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Normenkonform mit galvanischer Trennung

Elektronischer Schutzschalter für 24-V-Stromkreise
Normenkonform mit galvanischer Trennung

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Wann immer in Steuerstromkreisen die Strombelastbarkeit eines Leiters oder auch der Bemessungswert eines Bauteils überschritten wird, ist der Einsatz eines selektiven Überstromschutzes zwingend erforderlich. Dies ist auch durch zahlreiche internationale Normen geregelt. Diese Vorschriften für Schaltschrank- und Maschinenbau fordern dabei ganz klar Schutzgeräte mit galvanischer Trennung. Erstmalig ist mit dem elektronischen Schutzschalter vom Typ ESS31-T von E-T-A eine entsprechende Kombination aus mechanischem Schutzschalter und elektronischem Überstromschutz verfügbar.

Erich Fischer ist Leiter des Produktbereiches Industrie, Energie und Equipment bei der E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH in Altdorf

USA und Kanada sind ein wichtiger Absatzmarkt für europäische Maschinen und Anlagen. Dies führt automatisch zu einem verbindlichen Einbau von UL-zertifizierten Komponenten. Dabei ist es Vorschrift, dass Schaltschränke für Nordamerika nach UL 508A (Industrial Control Panel) aufgebaut sind. Diese UL-Norm schreibt dabei als „Supplementary Protector“ bezeichnete Geräte für die Absicherung der 24-VDC-Steuerspannung vor. Geräte nach UL 1077 (USA) oder CSA 22.2 No 235-04 (Kanada) enthalten dabei im Stromkreis einen Schaltkontakt als galvanisch trennendes Element, das diesen bei Überstrom öffnet.
Die grundlegenden Voraussetzungen für „Supplementary Protection“ in Steuerstromkreisen (Control Circuits) finden sich dabei in der UL 508A „Figure 6.1, Description of terminology“. Ein wichtiger Aspekt beim prinzipiellen Aufbau nach UL 508A ist, dass die UL 1077 für die Absicherung von Feldgeräten vorgesehen ist.
In Europa gelten EN-Normen
Innerhalb des europäischen Raums ist die CE-Kennzeichnung von Maschinen und Anlagen entscheidend für den freien Warenverkehr. Dabei legen EG-Richtlinien fest, welche Anforderungen und Schutzziele gelten. Der Nachweis erfolgt dabei durch die Einhaltung harmonisierter Europa-Normen. Wichtig ist, dass alle Überstromschutzgeräte inklusive der Schutzschalter in diesen Normen ausnahmslos mit galvanischer Trennung ausgestattet sind. Derzeit existieren für den rein elektronischen Überstromschutz noch gar keine Normen. Fakt ist, Anwendungsnormen nach der Maschinenrichtlinie wie EN60204-1: „Sicherheit von Maschinen, elektrische Ausrüstung von Maschinen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen“ sehen im Augenblick ausschließlich Überstromschutzgeräte mit galvanischer Trennung vor.
Umfassender Überstromschutz ist stets strombegrenzt
Die 24-VDC-Steuerspannung ist nicht nur für Standard-Automatisierungskomponenten wie Steuerung, Bus- und E/A-Module zuständig. Sie speist auch Sicherheitseinrichtungen wie Sicherheitsschaltgeräte oder Not-Aus-Kreise. Der ESS31-T bietet dabei mit nur einer einzigen Kennlinie für alle Lastarten eine normenkonforme Absicherung innerhalb des Nennstrombereichs von 0,5 bis 12 A.
Bereits ab dem 1,25-fachen Nennstrom schaltet der ESS31-T bei langen Lastleitungen oder niedrigen Leitungsquerschnitten den Überlaststrom innerhalb von 500 ms ab. Nach 5 s erfolgt dann die endgültige galvanische Trennung. Nach nur 100 ms erfolgt die Abschaltung bei einem Kurzschluss in einem Lastpfad. Dabei stellt die integrierte Strombegrenzung des ESS31-T auf das 1,25-fache des Nennstromes die Stabilität der 24-VDC-Spannung des Netzteils sicher; natürlich auch im Kurzschlussfall. Die Formel dazu ist denkbar einfach: Maximalstrom = 1,25 x Nennstrom.
Internationale Zulassungen sind entscheidend
Nur der fehlerhafte Pfad wird selektiv abgeschaltet, die anderen Stromkreise arbeiten unbeeinflusst weiter. Dies gewährleistet ein kontrolliertes Stillsetzen der Maschine und eine zielgerichtete Fehlersuche. Zusätzlich verhindert die integrierte Strombegrenzung, dass ein hoher Kurzschlussstrom oder der kapazitive Einschaltstrom von Elektronik-Modulen auftritt. Das schützt die mechanischen Kontakte von Sicherheits-Schaltgeräten vor Verschleiß. Ein zyklischer Austausch dieser Komponenten entfällt. Das bringt zusätzliche Maschinenlaufzeit und spart Kosten für Instandhaltung und Wartung.
Als Geräteschutzschalter mit einer elektronischen Kennlinie hat der Typ ESS31-T neben der UL 1077 als „Supplementary Protector“ auch die Zulassung nach EN/IEC 60934. Damit ist erstmalig auch ein mechatronischer Schutzschalter für direkte Hutschienenmontage weltweit zugelassen. Dies bedeutet für den Konstrukteur und Anlagenbauer, dass eine zertifizierte Absicherung von Geräten innerhalb des Schaltschrankes und von Komponenten im Feld auch ohne Änderung der Elektrokonstruktion gewährleistet ist. Natürlich auch für die Absicherung von 24-VDC-Steuerstromkreisen in Schaltschränken, die gemäß UL 508A (Industrial Control Panel) aufgebaut sind.
Was bedeutet galvanische Trennung?
Manche Eigenschaften rein elektronischer Sicherungen, also ohne galvanische Trennung, haben für 24-VDC-Steuerstromkreise unerwünschte Eigenschaften:
  • Bei den im 24-VDC-Bereich eingesetzten Power-Mosfets fließt auch im gesperrten Zustand immer ein kleiner Leckstrom durch den Lastkreis
  • Durch den physikalischen Aufbau von Power-Mosfets ist unabhängig vom Schaltzustand (leitend = niederohmig oder gesperrt = hochohmig) immer eine Inversdiode im Halbleiterschalter integriert. Diese Diode kann bei einem verketteten Fehler in der Lastebene bewirken, dass eine direkte Rückspeisung von der Lastseite in 24-VDC-Spannungsebene möglich ist.
Diese Rückspeisung ist ganz einfach zu verhindern: Nämlich mit der galvanischen Trennung über einen Schaltkontakt.
Galvanische Trennung in der Praxis
Häufig ist in der Anwendung im gleichen Kabelkanal oder in Schleppkabeln eine Vielzahl von Leitungen verlegt. Diese werden von Spannungen wie 24 VDC/230 VAC oder 400 VAC gespeist. Auch wenn die Isolierung an solchen Stellen häufig verstärkt oder doppelt ausgeführt ist, empfiehlt sich bei solchen gemischten Systemen eine galvanische Trennung speziell bei 24-VDC-Steuerspannungen (häufig als geerdetes PELV-System ausgeführt). Schließlich sorgt die galvanische Trennung dafür, dass mit anderen 24-VDC-Potenzialen oder auch mit der AC-Ebene verkettete Fehler in der Verdrahtung nur begrenzt Auswirkung auf die 24-VDC-Steuerspannungsebene haben können.
Umso wichtiger wird dies bei der zukünftigen Dezentralisierung mit erhöhter Feldverdrahtung. Normalerweise lässt sich auf eine galvanische Trennung bei rein elektronischen Absicherungen nur bei einer Verdrahtung der verwendeten 24-VDC-Geräte innerhalb des abgeschlossenen Schaltschrankes verzichten oder wenn zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen z.B. Not-Aus-Module oder Sicherheits-SPS integriert sind. Schließlich lassen sich nur dann im Fehlerfall gefahrbringende Maschinenbewegungen zuverlässig verhindern.

INFO-TIPP
Schaltschränke für Nordamerika müssen UL 508A entsprechen. Diese Norm schreibt dabei als „Supplementary Protector“ bezeichnete Geräte für die Absicherung der 24-VDC-Steuerspannung vor. Ge- räte nach UL 1077 (USA) oder CSA 22.2 No 235-04 (Kanada) enthalten im Stromkreis einen Schaltkontakt als galvanisch trennendes Element. Informationen zum Thema bietet die Seite des UL:
http://ul.com/

PRAXIS PLUS
Da Schaltnetzteile bei Uberlast ihre Ausgangsspannung abregeln, können letztendlich Maschinen-Stillstände die Folge sein. Der ESS31-T erweitert die Produktgruppe „Elektronischer Überstromschutz für 24-VDC-Anwendungen. Bei einer Baubreite von nur 12,5 mm sichert er alle 24-VDC-Lastkreise selektiv ab. Dies wird durch eine Kombination aus aktiver elektronischer Strombegrenzung im Kurzschlussfall und einer Überlastabschaltung bei typisch 1,2 x IN erreicht. Der ESS31-T ist direkt auf die Hutschiene aufschnappbar und ermöglicht so eine schnelle und flexible Montage für Gerätegruppen mit mehreren Stromkreisen.

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