Condition-based monitoring slaat nieuwe weg in

Moderne frequentieregelaar is een slimme doe-het-zelver

Condition-based monitoring is het continu of periodiek verzamelen van gegevens over de conditie van een machine of systeem teneinde vroegtijdig tekenen van slijtage, defecten of afwijkingen te (kunnen) detecteren. Frequentieregelaars hebben deze werkwijze een enorme boost gegeven. Van een ‘veredelde snelheidsmeter’ voor elektromotoren is het apparaat uitgegroeid tot een slim meetpunt dat continu de conditie van motor en installatie bewaakt en vroegtijdig afwijkingen signaleert.

23 maart 2026

Bij condition-based maintenance vindt onderhoud alleen plaats wanneer de analysedata daartoe aanleiding geven, en dus niet (langer) op vaste tijdsintervallen. Condition-based monitoring speelt daarbij de rol van dataverzamelaar. De moderne frequentieregelaar heeft gegevensverzameling (monitoring) en op basis daarvan actie ondernemen (maintenance) aanzienlijk vereenvoudigd.

Slim meetpunt

Een frequentieregelaar of variabele frequentiedrive (hierna: VFD) is een apparaat dat netspanning met een vaste frequentie omzet in een vorm die geschikt is voor het aandrijven van een elektromotor. Juist omdát een VFD de interne elektrische en mechanische toestand van het aandrijfsysteem berekent en bewaakt, is het apparaat in staat zelf afwijkingen te signaleren. Dit maakt dat VFD’s steeds vaker worden toegepast in industriële toepassingen zoals productielijnen en transportsystemen en in commerciële installaties, bijvoorbeeld lift- en HVAC-systemen. Het is een slim meetpunt dat continu de conditie van motor en installatie bewaakt en vroegtijdig afwijkingen signaleert.

Veelzijdig

Een moderne VFD is allang geen ‘veredelde snelheidsmeter’ meer voor motoren: de regelaar bewaakt continu de prestaties, detecteert onbalans en overbelasting, signaleert vroegtijdig slijtage en cavitatie, en ontsluit operationele data uit SCADA- en IoT-systemen ten behoeve van monitoring, analyse en procesoptimalisatie.

Meten van spanningen en vermogens

De door sensoren verzamelde data worden via elektronische schakelingen en een microcontroller omgezet in digitale gegevens. Met behulp van wiskundige algoritmen berekent de regelaar hieruit het vermogen (spanning × stroom), cos φ – een maat voor de efficiëntie waarmee het elektrische vermogen wordt gebruikt – en de frequentie. Op basis van deze waarden worden spanning en frequentie proportioneel aangepast volgens het principe van V/f-regeling: door de verhouding tussen spanning (V) en frequentie (f) constant te houden, blijft de magnetische flux in de motor constant en blijft het gewenste koppel over een breed snelheidsbereik behouden.

Analyseren van motorstromen

De continu gemeten motorstromen worden via een interne microprocessor vergeleken met wiskundige motormodellen en referentiewaarden. Dit kan met regelstrategieën als:

• Field Oriented Control (FOC): regelt koppel en flux afzonderlijk via vectortransformatie van de motorstromen.
• Direct Torque Control (DTC): berekent koppel en statorflux direct uit gemeten stromen en spanningen, wat zorgt voor een zeer snelle koppelrespons.

Signaalafwijkingen duiden op overbelasting, onbalans of slijtage. De VFD gebruikt deze informatie om het koppel nauwkeurig te regelen, energie te besparen en storingen vroegtijdig te detecteren.

Een VFD is een tool, geen oplossing op zich

Analyseren van trillingspatronen

Kleine afwijkingen in de door de VFD gemeten motorsignalen als stroom en spanning kunnen wijzen op onbalans, slijtage of lagerproblemen die zich uiten in karakteristieke trillingspatronen. De VFD gebruikt interne sensoren en digitale signaalverwerking om deze variaties te analyseren; veel daarvoor gebruikte technieken zijn Fourier-analyse en Wavelet-analyse. Op die manier worden specifieke frequenties zichtbaar, een soort elektrische vingerafdruk voor bepaalde typen storingen. Dit maakt voorspellend onderhoud mogelijk en voorkomt onverwachte stilstand.

Bewaken van temperatuur

Hiervoor meten sensoren bijvoorbeeld de motorwikkelingen (vaak via PTC- of NTC-weerstanden) of de omgevingstemperatuur (via een NTC- of PT100-sensor). De meetwaarden worden continu uitgelezen en vergeleken met vooraf ingestelde limieten. Wordt een kritisch niveau bereikt, dan zal de VFD automatisch de motor vertragen of zelfs uitschakelen teneinde schade te voorkomen. Sommige regelingen gebruiken slimme algoritmen die de warmteontwikkeling voorspellen. Dit maakt ingrijpen mogelijk nog voordat een probleem ontstaat.

Als een VFD al een nadeel heeft, dan is het dat het niet in alle situaties zelfstandig een volledige diagnose kan stellen

Detecteren van onbalans of overbelasting

Dankzij de continue meting van motorstroom en -spanning kunnen ook onbalans en overbelasting worden herkend:

• bij onbalans, bijvoorbeeld wanneer één fase een hogere stroom trekt dan de andere, wordt de ongelijkmatige motorbelasting door de VFD opgemerkt en gesignaleerd;
• bij overbelasting detecteert de VFD dat de stroom of het vermogen langer boven de veilige limiet blijft.

Dergelijke gegevens worden verwerkt met interne algoritmen die direct waarschuwingen afgeven of de motor afschakelen.

Signaleren van lagerslijtage en/of cavitatie

De VFD analyseert behalve stroom en spanning ook vermogen en frequentie. Mechanische trillingen kunnen alleen worden gemeten met een externe trillingssensor. Afwijkingen, zoals veranderingen in het trillingsspectrum, pulserende stromen of plotselinge vermogenspieken kunnen duiden op problemen als lagerslijtage of cavitatie. Geavanceerde algoritmes vergelijken het actuele patroon met een referentieprofiel of voorspellen trends, waardoor vroegtijdige signalering wordt vergemakkelijkt en onderhoud proactief kan worden uitgevoerd.

Drietrapsraket
Een VFD zet de netspanning om naar een regelbare uitgangsspanning en -frequentie.
• Fase 1: het apparaat ontvangt standaard wisselstroom (AC) van het elektriciteitsnet met een vaste frequentie, doorgaans 50 of 60 Hz. Deze wordt met behulp van een gelijkrichter omgezet in gelijkstroom (DC).
• Fase 2: de aldus verkregen DC stroomt door een zogeheten DC-bus of tussenkring, een elektrisch dan wel elektronisch systeem om elektrische energie te bufferen. Deze draagt zorg voor zuivere, stabiele DC aan fase 3.
• Fase 3: via een omvormer wordt de DC weer omgezet naar een PWM-gemoduleerde spanning (Pulse Width Modulation) met een variabele frequentie én een variabele spanning. De uitgangsfrequentie van de omvormer bepaalt daarbij het toerental van de motor.

Dataverwerking

Bij een VFD vinden alle kernmetingen – onder andere motorkoppel, motorsnelheid en motorstroom − en analyses plaats in de regelaar zelf (edge computing) in plaats van in de cloud. Daarna vindt interne filtering plaats waarbij de gegevens:

• worden ontdaan van ruis en fouten;
• worden geaggregeerd tot bruikbare gemiddelden of RMS-waarden (een statistische maat, vaak gebruikt om de gemiddelde amplitude of de sterkte van een signaal te berekenen);
• waar nodig worden geprepareerd voor trendanalyse of alarmdetectie.

Vervolgens worden de bewerkte data geaggregeerd tot bruikbare informatie over bijvoorbeeld energieverbruik, belasting of weergegeven als foutcodes. Via ingebouwde communicatieprotocollen stuurt de regelaar deze gegevens door naar een SCADA- of IoT-platform, waar ze worden opgeslagen, gevisualiseerd en geanalyseerd met dashboards en algoritmen. Meetgegevens kunnen eventueel op een later moment naar de cloud of naar een centraal systeem worden gestuurd. Dit opent de mogelijkheid om meerdere installaties tegelijk te volgen of extra analyses uit te voeren.

Rol

Geïntegreerde CBM-functies spelen in moderne VFD’s een steeds grotere rol bij het bewaken, analyseren en optimaliseren van het aandrijfsysteem. Enkele concrete voorbeelden:

Conditiebewaking van motorstatorwikkelingen

Storingen in motorwikkelingen beginnen met een kleine kortsluiting in één winding waardoor extra warmte ontstaat. De daardoor veroorzaakte schade breidt zich geleidelijk aan uit tot een niveau waarop de overstroombeveiliging wordt geactiveerd en de werking wordt gestopt. Bij geavanceerde VFD’s kunnen beginnende isolatiefouten onder voorwaarden − stabiele situatie + nauwkeurige metingen − sensorloos worden herkend.

In de beginfase volgt dan een alarm + logging (motor blijft draaien). Bij toenemende lekstroom kan de VFD een gespecificeerde tijdelijke stop uitvoeren, en wordt de toestand kritiek, dan volgt een volledige uitschakeling van het systeem om (verdere) schade en/of gevaar te voorkomen.

Mechanische vibratiemonitoring

Hierbij vindt een analyse plaats van de trillingen van de machine. De aandacht is daarbij gericht op:

• het tijdsverloop (trending): door trends te volgen kunnen kleine afwijkingen vroegtijdig worden opgespoord;
• de acceleratie/deceleratie: sterke trillingen kunnen wijzen op onbalans, slijtage of losse onderdelen en geven inzicht in de belasting en toestand van de machine;
• transiënten: korte, sterke trillingen die vaak wijzen op een specifieke storing. De VFD kan in verband hiermee zogeheten skip frequencies instellen zodat de aandrijving niet langdurig in een frequentiegebied werkt waar trillingen en extra belasting optreden.

Op deze manier kan versnelde slijtage worden voorkomen, terwijl de verzamelde gegevens ook inzicht geven in de werkelijke bedrijfscondities, zoals stabiel draaien, opvoeren, belastingsconditie of snelheid.

Bewaking DC-linkcondensatoren

Deze functie meet en controleert de degradatie in de DC-link van condensatoren via in de VFD aanwezige sensoren:

• continue meting van spanning en stroom over de condensatoren. Afwijkingen kunnen wijzen op verlies van capaciteit of toename van interne weerstand;
• analyse van de wisselspanningseigenschappen van condensatoren waaruit de impedantie en fasehoek kunnen worden bepaald. Stijging van de ESR (Equivalent Series Resistance) of daling van de capaciteit duiden op degradatie;
• registratie van de bedrijfstemperatuur van de (temperatuurgevoelige) condensatoren, om voorspellingen te kunnen doen over de resterende levensduur.

Dankzij de genoemde parameters kan de VFD zogeheten predictive alerts afgeven en zo bepaalde vormen van condensatorfalen voorkomen.

Als een VFD al een nadeel heeft, dan is het dat het niet in alle situaties zelfstandig een volledige diagnose kan stellen. Er blijven situaties waarin externe sensoren of gespecialiseerde monitoring noodzakelijk kunnen zijn. Voorbeelden daarvan zijn complexe mechanische systemen met meerdere lagers of tandwielkasten en omgevingen met hoge eisen aan voorspellend onderhoud (kritische processen). Een VFD is daarmee een tool, geen oplossing op zich.

Met medewerking van Lenze, Nidec Netherlands en Nord Drive Systems