul je Phase verwendet.
Hall-Effekt Stromsensoren eignen sich besonders gut zur Erfassung hoher Ströme in Industrieumgebungen. Die Genauigkeit der Messung hängt dabei vom Bauprinzip ab: Bei direkt abbildenden Sensoren (Open Loop) wird das Magnetfeld des Primärstromes in einem den Leiter umschließenden Ringkern gebündelt. Der Ringkern weist einen Luftspalt auf, in dem eine Hall-Sonde platziert ist. Die Sonde erzeugt eine Spannung, die sich parallel zum durchfließenden Strom entwickelt. Nach einem festen Abbildungsverhältnis lässt sich dadurch der Primärstrom mit einer Genauigkeit von bis zu ± 0,5 % bestimmen.
Indirekt abbildende Kompensationsstromsensoren (Closed Loop) sind ähnlich aufgebaut, erfassen den Strom aber noch etwas genauer. Die 0,5 %-Abweichung vom tatsächlichen Wert ist hier der maximale Wert. Diese Sensoren arbeiten ebenfalls mit einem Ringkern, der eine Hall-Spannung erzeugt. Die Spannung wird hier aber nicht direkt abgegriffen, sondern zur Regelung eines Sekundärstromkreises verwendet. Die Hall-Sonde regelt den sekundären Stromfluss so, dass sich die Magnetfelder von Sekundär- und Primärstrom stets gegenseitig aufheben. Der Sekundärstrom liefert zugleich das Ausgangssignal. Dieser Sensortyp hat den Vorteil, dass er auch bei extremen Umgebungstemperaturen zwischen -40 °C bis +85 °C äußerst präzise misst.
Bessere Energiebilanz durch Sensoren
Der Einsatz der Stromsensoren ermöglicht die exakte Analyse von Bedienfehlern oder Störungen, bevor deren Folgen sich als Qualitätsmangel, Ausfallzeit oder, im Extremfall, sogar als Fehler mit Schadensfolge (Unfälle des Personals etc.) auf die Fertigung auswirken können. „Stromsensoren dienen als reine Messwert-Aufnahme und sind universell einsetzbar. Sie geben ein klassisches analoges Signal aus, das z. B. vom Mikrocontroller des Frequenzumrichters in digitale Signale umgewandelt und damit für die übergeordneten Ebenen der Zustandserfassung handhabbar wird“, sagt Cuma Yücel, Produktmanager Stromsensoren bei Harting Electric.
Die Einbindung von Stromsensoren macht vor allem dort Sinn, wo Antriebe im Einsatz sind oder Heizströme überwacht werden müssen, beispielsweise bei Einrichtungen zum Aufheizen von Rohmaterial für Spritzgießanlagen. „Hält ein Schmelzofen die erforderliche Temperatur nicht korrekt, hat das unmittelbaren Einfluss auf die Produktqualität. Abweichende Stromverbräuche machen die Anlagensteuerung bei solchen Applikationen frühzeitig auf Dysfunktionen aufmerksam“, erklärt Yücel. Der gezielte Einsatz von Sensorik trägt folglich zu einer Erhöhung der Ausfallsicherheit des Gesamtsystems bei.
Für die Zustandserfassung von Maschinen und Anlagen werden immer häufiger Stromsensoren eigesetzt, hier ein sehr präziser nach dem Open-Loop Prinzip abbildender Stromsensor.
Unempfindlich gegen elektrische Störfelder
Eine exakte Energiemessung unterstützt den kosteneffizienten Betrieb von Maschinen und Anlagen. Hall-Effekt Stromsensoren haben den Vorteil, dass ihre elektronischen Bauteile unempfindlich sind gegen elektrische Störfelder. Das ist wichtig, weil durch die Miniaturisierung die Leitungen in Maschinen und Anlagen kontinuierlich dichter aneinanderrücken und die Störeffekte deshalb theoretisch zunehmen. Um den Strom in einem Leiter genau zu erfassen, müssen zwei weitere Leiter exakt anliegen. Zusätzliche Leiter könnten die Störfelder, die es zu erfassen gilt, beeinflussen und Ergebnisse verfälschen. Hall-Sonden sind deshalb tief in die Ringgeometrie des Sensors eingeschlossen, um sie vor „externen“ Einflüssen zu schützen.
Ohne mit eigenen Filterfunktion ausgestattet zu sein, bilden sie die Stromstärke in den von ihnen umschlossenen Leitern in einem bestimmten Verhältnis ab. Zum Beispiel im Verhältnis 1:500, bei dem der Sensor einen Strom mit einer Stärke von 200 mA ausgibt, wenn im Leiter 1000 A fließen.
Beim Closed-Loop-Messprinzip regelt die Hall-Sonde den Stromfluss in einer Sekundärwicklung so, dass sich die Magnetfelder von Sekundär- und Primärstrom gegenseitig aufheben.
Harting hat mit HCME eine neue Serie von Stromsensoren entwickelt, die nach dem Prinzip der direkten Abbildung – Open Loop – arbeiten und rechteckige Kerne verwenden.
Ströme messen erhöht die Sicherheit
Der konkrete Beitrag der Stromsensoren zur Sicherheit liegt darin, dass sie die Leistungsaufnahme der Verbraucher eruieren. Aus den Daten lässt sich die Notwendigkeit bestimmter Sicherungsmaßnahmen ableiten. Eine Alternative zu den Stromsensoren sind elektrische Wandler (Transducer) – allerdings nur, wenn es darum geht, Wechselströme zu erfassen. Hall-Effekt Stromsensoren dagegen erfassen auch Gleichströme oder Mischsignale.
Stromsensoren sind ein Element der vorbeugenden Instandhaltung. In der automatisierten Fertigung werten Softwareprogramme die Signale zum Stromfluss in Echtzeit aus, um Fehlermuster frühzeitig zu erkennen und Ursachen zu ermitteln. Dadurch kann vorab auf nötige Inspektionen und Wartungsmaßnahmen verwiesen werden. Die entsprechenden Maßnahmen können dann so in den Produktionsprozess integriert werden, dass Unterbrechungen auf das absolut Notwendige reduziert werden. Ziel ist es, aufwändige, zeitraubende und folglich teure Reparaturen zu vermeiden und die Produktivität sowie die Arbeitssicherheit zu erhöhen, indem Instandhaltungstätigkeiten geplant ablaufen.
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