Lösungen zum Schutz der Stromversorgung

Damit die Milch nicht sauer wird

Im Laufe vieler Jahre hat sich ABB ein umfangreiches Prozesswissen angeeignet, das der Lebensmittel- und Getränkeindustrie zu mehr Sicherheit und Effizienz verhilft. Insbesondere die Power-Quality-Produkte von ABB helfen dabei, Ausfallzeiten aufgrund von Störungen in der Stromversorgung zu verhindern und somit die Produktion am Laufen zu halten, Energiekosten zu senken und die Produktivität zu steigern.
Bild: ABB

Angetrieben durch steigende Anforderungen hinsichtlich der Produktivität und der Erfüllung immer strengerer Lebensmittelsicherheitsstandards, haben sich die Produktions- und Verpackungsmethoden in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie in den vergangenen Jahren drastisch gewandelt. Diese Veränderung hat zwar für einen Innovationsschub in der Branche gesorgt, doch gleichzeitig sind die Anlagen auch empfindlicher gegenüber Störungen in der Stromversorgung geworden. Die Qualität der Stromversorgung (auch Netzqualität oder ‚Power Quality‘ (PQ) genannt) ist unternehmenskritisch, denn Stromausfälle, Spannungseinbrüche, Spannungsüberhöhungen, Spannungsabfälle und andere Spannungsstörungen können zu Abschaltungen oder Ausfällen kritischer Betriebsmittel führen, was wiederum weitere Probleme nach sich ziehen kann:

Bild 2 | Leistungsschalter vom Typ Tmax XT
Bild 2 | Leistungsschalter vom Typ Tmax XTBild: ABB
  • Ausfall von Komponenten wie Schützen, Auslöseschaltern, Sicherungen usw.
  • Ungeklärte Defekte, Fehler und Fehlfunktionen in Maschinen
  • Überhitzung von Transformatoren und Motoren mit entsprechender Verkürzung der Lebensdauer
  • Schäden an Präzisionsgeräten (Computer, Regler, Sensoren usw.)
  • Kommunikationsstörungen zwischen elektronischen Sensoren, Geräten und Steuerungssystemen
  • Größere Stromausfälle im elektrischen Verteilnetz

Je nach Art des Ereignisses können durch Produktionsausschuss, Ausfallzeiten oder Störung der Lieferkette erhebliche Kosten entstehen. Laut dem Pan-European Power Quality Survey können sich die jährlich durch Netzqualitätsprobleme verursachten Verluste auf bis zu 4 Prozent des Geschäftsumsatzes belaufen. Dies gilt sowohl für direkte Kosten, die durch den Austausch von beschädigten Geräten und den Aufwand für Fehlersuche und -behebung, Reinigung, Reparatur und Neustart des Prozesses anfallen, als auch für indirekte Kosten wie finanzielle Einbußen durch verlorene Marktanteile oder den Aufwand zur Wiederherstellung des Markenimages.

Auswirkungen von Netzqualitätsereignissen

Für Lebensmittel- und Getränkehersteller ergeben sich noch weitere Herausforderungen aus Netzqualitätsereignissen, da diese den Prozess, Mitarbeiter und sogar Kunden gefährden können. So müssen die Hersteller von Milchprodukten die Temperatur der Milch während des gesamten Prozesses genau überwachen, da selbst eine kleine Störung in der Stromversorgung dazu führen kann, dass eine ganze Charge eines einwandfreien Produkts entsorgt werden muss, wenn die Temperatursensoren ausfallen. Darüber hinaus kann ein unerwarteter Stromausfall dazu führen, dass die Milch verdirbt und Produktionskapazität, Arbeitsstunden und wertvolle Molkereiprodukte verloren gehen, nachdem die Milch bereits sterilisiert wurde. Zudem ist in der gesamten Lebensmittel- und Getränkeindustrie ein konsistenter Geschmack von entscheidender Bedeutung, was einen störungsfreien Betrieb der Maschinen zwingend erforderlich macht.

Alternativ könnte durch das Netzqualitätsereignis ein Problem entstehen, das möglicherweise der Qualitätsprüfung entgeht und Gesundheitsprobleme verursacht. Ausrüstungsseitig könnte durch übermäßige Oberschwingungen z. B. ein Brand entstehen, der die Produktion lahmlegt und das Personal gefährdet.

Die Notwendigkeit einer sorgfältig durchdachten Power-Protection-Strategie zum Schutz der Stromversorgung veranlasst Lebensmittel- und Getränkehersteller, sich an Experten wie ABB zu wenden, um entsprechende Überwachungs- und Schutzlösungen zu installieren. Seit vielen Jahren arbeitet ABB mit Kunden in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie zusammen, um ihnen eine zuverlässige Stromversorgung und unterbrechungsfreie Prozesse verbunden mit einer verbesserten Produktivität und geringeren Betriebskosten zu gewährleisten. Dazu verfügt ABB über ein umfassendes Angebot an Lösungen, Software, digitalen Tools und Geräten für die Überwachung, die Konditionierung und den Schutz der Stromversorgung in Lebensmittel- und Getränkeanwendungen. Eine schnelle und einfache Installation und Inbetriebnahme, geringe Wartungsanforderungen und eine garantierte hohe Verfügbarkeit sind weitere Vorteile der Power-Quality-Systeme von ABB. Die daraus resultierende Minderung der finanziellen Verluste und Verlängerung der Anlagenlebensdauer tragen zudem zu einer hohen Kapitalrendite und kurzen Amortisationszeiten bei.

Zu guter Letzt fördern die effizienten Lösungen von ABB durch eine optimierte Energienutzung und Reduzierung der Wärmeverluste die Nachhaltigkeit und tragen so zum Erreichen der globalen Ziele zur Reduktion der CO2-Emissionen bis 2030 bei.

Bild 3 | Schütze der AF-Reihe zum Schutz von Lasten gegen kurze Spannungseinbrüche
Bild 3 | Schütze der AF-Reihe zum Schutz von Lasten gegen kurze Spannungseinbrüche Bild: ABB

Lösungen zur Überwachung der Netzqualität

Der erste Schritt zur Lösung von Netzqualitätsproblemen besteht darin, die Vorgänge im Stromnetz zu verstehen. Dazu stehen die in den ABB-Leistungsschaltern Emax 2 und Tmax XT sowie den Auslöseeinheiten vom Typ Ekip UP und Ekip integrierten Netzanalysatoren zur Verfügung, die den Strom überwachen und Anomalien wie Oberschwingungen, Mikrounterbrechungen und Spannungseinbrüche erkennen. Durch die integrierte Einheit sind keine speziellen, teuren Messgeräte erforderlich. Die digitale Ekip UP-Einheit ermöglicht die Überwachung von ABB- oder Drittanbieter-Leistungsschaltern ohne Beeinträchtigung der bestehenden Installation. Und da die Leistungsschalter und Auslöseeinheiten offene Protokolle wie Modbus RTU, Ethernet/IP, Modbus TCP/IP, SNMP, Profibus DP-V0 und BACnet/IP unterstützen, lassen sie sich einfach nachrüsten. So können auch Betreiber von vorhandenen (cloudbasierten oder lokalen) Automatisierungs- oder Energiemanagementsystemen von der integrierten digitalen Funktionalität der Geräte profitieren. Für eine vollständige Analyse der Netzqualität in Industrieanlagen bietet ABB die Netzanalysegeräte der M4M-Reihe. Die Analysatoren erfüllen alle relevanten IEC-Normen und erfassen sämtliche elektrische Parameter und Kennzahlen für die Netzqualität, angefangen von der harmonischen Gesamtverzerrung (THD) bis hin zu einzelnen Oberschwingungen.

Lösungen zur Lastimmunisierung

Eine mögliche Strategie bei einer schlechten Versorgungsqualität ist die Immunisierung der Last gegen Störungen. Hier sind die Schütze der AF-Reihe von ABB eine Lösung zum Schutz von Lasten gegen kurze Spannungseinbrüche, denn sie beinhalten eine Option, die die Erfüllung der SEMI F47 (eine Norm für die Störfestigkeit gegen Spannungseinbrüche) garantiert. Die Schütze sind in dreipoliger Ausführung für Drehströme von 9 A bis 1.060 A bzw. Einphasen-Wechselströme bis 2.850 A erhältlich und verfügen über AC/DC-Spulen mit einem breiten Betriebsbereich. Darüber hinaus stehen vierpolige Ausführungen für einphasige Wechselströme von 25 A bis 525 A mit AC-, DC- oder AC/ DC-Spulen, ebenfalls mit einem breiten Betriebsbereich, zur Verfügung.

Lösungen zur Strom- und Spannungsaufbereitung

Während Produkte wie die AF-Schütze die Störfestigkeit auf Geräteebene sicherstellen, sind die aktiven Spannungsregler der ABB AVC-Reihe (Active Voltage Conditioner) darauf ausgelegt, Anlagen gegen Qualitätsereignisse aus dem Versorgungsnetz selbst zu immunisieren. Die aktiven Spannungsregler decken einen Leistungsbereich von 150 kVA bis 2.400 kVA ab und senken die Kosten von Spannungseinbrüchen, verbessern den Anlagenbetrieb, begrenzen Schäden an der Ausrüstung und bieten eine gute Kapitalrendite. Neben der Korrektur von gängigen Spannungsereignissen bietet ein aktiver Spannungsregler wie der PCS100 AVC-40 oder PCS100 AVC-20 Funktionen zur Korrektur von Spannungsasymmetrien, Dämpfung von netzseitigem Flicker und Korrektur von Phasenwinkelfehlern.

Lösungen zum Schutz der Stromversorgung

Industrielle Umgebungen stellen aufgrund der dort häufig herrschenden Bedingungen mit Chemikalien, Staub, Vibrationen, Korrosion, Feuchtigkeit und Wärme ein schwieriges Umfeld für elektrische und elektronische Geräte dar. Die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) vom Typ ABB PowerLine DPA wurde speziell für den Einsatz in solchen rauen Umgebungen entwickelt. Die USV bietet Schutz gegen starke Spannungseinbrüche, kurzzeitige Unterbrechungen und Blackouts von mehreren Minuten und zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad (bis zu 95 %) sowie eine erstklassige Kurzschluss- und Überlastfestigkeit aus. Die PowerLine DPA basiert auf der dezentralen Parallelarchitektur (DPA) von ABB, die aufgrund ihrer Beschaffenheit nicht nur eine hohe Verfügbarkeit bietet, sondern sich auch durch eine hohe Wartungsfreundlichkeit, Skalierbarkeit und Flexibilität auszeichnet. Alle diese Merkmale zusammen sorgen für geringe Gesamtbetriebskosten über die Lebensdauer der USV hinweg.

Bild 4 | Die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) vom Typ ABB PowerLine DPA wurde speziell für den Einsatz in rauen 
Umgebungen entwickelt.
Bild 4 | Die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) vom Typ ABB PowerLine DPA wurde speziell für den Einsatz in rauen Umgebungen entwickelt. Bild: ABB

Power Quality auf allen Ebenen

Bild 5 zeigt die Anwendung der oben beschriebenen Power-Protection-Lösungen auf eine kleine bis mittelgroße Anlage. Hier wird die von einem externen Versorger bereitgestellte elektrische Energie von der Mittelspannungsebene auf die Niederspannungsebene heruntertransformiert. Kommt es zu einer Versorgungsunterbrechung, springt sofort eine USV ein, um die Stromversorgung der Last zu gewährleisten, während ein leistungsschalterbasierter automatischer Netzumschalter (ATS) die Übertragung der Last auf einen Notstromgenerator initiiert, der für mehrere Stunden Strom liefern kann. Dabei kann es bis zu 30 s dauern, bis der Generator in Betrieb ist. Ist dies geschafft, schaltet die USV wieder in den Standby-Modus und ist für die nächste Unterbrechung bereit. Im Hinblick auf kurze Unterbrechungen und Spannungsschwankungen lassen sich Lasten in drei Kategorien einteilen, die jeweils mithilfe der oben beschriebenen Lösungen geschützt werden können:

  • Nichtkritische Lasten: Diese Lasten erfordern keinen besonderen Schutz und verursachen bei einem Ausfall keine finanziellen Verluste oder Sicherheitsrisiken.
  • Notwendige Lasten: Sind diese Lasten von häufigen Stromunterbrechungen betroffen, können erhebliche finanzielle Verluste entstehen.
  • Kritische Lasten: Diese Lasten dürfen auf keinen Fall ohne Strom sein, da sie typischerweise durchgängig in Betrieb sind bzw. rund um die Uhr verfügbar sein müssen.

Spannungseinbrüche und -asymmetrien sind die häufigsten Störungen in einem Stromnetz. Solchen Ereignissen kann mit einem aktiven Spannungsregler vom Typ ABB PCS100 AVC-40 begegnet werden. Um potenziell starke Spannungseinbrüche zu verhindern und eine kurzfristige Notversorgung für industrielle Prozesslasten sicherzustellen, ist die USV vom Typ ABB PCS100 UPS-I eine geeignete Wahl. Eine USV eignet sich am besten zum Schutz von empfindlichen Lasten wie Prozesssteuerungen oder Automatisierungssystemen und kritischen Lasten, die rund um die Uhr verfügbar sein müssen. ABB bietet eine breite Palette von USVen, die auf verschiedene Anwendungen zugeschnitten sind. In dem in Bild 5 dargestellten Beispiel wäre die PowerLine DPA die beste Wahl für Prozesssteuerungen und die DPA 250 S4 eine geeignete Lösung zum Schutz von IT-Servern. Die Sicherung der Zuverlässigkeit des elektrischen Verteilungssystems bei Netzereignissen sollte durch eine PQ-Überwachung ergänzt werden, um die Effizienz des elektrischen Systemdesigns zu prüfen und den Energieverbrauch zu überwachen. Eine solche Überwachung ermöglicht die Optimierung der Energieeffizienz sowie eine detaillierte Analyse des Störverhaltens der Anlage. Eine Möglichkeit zur Umsetzung eines Überwachungskonzepts bietet der Einsatz von ABB-Leistungsschaltern mit erweiterten Mess- und Netzanalysefunktionen, die in der Lage sind, Schwingungsverläufe bis zur 50. Harmonischen zu überwachen und die erforderlichen elektrischen Parameter für die Zustandsüberwachung und Leistungsoptimierung von Betriebsmitteln zu messen. Die M4M-Netzanalysegeräte können zudem genutzt werden, um die Gesamtversorgungsqualität der Anlage zu überwachen und zu analysieren. Da die M4M-Geräte eine hohe Genauigkeit bieten und für Zählerzwecke zertifiziert sind, können sie auch zur Energiezählung und Abrechnungsmessung verwendet werden.

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