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Energiemessung in die Steuerung integriert

Bild 1. Die Leistungsmessklemme aus dem Inline-Automatisierungssystem ist ein leistungsfähiges Energiemessgerät

Bild 2. Spannungsführender Direktanschluss bis AC 400 V/5 A

Bild 3. Der Anschluss mit einem Stromwandler erweitert den Stromessbereich

Bild 4. Ein Anschluss mit Strom- und Spannungswandlern erweitert den Messbereich auf bis zu 690 V AC

In Wechselstromnetzen werden immer häufiger in Automatisierungslösungen etablierte Ein-/Ausgabe-komponenten genutzt, um elektrische Kenngrößen zu messen. Dabei fungiert die Steuerung als Datenmanager. Ein Beispiel dafür ist die Inline-Leistungsmessklemme von Phoenix Contact. Sie lässt sich, im Gegensatz zu diskret installierten Energiemessgeräten, die über Kommunikationsschnittstellen in das Netzwerk eingebunden werden, einfach an die Kleinsteuerungen ILC 1xx anreihen.

Die Leistungsmessklemme, die Bestandteil des Easy-Automation-Systems von Phoenix Contact ist, ermöglicht es die Ströme und Spannungen der drei Phasen sowie den Nullleiterstrom eines Wechselstromnetzes bis 5 A direkt zu erfassen (Bild 1). Größere Ströme lassen sich mit Stromwandlern erfassen, während Spannungswandler die Aufnahme der Außenleiterspannungen von AC 400 V bis 690 V ermöglichen. Die an die Inline-E/A-Station angereihte Leistungsmessklemme erlaubt neben der Messwert-Erfassung auch die Berechnung von Verzerrungen. Dazu werden die Amplituden der ungeraden Vielfachen der Netzfrequenz ermittelt.
Die Leistungsmessklemme eignet sich daher zur Netzanalyse. Über eine Fast Fourier Transformation (FFT) werden jede Sekunde die Effektivwerte der Grundwellen sowie der Oberwellen von Spannungen und Strömen bis zur 31. Harmonischen, die Harmonic Distortion und die Gesamtverzerrung errechnet. Voraussetzung für die Amplituden-Berechnung der Oberwellen ist, dass die verwendeten Stromwandler für diese Frequenzen ausgelegt sind und nicht als Tiefpassfilter wirken. Zur Erstellung von Lastprofilen ist das Messintervall frei wählbar und durch Triggerung startbar. Für eine Auswertung lassen sich die Leistungswerte des abgelaufenen Intervalls speichern.

Erfassung der Netzgrößen über zwei Betriebsarten
Die Leistungsmessklemme stellt zwei Betriebsarten zur Verfügung: Die Betriebsart „Basis-Messwerte“ erfasst die Netzgrößen von Drehstromnetzen, wie die Effektivwert-richtigen, gemittelten Ströme und Spannungen im Phasen- sowie im Außenleiter. Unsymmetrische Belastungszustände sind durch die phasenweise Aufnahme der Wirk- und Scheinleistung identifizierbar. Darüber hinaus werden die Leistungsfaktoren der Phasen, die Energieflussrichtungen sowie die Frequenz ermittelt. Die Abtastrate für die Erfassung dieser Größen orientiert sich an der Netzfrequenz.
Grundlage der Messung und der Berechnung ist die DIN 40110-1, weshalb die Betriebsart „Basis-Messwerte“ auch in nicht-sinusförmigen Netzen einsetzbar ist. Die zeitliche Integration von Wirk- und Blindleistung erfolgt getrennt nach Bezug und Abgabe. Die Zählung der Wirkenergie geschieht somit nach Klasse 1 entsprechend DIN EN 62053-21 (VDE 0418-3-21). Die Blindenergie wird nach Klasse 2 entsprechend DIN EN 62053-23 (VDE 0418-3-23) erfasst.
Mit der Betriebsart „Abtast-Messwerte“ lässt sich die Kurvenform des Messsignals analysieren. Sie dient der Aufnahme dynamischer Stromänderungen sowie plötzlich auftretender Spannungsschwankungen. Zu diesem Zweck werden die Momentanwerte eines Messsignals durch Abtastung ermittelt (Bild 2). Als Messsignal kann der Anwender entweder den Phasenstrom, den Nullleiterstrom, die Phasen- oder Außenleiterspannung oder die Augenblicks-Wirkleistung wählen. Netzgrößen wie Blind- und Scheinleistung, Leistungsfaktor oder Effektivwerte beispielsweise von Strom und Spannung gibt es in dieser Betriebsart nicht, weil es sich nicht um Abtastwerte handelt.

Notwendigkeit von Strom- und Spannungswandlern
Die Inline-Leistungsmessklemme hat den Vorteil, dass die Ströme direkt, das heißt Spannung führend bis zu einem Nennstrom von 5 A und einer Phasenspannung von AC 400 V angeschlossen werden können. Durch Parametrierung lässt sich der Messbereich auf einen Nennstrom von 1 A einstellen, sodass auch die Messung geringer Stromstärken möglich ist. Bei Nennströmen von mehr als 5 A sind Stromwandler erforderlich, die zur Sicherheit sowie zur Reduzierung von Störeinflüssen sekundär geerdet sein sollten (Bild 3).
Bei der Messung von Außenleiter-Spannungen von AC 230 V bis 400 V sowie Phasenspannungen von AC 400 V bis 690 V in der Messkategorie CAT II respektive CAT III werden Strom- und Spannungswandler benötigt, um für die elektrische Sicherheit zu sorgen. Hier bietet sich ebenfalls die Erdung der Stromwandler und des sekundären Neutralleiteranschlusses an. In Hochspannungsnetzen finden sich einpolig isolierte Spannungswandler, die am Anschluss X, dem kalten Ende, geerdet sind (Bild 4).

Unterschiedliche Belastungsfälle und Netzformen
Durch die Anschluss- und der Verdrahtungsmöglichkeiten lässt sich die Leistungsmessklemme in unterschiedlichen Anwendungen nutzen. Da Stromwandler nicht immer notwendig sind, reduzieren sich die Material- und die Montagekosten. In einem unsymmetrisch belasteten Vier-Leiter-Drehstromnetz kann man den Neutralleiterstrom bei Verzicht auf eine entsprechende Messung näherungsweise aus den drei Phasenströmen berechnen. Handelt es sich um ein unsymmetrisch belastetes Vier-Leiter-Drehstromnetz im Hochspannungsbereich, entfällt bei Verwendung der Open-Y-Sparschaltung der Spannungswandler in der Phase L2. Den Wert ermittelt der Anwender aus den beiden anderen Spannungen, sofern der Neutralleiter mit dem rechnerischen Sternpunkt zusammenfällt. Der Neutralleiterstrom wird aus den drei Phasenströmen näherungsweise bestimmt. Bei einer geforderten Genauigkeit ist optional eine Messung möglich.
Im Idealfall eines symmetrischen Drei- oder Vier-Leiter-Drehstromnetzes genügt die Messung einer Phase. Damit sinkt die Anzahl der Stromwandler auf ein Drittel. Die Summenwerte werden aus den Messgrößen der Phase berechnet. Bei unsymmetrisch belasteten Drei-Leiter-Drehstromnetzen lässt sich der Erdstrom aus den drei Phasenströmen näherungsweise ermitteln. Diese Vorgehensweise entspricht der so genannten Aron-Schaltung. In einem symmetrischen Drei-Leiter-Drehstromnetz erlaubt die Kunstschaltung die Bestimmung der Netzgrößen aus einem Strom und einer Außenleiterspannung. So minimiert sich die Anzahl an Stromwandlern.
Die Inline-Leistungsmessklemme eignet sich auch für ein- und zweiphasige Wechselstromnetze mit und ohne Strom- und Spannungswandler. In diesem Fall koppelt der Anwender die nicht benötigten Anschlüsse der Klemme einfach nicht an. Erfasst werden hier Phasenspannung und -strom. Bei der Zwei-Phasen-Messung ist optional eine Neutralleiter-Messung möglich. Alternativ lässt sich der Neutralleiterstrom annähernd aus den gemessenen Phasenströmen berechnen.

Fazit
Die Leistungsmessklemme aus dem Inline-Automatisierungssystem ist ein leistungsfähiges Energiemessgerät, das sich nahtlos in die Automatisierungsstation integrieren lässt. Der Aufbau eines separaten diskreten Messnetzwerks entfällt, da die Steuerung um die Funktion der Datenerfassung ergänzt wird. Die Inline-Steuerungen unterstützen die bekannten Mechanismen zur Kommunikation mit einer SQL-Datenbank, sodass sich die Leistungsmessklemme nahtlos in ein Energiedaten-Erfasssungssystem einfügt.

Leistungsmessung in Drehstromnetzen
Die nach dem deutschen Elektrotechniker Hermann Aron benannte Aron-Schaltung wird auch als Zwei-Wattmeter-Schaltung bezeichnet. Sie ermöglicht die Leistungsmessung in Drei-Leiter-Drehstromnetzen bei symmetrischer und unsymmetrischer Belastung. In derartigen Netzen ergibt die Summe der Spannungen und Ströme der drei Leiter stets Null, sodass einer der drei Leiter der gemeinsame Rückleiter ist. Daher reicht es aus, die Leistung in den anderen beiden Strängen mit zwei Wattmetern zu messen. Die Summe der beiden Ausschläge erweist sich selbst bei unsymmetrischer Belastung als proportional zur gesamten Drehstromleistung. Im symmetrischen Belastungsfall lässt sich die Blindleistung als dreifache Differenz der Leistungsmessung berechnen.
Bei einer Open-Y-Schaltung kann man bei der Leistungsmessung in Vier-Leiter-Drehstromnetzen ohne Nullpunkt-Verlagerungsspannung auf die Erfassung einer Phase L2 verzichten. Ermittelt werden die drei Phasenströme und die Außenleiter-Spannungen zwischen den Phasen L1 und L3 sowie dem Neutralleiter. Der Einsatz eines Spannungswandlers ist nicht erforderlich.

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Autor: Dipl.-Ing. Frank Knafla ist Master Specialist Energy Efficiency bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont.