Lastabschaltung auf der 24-V-Seite strombegrenzter Schaltnetzteile

Ausweg aus dem Dilemma

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Im Anlagenbau werden bedingt durch die steigende Automatisierung immer mehr elektronische und elektrische Verbraucher zu Fertigungsgruppen oder -inseln zusammengefasst, die mit Energie versorgt werden müssen. Wichtig dabei ist eine sichere Stromversorgung, denn der Ausfall auch nur eines Verbrauchers kann unter Umständen eine ganze Produktionseinheit lahm legen. Zudem steigt mit der Anzahl der Verbraucher auch der Energiebedarf.

Nach Informationen von ETA Elektrotechnische Anlagen in Altdorf bei Nürnberg

Hierzu werden moderne Schaltnetzteile eingesetzt, die gegenüber den herkömmlichen Trafonetzteilen (oder linearen Netzteilen) den Vorteil bieten, dass sie kompakter und leichter sind und zudem Wirkungsgrade von 80% und mehr aufweisen. Vom Preis her betrachtet gelangen diese Geräte häufig in die Größenordnung von Trafonetzteilen, so dass auch der wirtschaftliche Faktor positiv ins Gewicht fällt.
Auf der 24-VDC-Seite der Netzteile wird die Leistung dann parallel auf die einzelnen Verbraucher oder Verbrauchergruppen verteilt und standardmäßig mit Sicherungen oder Schutzschaltern abgesichert. Aus Kostengründen werden hier sehr häufig normale Leitungschutzschalter eingesetzt. Ein derartiger Aufbau funktioniert in der Regel problemlos – solange kein Fehler an einer Last oder Lastzuleitung auftritt. Deshalb ist vielen Anwendern auch gar nicht bekannt, dass in der beschriebenen Konstellation eine Schwachstelle verborgen liegt, die zwar technisch abgesichert ist, aber zu langen und unnötigen Stillstandzeiten der Fertigungsgruppe oder gar der ganzen Fertigungslinie führen kann.
Die Schwachstelle von Schaltnetzteilen
Das Problem liegt in der an sich positiven Eigenschaft des Schaltnetzteils, nur einen begrenzten Überstrom zuzulassen, also „kurzschlussfest“ zu sein. In der Regel kann der maximal mögliche Ausgangsstrom eines getakteten Netzteils nur das etwa 1,1-fache seines Nennstroms sein: Der Laststrom wird begrenzt durch das Abregeln der Ausgangsspannung. Manche Netzteile schalten sogar ganz ab, solange der Ausgang niederohmig belastet ist, also ein Fehler, z.B. durch einen Kurzschluss, vorliegt. Diese Eigenschaft ist an sich positiv zu bewerten, denn wegen des integrierten Überlastschutzes wird eigentlich keine zusätzliche Sicherung benötigt.
Sind nun jedoch mehrere Verbraucher parallel ans Netzteil angeschaltet, dann werden bei einem Fehler in einem einzelnen Verbraucher auch alle anderen mit abgeschaltet. Um dies zu vermeiden, werden nach alter Gewohnheit die Lasten einzeln oder gruppenweise mit Schutzschaltern abgesichert.
Ein normaler Schutzschalter mit mittelträger Kennlinie benötigt aber zur schnellen magnetischen Auslösung mindestens den 6-fachen Wert seines Nennstromes. Bei einem 4-A-Schutzschalter sind daher mindestens 24 A zur Auslösung nötig. Diesen zusätzlichen Strom von 20 A wird ein normal belastetes Schaltnetzteil wegen seiner Strombegrenzung gar nicht liefern können. Die Folge: der Schutzschalter löst nicht aus und ist somit nutzlos.
Eine nahe liegende Möglichkeit, um aus diesem Dilemma herauszukommen, wäre es, einen Schutzschalter mit einer flinken Kennlinie einzusetzen. Hier beträgt der nötige Auslösestrom nur etwa das 2-fache des Nennstromes. Normalerweise funktioniert diese Lösung, falls es dem Betreiber gelingt, die Anlage überhaupt einzuschalten. Denn ein flinker Schutzschalter reagiert seiner Aufgabe entsprechend mit Auslösung auch auf kurze, aber hohe Einschaltstromspitzen, wie sie zur Aufladung der Pufferkapazitäten zur Überbrückung kurzer Spannungseinbrüche in fast allen Elektroniken eingesetzt werden.
Ein Fazit
Zur selektiven Auslösung im Fehlerfall benötigt man eine flinke Auslösekennlinie, zur Überbrückung der Einschaltstromspitzen aber eine relative träge Kennlinie. Das ist ein Widerspruch. Nicht aber für den elektronischen Schutzschalter ESS1 von E-T-A. Dieses Gerät – eingesetzt anstelle des herkömmlichen Schutzschalters im Laststromkreis – eliminiert die Rückwirkung von Lastfehlern auf die nicht betroffenen Verbraucher, indem es selbst den Fehlerstrom begrenzt und somit das Netzteil von dieser Aufgabe entlastet. Steht die Überlast länger als 5 Sekunden an, dann wird die Last galvanisch getrennt. Ein Bedienknopf, der auch zur manuellen Abschaltung und zur Signalisierung dient, springt heraus. Das Gerät kann dabei sehr gut unterscheiden, ob es sich um einen Einschaltstrom-impuls handelt, der dann einfach ignoriert wird.
Im Kurzschlussfall erfolgt dagegen die Auslösung im Bereich weniger Millisekunden, noch bevor die Spannung vom Netzteil abgeregelt wird. So ist sichergestellt, dass nur der fehlerbehaftete Stromkreis selektiv abgeschaltet wird. Weiterhin wird so auch die Fehlersuche erleichtert, weil die Schwachstelle lokalisiert und signalisiert wird. Durch die Handbedienbarkeit wird auch die Inbetriebnahme vereinfacht, da alle Kreise einzeln zu- oder abgeschaltet werden können – mit galvanischer Trennung.
Ein mitlaufender Signalkontakt (Schließer) – ebenfalls galvanisch getrennt – ermöglicht die Anlagenüberwachung und Fehlerdiagnose aus der Ferne.
Eine weitere nützliche Option ist die Leuchtbalkenanzeige, welche die Stromauslastung bezogen auf den eingestellten Nennstrom in Prozent anzeigt. Dies erleichtert zum einen die Inbetriebnahme, weil nicht unbedingt eine separate Strommessung erforderlich ist, zum anderen lassen sich während des Betriebs Veränderungen im Lastkreis frühzeitig erkennen.
Die Umschaltung des Nennstroms am Gerät erlaubt bei der Inbetriebnahme eine genaue Anpassung an die Gegebenheiten vor Ort, vermindert zudem die Variantenvielfalt und vereinfacht die Lagerhaltung.
Ein möglicher Steuereingang erlaubt die Fernsteuerung des Geräts und bietet die Möglichkeit, das ESS1 als Steuerbaustein ähnlich eines Halbleiterrelais einzusetzen. Es werden dabei die Schutz- und die Steuerfunktion in einem einzigen Bauteil vereinigt und somit Kosten und vor allem Verdrahtungsaufwand reduziert.
Den Verdrahtungsaufwand minimieren
Zum elektronischen Schutzschalter ESS1 wird ein Stromverteiler SVS1 angeboten, der auf der Hutschiene montiert bis zu 16 ESS1 aufnimmt. Alle Anschlüsse der Stromverteilung sind bereits durchgeschleift. Es müssen lediglich die Verbindungen zum Netzteil (meist zwei Leitungen) und die Anschlüsse der Verbraucher ( meist je drei Leitungen) hergestellt werden. Die ESS1 selbst werden einfach eingesteckt. Auch die Signalkontakte sind bereits vorverdrahtet und können einzeln oder in zwei Gruppen (wählbar) zusammengefasst werden. Alle Last- und Signalanschlüsse sind steckbar, die Kabel werden über Federkraftklemmen kontaktiert. Die Einspeiseseite (Schraubklemmen) bietet die Möglichkeit zur Weiterschleifung auf andere Systeme. Den Stromverteiler gibt es wahlweise mit 4, 8, 12 oder 16 Kanälen.
Der Einsatz dieses Systems erfolgt wirtschaftlich ab einer Kanalzahl von vier Lastkreisen. Speziell in den Anwendungen, wo Daten-Bussysteme eingesetzt sind, bietet es den großen Vorteil der Erhöhung der Betriebssicherheit, die hier einen besonders hohen Stellenwert einnimmt. Häufig hat nämlich der Ausfall eines einzigen Bus-Kopplers den Absturz oder Reset des ganzen Systems zur Folge. Doch auch in kleineren Anlagen wird immer mehr Störungssicherheit gefordert. Und hierzu trägt der elektronische Schutzschalter ESS1 zusammen mit dem Stromverteiler SVS1 erheblich bei.
Weitere Informationen eA 552
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