Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt eine Fallstudie und eine Methode zur Störungsbehebung für das DCS-Automatisierungssystem einer pharmazeutischen Fermentationsanlage mit Frequenzumrichter vor. Durch den Einsatz von passenden Leistungsfiltern an den Ein- und Ausgängen des Frequenzumrichters werden die während des Betriebs entstehenden elektromagnetischen Störungen effektiv beseitigt. Nach mehreren Anpassungen und Experimenten an der Gesamtanlage wird die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zwischen dem DCS-Automatisierungssystem und dem Frequenzumrichter in der pharmazeutischen Fermentationsanlage erreicht. Schlüsselwörter: Maßnahmen zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen, Elektromagnetische Verträglichkeit. 1 Einleitung: Der Einsatz von Frequenzumrichtern findet zunehmend Verbreitung und bietet in verschiedenen Branchen erhebliche Vorteile für die industrielle Automatisierung. Mit der fortschreitenden Automatisierung nimmt jedoch die Belastung der Stromversorgung durch automatisierte Anlagen zu, wodurch auch die Störungen der automatischen Steuerungssysteme stärker werden. Dies erfordert höhere Anforderungen an die Filterung und Reinigung der Stromversorgung, um eine relativ stabile und umweltfreundliche Stromversorgung zu gewährleisten. International existieren relativ klare Gesetze und Vorschriften zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) in Design und Anwendung, mit eindeutigen Bestimmungen zu Störungen durch elektronische Geräte und zum Oberwellengehalt von Stromversorgungen. Da die Automatisierung elektronischer Geräte in meinem Land vergleichsweise langsam voranschreitet, ist das Bewusstsein für die Belastung des Stromnetzes durch Oberwellen noch nicht ausreichend geschärft, weshalb dieser Aspekt noch nicht gesetzlich geregelt ist. In einigen Industrieanlagen mit hohem Automatisierungsgrad ist die Bedeutung der EMV jedoch bereits deutlich erkennbar. Manche elektronische Geräte reagieren extrem empfindlich auf elektromagnetische Störungen und können daher nicht ordnungsgemäß funktionieren. Dieses Problem trat bei der Installation von Frequenzumrichtern im Pharmawerk Huaxing in Xinxiang, Provinz Henan, auf. Durch Filtermaßnahmen und mehrere Justierungen konnten wir es erfolgreich beheben. Im Folgenden stellen wir die Lösungsmethode zur Diskussion für Fachleute aus der Branche vor. 2. Einführung in das automatische Steuerungssystem der Fermentationsanlage Die Penicillin-Fermentationsanlage 107 der Henan Xinxiang Huaxing Pharmaceutical Factory nutzt ein vollautomatisches DCS-Steuerungssystem der Beijing Kangtuo Biochemical Engineering Co., Ltd. Dieses System überwacht umfassend Temperatur, Druck und pH-Wert jedes Fermenters und steuert die Zufuhr und Entnahme von Substraten während des Fermentationsprozesses, einschließlich der Zugabe von Zucker, Phenylessigsäure und Ammoniak. Drei Sensoren erfassen diese Prozesse und senden elektrische Signale an das Mikrocomputer-Steuerungssystem. Dieses sendet daraufhin Impulssignale (+5 V) basierend auf den erfassten Spannungs- (oder Strom-)Werten, um das Öffnen und Schließen von Magnetventilen (Betriebsspannung +24 V) zu steuern und so die Zufuhr und Entnahme zu realisieren. Jeder Fermenter verfügt somit über sechs Magnetventile mit drei Zufuhr-/Entnahmesteuerungen, drei Sensoren und zwei Messgeräte. Alle Daten werden vom Mikrocomputer fernüberwacht und auf einem großen Bildschirm angezeigt. Die Anlage umfasst insgesamt 18 Fermenter. Daher ist es denkbar, dass diese Art von System eine große Struktur, eine komplexe Steuerung und eine dichte Verkabelung aufweist, was bei der Installation äußerste Sorgfalt und Akribie erfordert. 3. Analyse und Lösungen von Problemen mit elektromagnetischen Störungen Da der Kunde bereits einen Frequenzumrichter getestet und durch den Austausch von Riemenscheiben und die Anpassung der Motordrehzahl die Energiesparvorteile von Frequenzumrichtern kennengelernt hatte, entschied er sich für die Installation des Frequenzumrichters unseres Unternehmens, um Energieeinsparungen und Effizienzsteigerungen zu erzielen. Bei der ersten Installation haben wir die Bedeutung der elektromagnetischen Verträglichkeit nicht ausreichend berücksichtigt. Nach der Inbetriebnahme des Frequenzumrichters kam es zu Störungen im ursprünglichen Steuerungssystem, wodurch mehrere Fermenter Alarmsignale an den Mikrocomputer ausgaben. Das Hinzufügen von Eingangs- und Ausgangsreaktoren löste das Problem nicht. Später untersuchten wir den ursprünglichen Frequenzumrichter des Kunden, der spezielle Leistungsfilter für die Eingangs- und Ausgangsklemmen der Firma Jinan Feiate Electronic Equipment Co., Ltd. verwendete und seit einem Jahr einwandfrei funktionierte. Daher empfahl das Pharmaunternehmen unserem Unternehmen, ähnliche Leistungsfilter zu beschaffen. Der Eingangsfilter des Frequenzumrichters besteht aus einem Ferritkern mit hoher Permeabilität und einem Eisenpulverkern, die zusammen mit einem Kondensator einen LC-Filter bilden. Dieser Filter entfernt die vom Frequenzumrichter erzeugten Oberwellen (innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes) und gewährleistet so den ungestörten Betrieb benachbarter oder anderer elektrischer Geräte im selben Stromnetz. Das Schaltbild ist in Abbildung 1 dargestellt. Abbildung 1 zeigt das Schaltbild des Eingangsfilters. Der Ausgangsfilter des Frequenzumrichters nutzt eine Induktivitätsfilterung (L), um leitungsgebundene Störungen am Ausgang zu unterdrücken und niederfrequente abgestrahlte Störungen auf der Ausgangsleitung zu reduzieren. Dadurch werden die elektromagnetischen Störungen des direkt angetriebenen Motors verringert und die Kupfer- und Eisenverluste des Motors deutlich reduziert. Das Schaltbild ist in Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 2 zeigt das Schaltbild des Ausgangsfilters. Nach der Anschaffung dieses Filtertyps begaben wir uns zur Inbetriebnahme vor Ort. Aufgrund begrenzter Erfahrung mit diesem Filtertyp waren die Techniker nicht ausreichend vorbereitet. Trotz des Einbaus zusätzlicher Filter war die Filterwirkung noch nicht optimal. Auch unter Volllast traten weiterhin Störungen auf, das DCS-System funktionierte nicht ordnungsgemäß und der Frequenzumrichter war außer Betrieb. Daher führten wir eine detaillierte Analyse des Problems durch. Die Ursache der Störungen im Frequenzumrichter ist in Abbildung 3 dargestellt, die das Hauptschaltbild des Frequenzumrichters zeigt. Der Hauptschaltkreis des Frequenzumrichters arbeitet üblicherweise im AC-DC-AC-Modus (siehe Abbildung 3). Die externe Eingangsspannung von 380 V/50 Hz wird mittels einer Dreiphasenbrückenschaltung ungesteuert in ein Gleichspannungssignal gleichgerichtet, durch einen Filterkondensator gefiltert und anschließend durch einen Hochleistungstransistor in ein Wechselstromsignal mit variabler Frequenz umgewandelt. Im Gleichrichterschaltkreis ist der Eingangsstrom eine unregelmäßige Rechteckwelle. Diese wird mittels Fourier-Reihe in eine Grundwelle und verschiedene Oberschwingungen zerlegt, wobei die höheren Oberschwingungen das Stromversorgungssystem stören. Im Ausgangsschaltkreis des Wechselrichters ist das Ausgangsstromsignal eine durch ein PWM-Trägersignal modulierte Pulswelle. Bei GTR-Hochleistungswechselrichtern liegt die PWM-Trägerfrequenz bei 2–3 kHz, während sie bei IGBT-Hochleistungswechselrichtern bis zu 15 kHz erreichen kann. Das Ausgangsstromsignal lässt sich in eine Grundwelle mit Sinuswellenanteil und Oberschwingungen zerlegen, wobei die höheren Oberschwingungsströme die Last direkt stören. Darüber hinaus strahlen sie über die Kabel in den Raum ab und beeinträchtigen benachbarte elektrische Geräte. Die Hauptausbreitungswege von Wechselrichterstörungen: Im Betrieb erzeugt ein Wechselrichter als starke Störquelle Störungen, die sich in Strahlung, Leitung, elektromagnetische Kopplung, Sekundärstrahlung und gleichzeitige Leitung und Strahlung unterteilen lassen. Die Hauptausbreitungswege sind in Abbildung 4 dargestellt: Abbildung 4: Hauptausbreitungswege von Wechselrichterstörungen. Wie aus der Abbildung ersichtlich, hat die vom Wechselrichter erzeugte abgestrahlte Störung einen starken Einfluss auf umliegende Funkempfangsgeräte. Leitungsgebundene Störungen verursachen elektromagnetische Störungen im direkt angetriebenen Motor und erhöhen die Kupfer- und Eisenverluste erheblich. Gleichzeitig beeinträchtigen leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen elektronisch empfindliche Geräte, die an oder in der Nähe des Stromeingangs angeschlossen sind, erheblich. Basierend auf diesen beiden Fehlersucheerfahrungen und den vom Wechselrichter und seinen Leitungen erzeugten Störungen führten wir in Zusammenarbeit mit Ingenieuren des Netzfilterherstellers eine Analyse und Zusammenfassung durch. Wir kommunizierten außerdem mehrfach telefonisch mit Ingenieuren der Beijing Kangtuo Bioengineering Co., Ltd., um deren Funktionsweise und Verkabelung zu verstehen. Die Analyse ergab, dass die Hauptstörung durch hochfrequente Oberschwingungen am Wechselrichtereingang verursacht wird. Nach der Installation des Wechselrichters befinden sich die Eingangsleitungen in der ursprünglichen Stromkabelrinne, während die Ausgangsleitungen nicht in der Rinne verlaufen und relativ nahe am Motor liegen. Darüber hinaus ist die ursprüngliche Verkabelung suboptimal: Die Strom- und Steuerkabelrinne sind nur 20 cm voneinander entfernt, der erforderliche Abstand beträgt jedoch mindestens 50 cm, und die beiden Kabelrinnen verlaufen parallel zueinander – allesamt unerwünscht. Auch die Erdungsleitung des Wechselrichters ist schlecht angeschlossen und verläuft durch die Stromkabelrinne. Die Kabelrinne erfüllt zwei Funktionen: Sie dient der Aufnahme der Stromkabel und der Abschirmung. Störungen des Wechselrichters gelangen über die Erdungsleitung in die Kabelrinne. Oberschwingungen, die vom Wechselrichter erzeugt werden, strahlen über seine Eingangs- und Erdungsleitungen auf die Strom- und Signalleitungen anderer Geräte ab (insbesondere auf die Signalleitungen empfindlicher Sensoren). Es ist wichtig zu betonen, dass unser Wechselrichter und das DCS-Steuerungssystem nicht vom selben Transformator versorgt werden, wodurch direkte leitungsgebundene Störungen ausgeschlossen werden. Dies beeinträchtigt den normalen Betrieb des Steuerungssystems. Da die bestehende Verkabelung bereits fest installiert ist und weitere Änderungen praktisch unmöglich sind, kommt eine Änderung der Strom- und Signalkabel nicht in Frage. Die Erdungsleitung des Wechselrichters kann separat verlegt und direkt mit der Erdungsleitung des Schaltschranks im Verteilerraum verbunden werden. Eine Verstärkung der Filtermaßnahmen am Wechselrichtereingang sollte das Problem theoretisch lösen. Nach der Stilllegung der Fermentationstanks haben wir den bestehenden Filter um Gleichtakt- und Gegentakt-Magnetringe ergänzt. An jeder Phase der Eingangs- und Ausgangsleitungen wurden zwei Gegentakt-Ringfilter und an den drei Eingangsphasenleitungen zwei Gleichtakt-Ringfilter installiert. Anschließend wurde der Erdungsleiter im Stromverteilerraum geerdet. Nach dieser Modifikation lief die Anlage im Leerlauf ohne Störungsalarme einwandfrei. Unter Last traten jedoch bei den Tanks 305 und 307 Störungsalarme auf. Durch Umleitung des Erdungsleiters an den Erdungsleiter des Transformators, der Tank 307 steuert (dieser verwendet einen Frequenzumrichter, dessen Ausgangsleitungen im Kabelkanal verlaufen), konnte das Problem mit den Störungsalarmen für Tank 305 behoben werden. Tank 307 zeigte jedoch weiterhin sporadisch Störungsalarme. Analysen legten nahe, dass dies auf die Überlagerung von Gleichtaktstörungen der beiden Frequenzumrichter oder auf die lange Verlegung des Erdungsleiters im Kabelkanal zurückzuführen sein könnte. Daher wurde ein Erdungsfilter installiert, dessen Wirkung jedoch unbefriedigend war. Später wurde der Erdungsdraht entfernt (Messungen hatten ergeben, dass der Leckstrom des gesamten Wechselrichters sehr gering war und keine Gefahr für den menschlichen Körper darstellte, sodass der Erdungsdraht entfernt werden konnte). Dies verbesserte die Situation etwas, jedoch trat der Alarm weiterhin sporadisch auf. Die Analyse legt nahe, dass das Problem nicht durch den Erdungsdraht, sondern durch eine unzureichende Filterung am Eingang verursacht wurde, die hochfrequente Störungen nicht vollständig herausfilterte. Daher wurde das System angehalten und an jede Eingangsphase zwei Differenzialringe sowie an die drei Eingangsphasen drei Gleichtaktringe angefügt. Nach dem Neustart funktionierte das System normal, und die Störungen waren verschwunden. Das Blockdiagramm des Systems nach der Optimierung ist in Abbildung 5 dargestellt. Abbildung 5: Systemblockdiagramm. 4. Fazit: Dieses Experiment stellt einen Lösungsansatz für das Kompatibilitätsproblem (d. h. die elektromagnetische Verträglichkeit) zwischen automatischen Steuerungen und Wechselrichtern in der Fermentationsindustrie dar. Laut Ingenieuren der Beijing Kangtuo Biochemical Engineering Co., Ltd. wird diese Art von automatischen Steuerungssystemen häufig in der pharmazeutischen Industrie eingesetzt. Wir haben uns intensiv bemüht und wertvolle Erfahrungen gesammelt, um im Umgang mit elektromagnetischen Verträglichkeitsproblemen einen weiteren Schritt nach vorn zu machen. Wechselrichter werden in der pharmazeutischen Industrie zweifellos bedeutende Fortschritte erzielen. Mit dem zunehmenden Wachstum des Wechselrichtermarktes in meinem Land wird die Bedeutung der elektromagnetischen Verträglichkeit weiter zunehmen, und ihre Anwendungsperspektiven sind sehr vielversprechend. Die Abteilung für Fermentationstanks der Firma Xinfengguang bietet Pharmafabriken umfassende energiesparende Lösungen zur Frequenzumwandlung an, während die Abteilung für elektromagnetische Verträglichkeit der Firma Feiot Herstellern von Frequenzumrichtern kostenlose technische Beratung und Dienstleistungen zur Behebung von Problemen anbietet.