Tipps zur Projektierung von Stromversorgungen (SPS IPC Drives: 7-130)

Den Blick auf das Gesamtkonzept gerichtet

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So unterschiedlich Maschinen und Anlagen sind, so verschieden sind auch die Anforderungen, die an deren Stromversorgung gestellt werden: Netzgeräte sollen kompakt und kostengünstig sein, möglichst geringe Verluste aufweisen und zugleich Einschaltströme und wechselnde Belastungen sicher beherrschen. Die Forderung nach einer ausfallsicheren Stromversorgung kann das Netzgerät alleine jedoch nicht erfüllen. Der Blick auf das Gesamtkonzept und der Einsatz ergänzender Komponenten sind bei der Projektierung von Stromversorgungen ratsam. Wago Kontakttechnik bietet entsprechende Lösungen.

Dipl.-Ing. (FH) Stefan Wagner ist Produktmanager im Bereich Interface Electronic bei der Wago Kontakttechnik GmbH & Co. KG in Minden ( www.wago.com)

Der Aufbau einer Stromversorgung beginnt mit dem Netzgerät, das entsprechend der benötigten Kombination aus Ein- und Ausgangsspannung sowie Ausgangsleistung ausgewählt wird. Um spätere Überraschungen und teure Nachbesserungen zu verhindern, sollten weitere Aspekte in die Planung einbezogen werden, darunter das Verhalten bei Überlast und die Absicherung auf Primär- und Sekundärseite. Das Epsitron-Stromversorgungssystem von Wago enthält hierzu einphasige Eco- und Compact-Netzgeräte sowie verschiedene einphasige Classic-Varianten. Während die Eco-Geräte die Standardversorgung mit 24 VDC übernehmen, bieten die Kategorien Compact und Classic unterschiedliche Versorgungsspannungen (12 V, 24 V und 48 V). Leistungsspitzen decken die ein- und dreiphasigen Pro-Netzgeräte mit Top- und Power-Boost ab.
Primärseitige Absicherung
Netzgeräte sind heute in der Regel als pri-märgetaktete Schaltregler aufgebaut. Geringes Gewicht, hohe Wirkungsgrade und geringe Verlustleistungen sind die zentralen Vorteile dieser Technik. Bei einphasigen Geräten gibt es meist einen Weitbereichseingang von 85 bis 264 VAC und von 50 Hz bis 60 Hz, bei zwei- und dreiphasigen Geräten von 340 bis 550 VAC, und das ohne manuelle Umschaltung. Mit diesen Spannungsbereichen sind die Netzgeräte vielfältig einsetzbar und stecken auch Netzschwankungen weg.
Bedingt durch die Kapazitäten in Eingangs-, Zwischen- und Ausgangskreis können kurzzeitig hohe Einschaltströme auftreten. Daher gilt es, die technischen Daten des Netzgerätes genau zu studieren und die dem Leitungsschutz dienende primärseitige Absicherung nicht kleiner als empfohlen zu wählen. Bei dreiphasigen Geräten lassen sich unter Umständen auch Motorschutzschalter einsetzen, wobei es wiederum entsprechende Einstellungsempfehlungen im Datenblatt gibt.
Überlastverhalten und sekundärseitige Absicherung
Die sekundärseitige Absicherung kann dem Leitungsschutz sowie dem Schutz angeschlossener Lasten dienen oder Teil der Erdschlusserkennung gemäß DIN EN 60204-1 (Kapitel 9.4.3.1) sein. Das Zusammenspiel von Überlastverhalten des Netzgerätes, Auslösecharakteristik der Absicherung und Impedanz der Fehlerschleife ist zu beachten. Das Überlastverhalten bestimmt dabei, welchen Strom das Netzgerät liefern kann.
Das früher häufig anzutreffende Hiccup-Verhalten bewirkt ein komplettes Abschalten der Ausgangsspannung, sobald ein gewisser Stromwert überschritten wird. Nach kurzer Wartezeit startet das Netzgerät erneut und wiederholt den Vorgang solange, bis die Überlast oder der Kurzschluss beseitigt wurde. Ein solches Verhalten ist aber für das Auslösen einer Sicherung meist unbrauchbar, weil nicht mit Gewissheit gesagt werden kann, ob der für die Auslösung notwendige Strom fließt.
Ein weiterer Nachteil dieses Überlastverhaltens tritt beim Start kapazitiver Lasten auf, zum Beispiel bei elektronischen Verbrauchern wie SPS, IPC, Bedienpanel oder DC/DC-Wandler. Bedingt durch die hohen Einschaltströme dieser Lasten unterbricht das Netzgerät den Stromfluss immer wieder, ein Anlauf ist nicht möglich. Ein solches Problem ließe sich nur durch hohe Überdimensionierung der Netzgeräte lösen, was wirtschaftlich nicht vertretbar ist. Daher haben sich heute zwei Verfahren durchgesetzt: Beim Konstantstromverhalten wird der Ausgangsstrom bei Überlast auf etwa 110 % des Nennstroms eingefroren; beim Konstantleistungsverhalten hingegen wird die Ausgangsleistung durch Absenkung der Ausgangsspannung bei steigendem Ausgangsstrom begrenzt. In beiden Fällen können kapazitive Lasten gestartet werden, beim Konstantstromverhalten sogar unabhängig von der Größe der Kapazität.
Elektronische Schutzschalter
Bei der sekundärseitigen Absicherung kann im Wesentlichen zwischen drei Verfahren gewählt werden: erstens die thermische Absicherung (Schmelzsicherung), zweitens die thermische und magnetische Absicherung (Leitungsschutzschalter) und drittens die elektronische Absicherung (elektronische Schutzschalter). Steht nun dauerhaft ein Strom zur Auslösung der Sicherung bereit, so gilt es, die Auslösecharakteristik näher zu betrachten. Bei thermischer oder magnetischer Absicherung werden hohe Auslöseströme für eine schnelle Unterbrechung von Überlast und Kurzschluss benötigt. Der vergleichsweise geringe Strom eines Netzgerätes mit Konstantstromverhalten bewirkt dann eine sehr langsame Auslösung. Es tritt eine starke Erwärmung der Leitungen auf, die eigentlich durch zügige Abschaltung verhindert werden sollte.
In solchen Fällen kann nur eine elektronische Absicherung helfen, da sie auch vergleichsweise geringe Überströme – selbst bei langen Leitungen geringen Querschnitts – schnell abschalten kann. Die neuen, elektronischen Schutzschalter 787-1664 oder 787-1668 bieten auf kleinem Raum eine 4- oder 8-kanalige elektronische Absicherung, einstellbar auf Nennströme von 2 bis 10 A. Der Zustand der Kanäle lässt sich jederzeit vor Ort per LED ablesen oder aus der Ferne per SPS auslesen. Umgekehrt können die Kanäle sogar einzeln geschaltet werden, was aus den Geräten auch einen elektronischen Schalter macht.
Stromplus
Wago-Netzgeräte der Pro-Familie bieten einen sogenannten Top-Boost. Mit dieser Funktion kann kurzzeitig, für 25 bis 50 ms, ein sehr hoher Überstrom geliefert werden – je nach Gerät bis zu 100 A. Damit können kostengünstige Leistungsschutzschalter magnetisch auslösen, eine Abschaltung kann also binnen weniger Millisekunden erfolgen. Leitungslängen und Querschnitte müssen aber auch hierbei beachtet werden. Ist der Leitungswiderstand zu hoch, wird der Strom begrenzt und der Top-Boost kommt nicht zum Einsatz.
Eine gute Hilfe ist hier der Leitungslängenrechner, den Wago für die Geräte der Pro-Familie kostenlos bereitstellt. Damit lässt sich schnell berechnen, welche Leitungslänge in Abhängigkeit von Netzgerät, Sicherungscharakteristik und Leitungsquerschnitt für eine sichere Auslösung noch möglich ist.
Leistungsplus
In vielen Anwendungen wird beim Start oder während des Betriebes infolge rascher Lastwechsel ein erhöhter Strom auf der Sekundärseite des Netzgerätes benötigt. Das Netzgerät muss auf diesen maximalen Leistungsbedarf ausgelegt sein. Standardnetzgeräte mit reinem Konstantstromverhalten müssen daher größer dimensioniert werden. Dies erhöht aber nicht nur den Platzbedarf, sondern auch Verlustleistung und Kosten. Hier empfehlen sich Netzgeräte mit integrierter Leistungsreserve. Die Pro-Netzgeräte mit Power-Boost liefern einen solchen erhöhten Ausgangsstrom bei voller Ausgangsspannung: von 200 % des Nennstroms für 4 s sowie von 150 % des Nennstroms für 8 s oder 16 s. Erst nach dieser Zeit wird in den Überlastbetrieb geschaltet.
Puffermodul, USV oder Redundanzmodul
Steuerungen sind empfindlich gegenüber kurzzeitigen Einbrüchen der Versorgungsspannung. Auch wenn die Netzgeräte durch Kondensatoren oder andere Energiespeicher 20 ms und mehr überbrücken, können zusätzliche Energiespeicher notwendig werden. Die kapazitiven Puffermodule 787-880 und 787-881 der Epsitron-Baureihe überbrücken je nach Laststrom Spannungseinbrüche von mehreren Sekunden auf der Sekundärseite; ein potentialfreier Kontakt meldet den Ladezustand. Wird vom Stromversorgungssystem eine größere Pufferzeit verlangt, etwa in sicherheitsrelevanten Anlagen oder zur Vermeidung von Produktionsausfällen durch Datenverlust, kann auf unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) zurückgegriffen werden. Sie speichern zusätzliche Energie in ein oder mehreren Akku-Modulen und verlängern so die Zeiträume von Sekunden auf Minuten bis hin zu Stunden.
Die USV-Lade- und Kontrolleinheiten 787-870, 787-875 sowie 787-1675 können Blei-, Blei-Gel oder Blei-Vlies-Akkus in mehreren Stufen schonend laden sowie den Status überwachen. Der Ladezustand sowie Spannungs- und Stromwerte werden über Display, Meldekontakte sowie serielle Schnittstelle zur Verfügung gestellt. So ist neben der Bedienung und Diagnose vor Ort auch die automa-tisierte Überwachung aus der Ferne per Steuerung oder PC möglich. Über die Battery-Control-Funktion kann bei den intelligenten Akku-Modulen 787-87x sogar eine vorausschauende Wartung durch Ermittlung der Akku-Restlebenserwartung erfolgen.
Die Verfügbarkeit einer Maschine oder Anlage wird noch weiter erhöht, wenn die Stromversorgung redundant aufgebaut wird. Dabei werden Netzgeräte sekundärseitig über ein Redundanzmodul parallel geschaltet. Die zwei Leistungsdioden im Redundanzmodul 787-885 oder 787-886 sorgen dafür, dass keine Rückspeisung vom einen Netzgerät zum anderen erfolgt. Zusätzlich werden beide Strompfade überwacht; fällt eine Stromversorgung aus, setzt ein potentialfreier Kontakt ein Alarmsignal ab. So kann auf einen eigenen Meldekontakt im Netzgerät verzichtet werden.
Komfortabel überwachen
Die Dokumentation verschiedener Messgrößen sowie der Verfügbarkeit im laufenden Betrieb gewinnt zunehmend an Bedeutung. Aus diesem Grunde sind die dreiphasigen Pro-Netzgeräte 787-85x mit einem Line Monitor ausgestattet, der Spannungen, Ströme, Frequenz, Phase, Drehfeld und die Betriebsdauer überwacht. Die Werte werden über ein Display am Gerät vor Ort beziehungsweise über eine serielle Schnittstelle auf PC oder SPS ausgegeben. Umgekehrt kann so auch die Parametrierung, zum Beispiel von Grenzwerten oder des Ausgangsverhaltens, erfolgen. Der Line Monitor als Option bietet somit einen zusätzlichen Anwendernutzen und macht separate Spannungsmesser, Außenleiter- und Drehfeldüberwachung, Betriebsstundenzähler, Amperemeter sowie sonstige Signalisierungssysteme überflüssig.

PRAXIS PLUS
Von Stromversorgungen wird heute mehr erwartet als nur das Transformieren in eine bestimmte Ausgangsspannung. Anwendungsbezogene Funktionen und die Möglichkeit der Überwachung helfen dabei, Kosten einzusparen. Das Stromversorgungssystem Epsitron von Wago stellt mit seinen Komponenten einen Baukasten zur Verfügung, mit dem die Lösung entsprechend der Anforderung einfach projektiert werden kann.

INFO-TIPP
Der Fachverband Transformatoren und Stromversorgungen ist in der Normenarbeit auf nationaler und internationaler Ebene aktiv. Informationen über die Arbeit gibt die Seite:
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