Inhaltsverzeichnis
1. Weshalb Leitungsschutzschalter ungeeignet sind
2. Selektive Absicherung sichert die Verfügbarkeit
3. Lange Zuleitungen sind ein Problem
In modernen Produktionsanlagen kommt eine Vielzahl elektronischer Komponenten zum Einsatz. Steuerungen und Antriebe regeln komplexe Prozesse und sorgen für eine hohe Produktivität in der Fertigung. Diese Elektronik-Komponenten benötigen jedoch in aller Regel eine 24-VDC-Steuerspannung. Die dazu eingesetzten Schaltnetzteile bieten Nennströme zwischen 10 und 40 A. Eine Besonderheit dieser getakteten Stromversorgungen liegt darin, dass sie den Ausgangsstrom bei Überlast begrenzen. Wird der Maximalstrom erreicht, schaltet das Netzgerät vom Spannungs- in den Stromregelmodus. Solche Netzgeräte sind üblicherweise in der Lage, nur kurzzeitig einen 1,5-fachen Nennstrom zur Verfügung zu stellen. Beim Überschreiten dieses Grenzwertes, etwa bei einem Kurzschluss oder in einem Überlastfall, regelt das Netzteil die Ausgangsspannung deshalb automatisch herunter. Das führt zum sogenannten Hiccup-Verhalten, bei dem das Netzgerät zyklisch zwischen den beiden Zuständen wechselt.
Die häufig zur Absicherung solcher Stromkreise eingesetzten Leitungsschutzschalter sollten deshalb durch einen elektronischen Überstromschutz ersetzt werden. Ein Leitungsschutzschalter kann den Strom weder begrenzen noch kann er im Fehlerfall auslösen. Da das Schaltnetzteil in den Eigenschutz geht, bricht die 24-VDC-Versorgung komplett zusammen und die angeschlossene Elektronik fällt aus.
Dies sind die beiden wesentlichen Gründe, warum Konstrukteure bei der Verwendung von Netzgeräten im Sekundärkreis auf jeden Fall Leitungsschutzschalter durch elektronische Sicherungen ersetzen sollten. Besonders zu beachten ist, dass dieses Verhalten zu einem Spannungseinbruch an allen angeschlossenen Verbrauchern führt. Die Unterbrechung der Versorgung betrifft somit alle Verbraucher und nicht nur den vom Kurzschluss betroffenen Pfad. Die Auswirkungen auf die Prozesssicherheit sind in diesem Fall beträchtlich.
Weshalb Leitungsschutzschalter ungeeignet sind
Es gibt bei Schutzschaltern verschiedene Wirkprinzipien. Thermische Schutzschalter sind prädestiniert für Überlastsituationen. Thermisch-magnetische Schutzschalter sorgen ebenfalls für eine optimale Absicherung in Überlastsituationen. Gleichzeitig eignen sie sich auch bei Kurzschlüssen. Schutzschalter mit einem magnetischen Anteil reagieren schneller und unterbrechen einen fehlerhaften Stromkreis bei Kurzschluss nahezu ohne Verzögerung. Da sich jedoch Verbraucher wie kapazitive Lasten oder Motoren durch hohe Einschaltströme auszeichnen, kann auch die magnetische Auslösung die Anforderungen der selektiven Absicherung in 24-V-Kreisen nicht optimal erfüllen.
Aufgrund dieser Problematik ist die Verwendung von thermisch-magnetischen Schutzschaltern in Verbindung mit einem Schaltnetzteil nur begrenzt zu empfehlen. Bei der Verwendung eines Schutzschalters mit C-Kennlinie liegt der notwendige Abschaltstrom zur schnellen magnetischen Abschaltung über dem maximal vom Netzteil zur Verfügung gestellten Strom. Dadurch ist eine schnelle und sichere Abschaltung im Kurzschlussfall nicht sichergestellt. Aufgrund seines trägen Verhaltens löst der Schutzschalter bei hohen Einschaltspitzen nicht aus und benötigt meist einen sehr hohen Strom, um sicher magnetisch auszulösen. Infolgedessen muss der fließende Strom im Überlast- oder Kurzschlussfall beim 15-fachen des Nennstroms liegen. Nur wenn ein Schaltnetzteil diesen Strom liefern könnte, würde ein thermisch-magnetischer Schutzschalter sicher und schnell auslösen.
Selektive Absicherung sichert die Verfügbarkeit
Generell ist in der Automatisierungstechnik mit 24-VDC-Anwendungen auf Schaltschrank- und Feldebene die normgerechte Planung aller Steuer- und Lastkreise eine große Herausforderung. Vor allem die selektive Dimensionierung von Sicherungskomponenten spielt bei der Auslegung von Stromkreisen und Verdrahtungskonzepten eine wichtige Rolle.
Eine optimale Lösung im Hinblick auf Installation, Inbetriebnahme und Instandhaltung setzt dabei eine strukturierte Vorgehensweise voraus. Dazu benötigt das Konstruktionsteam für die Erstellung einer optimalen Absicherungs- und Stromverteilungslösung alle Informationen rund um das Gesamtkonzept, sowohl die Stromversorgung als auch die Absicherung betreffend.
Bei einer 24-VDC-Applikation auf der Steuerspannungsebene lässt sich dieses Konzept in vier zentrale Planungsschritte unterteilen:
- Analyse der Verbraucher und Lasten,
- Auswahl der Spannungsversorgung bzw. des Schaltnetzteils,
- Beachtung der Zulassungen/Normen/Richtlinien sowie
- Wahl des geeigneten selektiven Überstromschutzes bei Überlast und Kurzschluss.
Die Herausforderungen werden durch die vielen unterschiedlichen Gerätetypen mit ihren unterschiedlichen Charakteristiken noch größer. Typische Verbraucher in 24-VDC-Kreisen sind:
- Steuerungen und CPUs,
- Buskoppler und dezentrale Peripherie,
- 24-V-Gleichstrommotoren,
- I/O-Module,
- Motor- und Antriebssteuerungen,
- Industrie-PC, Monitor und Touch-Panel,
- Magnetventile,
- Aktoren und Stellglieder, sowie
- Sensoren und Messumformer.
Diese Lasten unterscheiden sich durch ihre Funktion, den maximalen Betriebsstrom und das unterschiedliche Ein- bzw. Abschaltverhalten bei kapazitiven oder induktiven Lasten. Diese technischen Eigenschaften der Verbraucher müssen bei der Spezifikation bekannt sein und spielen eine wichtige Rolle bei der Dimensionierung der einzelnen Komponenten.
Eine genaue Funktionsbeschreibung und die exakten Leistungsdaten der Geräte sind in den meisten Fällen in einem Datenblatt aufgeführt. Eine Strom- oder Spannungsverlaufskurve wird dagegen nur selten vom Hersteller bereitgestellt. Jedoch ist die Anpassung eines Sicherungselements an die Last oder die Verbraucher-Gruppe ohne diese Informationen nur schwierig oder gar nicht möglich.
Lange Zuleitungen sind ein Problem
Die Weitläufigkeit und Komplexität beispielsweise chemischer Anlagen erfordern eine besondere Betrachtung. Durch die Zu- und Rückleitung erhöhen sich die relevante Leitungslänge und damit der Leitungswiderstand zum angeschlossenen Verbraucher deutlich. Hinzu kommt oft die Verwendung zu geringer Querschnitte. Die Kombination beider Parameter führt zu einem physikalisch begründeten hohen Innenwiderstand der Leitung. Kommt es zu einem Kurzschluss am Verbraucher, begrenzt der Widerstand der gesamten Leitung den maximal möglichen Kurzschlussstrom. Da der Innenwiderstand recht hoch ist, reicht der Kurzschluss-Strom nicht aus, um einen Schutzschalter auszulösen.
Ein Kurzschluss am Endgerät lässt sich in einer derartigen Anlage häufig nicht als solcher erkennen. Erhebliche Schäden in der Anlage können die Folge sein. Dieses Problem lässt sich auch mit solchen Stromversorgungen nicht optimal lösen, die kurzzeitig einen sehr hohen Auslösestrom liefern. Die aktive Strombegrenzung bietet dagegen eine Lösung des Problems und auch diese lässt sich mit elektronischen Sicherungen realisieren. ge
Detaillierte Informationen zum Thema bietet die Seite http://hier.pro/UkgHi
