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Überstromschutz für die Antriebstechnik

Elektronischer Schutzschalter für schwierige Lasten (Hannover Messe: 11-A59)
Überstromschutz für die Antriebstechnik

In vielen Applikationen müssen heute präzise Positionierungen, schneller Transport oder kraftaufwändige Aktionen wie Heben oder Senken durchgeführt werden. Um diese komplexen Bewegungsabläufe zielgenau und in der gewünschten Geschwindigkeit realisieren zu können, kommen elektronisch gesteuerte, bürstenlose DC-Motoren sowie Frequenzumrichter zum Einsatz. Beide stellen jedoch 24-VDC-Verbraucher dar, die gegen Überstrom und Kurzschluss geschützt werden müssen.

Tobias Prem ist Applikationsspezialist für elektronische Schutzschalter bei E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH in Altdorf www.e-t-a.com

Die logische Trennung beider Systeme kann wie bei einer herkömmlichen Schütz-Schaltung in Steuer- und Lastkreis (Antriebskreis) eingeteilt werden. Ein markanter Unterschied zwischen beiden Systemen stellt jedoch deren Aufbau und die Versorgungsspannung für den Antriebskreis dar. Die bürstenlosen DC- bzw. Brushless-Motoren werden sehr häufig mit 24 VDC betrieben, die Regelantriebe lastseitig dagegen fast immer mit einer Spannung von 230 VAC oder sogar 400 VAC (dreiphasig) gespeist. Mit Frequenz-umrichtern (FU) werden also AC-Antriebe geregelt, die wiederum für die typischen mechanischen Bewegungen in der Anlage verantwortlich sind. Mögliche Motorarten für den Betrieb an den AC-Regelgeräten sind Asynchronmotoren, Synchron-Linearmotoren oder Synchron-Torquemotoren. Der Brushless Motor ist ein eigenständiges System, das die elektrische Energie direkt in mechanische Arbeit umsetzt.
Bei beiden Antriebsarten beträgt die steuerseitige Versorgungsspannung fast immer 24 VDC. Sobald in einer Anwendung für Verbraucher (Sensoren, Aktoren oder Steuerungssysteme) eine Spannung von 24 VDC benötigt wird, kommen zur Erzeugung dieser Spannung getaktete Schaltnetzteile (SNT) zur Anwendung. Ein thermisch-magnetischer Schutzschalter kann bei Kurzschluss nur in den seltensten Fällen unverzögert auslösen und den fehlerhaften Pfad vom Schaltnetzteil trennen. Bei 24 VDC existiert ein gewisses Dilemma: Entweder können die Netzteile den benötigten Auslösestrom nicht liefern oder wegen des Kreiswiderstandes kann der benötigte Auslösestrom nicht fließen. Bei Verwendung von SNTs sollten deshalb zur selektiven Absicherung im Sekundärkreis immer elektronische Absicherungskonzepte verwendet werden. Schließlich können diese Netzteile im Kurzschlussfall nur eine begrenzte Ausgangsleistung zur Verfügung stellen. Der Überlastfaktor bei getakteten Schaltnetzteilen beträgt in der Regel maximal 150 %.
Welches Absicherungskonzept ist geeignet?
DC-Motoren werden eingesetzt, um z.B. Fördersysteme wie Laufbänder anzutreiben oder Positionen in der Anwendung exakt anzufahren. Um diese Aufgabenstellungen möglichst präzise zu realisieren, muss das Antriebssystem sehr viele Aufgaben nacheinander abarbeiten. Bürstenlose DC-Motoren ermöglichen es, unterschiedliche Geschwindigkeiten, Drehrichtungsänderungen und sogar Bremspunkte über die Steuerelektronik anzufahren. Dies muss vorab programmiert und eingestellt werden. All diese Parameter haben Einfluss auf den Strom, der dem Motor zur Verfügung gestellt werden muss, und somit auch auf die Auswahl des Absicherungskonzepts. Motoranläufe, schnelle Geschwindigkeits- oder Drehrichtungsänderungen sowie Bremsungen haben einen erhöhten Stromfluss zur Folge, sollen aber in keinem Fall zur ungewollten Auslösung des eingesetzten Schutzelements führen.
Die Beschreibung der Beanspruchung von elektronischen Antrieben wird als Nennbetriebsarten bezeichnet und ist in der internationalen Norm IEC 60043, Teil 1 definiert. Bild 1 zeigt einen für die Betriebsart S5/Pe-riodischer Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorganges und elektrischer Bremsung typischen Strom- und Spannungsverlauf (1. Motor Start Linkslauf; 2. Bremsen; 3. Motor fährt in Endposition unten; 4. Motor Start Rechtslauf; 5. Bremsen; 6. Motor fährt in Endposition oben).
Der elektronische Sicherungsautomat ESX10-T ermöglicht es, genau solche Lasten abzusichern. Durch seinen Abschaltpunkt bei typisch 1,1 x IN und der Auslösezeit von typisch 3 s erfüllt er den Überlastschutz für motorische 24-VDC-Verbraucher und verhindert gleichzeitig ein ungewolltes Auslösen bei schnellen Lastwechseln. Die integrierte aktive Strombegrenzung bei 1,8x IN verhindert das Einbrechen der Versorgungsspannung bei Kurzschlüssen und ermöglicht somit eine selektive Absicherung mehrerer Verbraucher an einer 24-VDC-Versorgung.
Die Steuerseite bei bürstenlosen DC-Antrieben ist eingangsseitig prinzipiell wie eine SPS aufgebaut. Die Eingangsbeschaltung der 24-VDC-Versorgung ist mit Kondensatoren bestückt, um netzbedingte Spannungsunterbrechungen für mindestens 10 ms zu puffern. Beim Einschalten der Steuerelektronik kommt es dadurch zu einem erhöhten Strombedarf, den der Überstromschutz tolerieren muss. Auch hier kann der elektronische Sicherungsautomat ESX10-T zum Einsatz kommen, da das Gerät Kapazitäten bis 75.000 µF lädt und sicher einschaltet. Falls für eine Anwendung eine galvanische Trennung des Schutzschalters im Fehlerfall z.B. bei Kurzschluss zwingend erforderlich oder aber gewünscht ist, empfiehlt sich der Einsatz des elektronischen Schutzschalters ESS20. Die Auslöseeigenschaften und Abschaltpunkte sind identisch zum ESX10-T.
Absicherung von Frequenzumrichtern
Wie kann nun ein Frequenzumrichter (FU) auf der 24-VDC-Seite abgesichert werden? Der Lastkreis wird mit 230 VAC/400 VAC betrieben. Hier wird vom Hersteller meist eine Absicherung mit einer Schmelzsicherung oder einem thermisch-magnetischen Schutzschalter (Leitungsschutzschalter) empfohlen. Die Vorgaben des Herstellers lassen sich in der Regel übernehmen. Steuerspannungsseitig gibt es in der Regel zwei unterschiedliche Aufbauten von Frequenzumrichtern. In der Praxis sind meist Regler vorhanden, die einen Lastkreis bedienen. Dabei wird ein FU für jeden Antrieb genutzt; die Steuerung kann in diesem Fall ähnlich einer SPS oder der Steuerung für Schrittmotoren abgesichert werden. Auch bei den FU-Steuerungen werden zur Netzüberbrückung Kondensatoren zur Pufferung eingesetzt. Der erhöhte Strombedarf wird auch hier vom ESX10-T toleriert.
Bei der Nennstromauswahl des elektronischen Schutzschalters sollte folgendes beachtet werden: Zusätzlich angeschlossene Sensoren für z.B. Positionserfassung erhöhen den Nennstrom im Lastkreis. Für diesen Bedarf sind für Geräte ESX10-T mit festen Nennstromstärken von 0,5 bis 12 A oder einstellbare Varianten für 0,5/1/2 A, 2/4/6 A oder 6/8/10 A verfügbar. Für das Gerät ESS20-003 sind Nennstromstärken von 0,5A bis 10 A oder einstellbare Varianten 1/2 A oder 3/6 A verfügbar.
Mehrere Frequenzumrichter an einem Netz
Eine weitere in der Praxis immer häufiger vorhandene Variante von AC-Regelgeräten sind kompakt aufgebaute Systeme, die mehrere Lastkreise mit einer Versorgungseinheit bedienen. So ist es bei diesen Systemen möglich, bis zu 12 Frequenzumrichter an einer 24-VDC-Versorgungseinheit modular anzureihen und zu betreiben. Weiter kommt hinzu, dass hier nicht nur Sensoren an der Steuerspannung 24-VDC angeschlossen sind, sondern auch Aktoren wie Magnetbremsen, die einen hohen Strombedarf zur Folge haben. In diesem Fall kommt es zu einem erhöhten Einschaltstrom, der von den im Eingangskreis der Steuermodule eingesetzten Kondensatoren verursacht wird. Einen wesentlich höheren Betriebsstrom benötigen die zusätzlichen Aktoren. Diese werden im Betrieb abgeschaltet (gelöst), um bei Spannungsausfall sicher zu blockieren und die Antriebe sicher zu bremsen (spannungslos mechanisch blockiert).
Im Bild 3 steigt der Einschaltstrom des Verbrauchers zum Einschaltzeitpunkt auf maximal 26 A an. In der Zeit von etwa 100 ms werden die Eingangskondensatoren geladen. Danach regelt sich der Betriebsstrom auf etwa 10 A ein. Während des Betriebs, wenn alle Aktoren mit Strom versorgt werden, sind Ströme bis zu 15 A möglich.
Um dieses modulare System mit Nennströmen bis 15 A mit nur einem Automaten absichern zu können und den Vorteil der aktiven Strombegrenzung im Kurzschlussfall auf Schaltnetzteilanwendungen übertragen zu können, wurde eine zusätzliche 16-A-Hochstromvariante entwickelt. Mit dem Gerät ESX10-T-16A können diese modularen Regelgeräte im Normalfall betrieben und gleichzeitig im Fehlerfall geschützt werden. ge

PRAXIS PLUS
Der elektronische Schutzschalter ESS20-0.. gewährleistet eine selektive Absicherung aller Lastkreise, die von einem 24-VDC-Netzteil versorgt werden. Zur Anpassung an die Lastverhältnisse ist der ESS20-0..für einen Nennstrom in festen Werten von 1 bis 10 A und in den einstellbaren Varianten 1 A/2 A oder 3 A/6 A verfügbar. Eine zweifarbige LED sowie ein integrierter Signalkontakt zeigen den Betriebs- und Fehlerzustand an. Die Baubreite von nur 12,5 mm und die Steckbarkeit des ESS20-0.. auf den E-T-A-Stromverteilern Modul 17plus und SVS02 (für ESS20-003) garantieren eine platzsparende und schnelle Hutschienenmontage der Komponenten im Schaltschrank.

INFO-TIPP
Die Zulassung des ESS20 nach UL 1077 als Geräteschutzschalter („Supplementary Protector“) erlaubt es, dass diese Maschinen und Anlagen problemlos in die USA exportiert werden können. Das UL-Prüfzeichen ist der vorgeschriebene Nachweis, dass ein Produkt amerikanischen und kanadischen Sicherheitsanforderungen entspricht. Für nordamerikanische Verbraucher, Regulierungsbehörden und Hersteller stellt das UL Prüfzeichen Nordamerikas anerkanntestes Symbol für Produktsicherheit dar. Mehr als 17 Milliarden UL-Prüfzeichen erscheinen jedes Jahr auf neuen Produkten. Informationen gibt die Seite:
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