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DC-24-V-Systeme kontrolliert überwachen

Bild 1. Da Mico Kapazitäten bis zu 20 000 μF pro Kanal bedient, können zahlreiche Verbraucher mit hoher Eingangskapazität angeschlossen werden

Bild 2. Durch zeitverzögertes (kaskadiertes) Einschalten der einzelnen Strompfade vermeidet Mico unerwünschte Einschaltstromspitzen. Dadurch können Netzgeräte mit geringerem Ausgangsstrom verwendet werden

Bild 3. Die Module können für einen wirtschaftlichen und platzsparenden Aufbau des Systems beliebig kombiniert werden

Bild 4. Die LED weisen den Anwender schon bei der Inbetriebnahme auf erhöhten Strombedarf hin und signalisieren im Betrieb den Schaltzustand

Primärschaltregler, die aufgrund ihrer kompakten Bauweise und des hohen Wirkungsgrades das Herz eines jeden Schaltschranks geworden sind, schalten sich bei Überströmen und Kurzschlüssen in wenigen ms ab. Die Folge ist, dass nicht nur der Verbraucher bzw. die Leitung welche den Überstrom verursacht abgeschaltet wird, sondern auch andere Anlagenteile werden „vom Netz“ genommen. Ein intelligentes Stromverteilungssystem löst dieses Problem, indem es den jeweiligen Ausgangskanal selektiv abschaltet. Das optimiert die Maschinenverfügbarkeit und erhöht somit die Wirtschaftlichkeit von Maschinen und Anlagen.

Im Fehlerfall liefern Primärschaltregler nur für einen kurzen Zeitbereich einen höheren Strom als die Nennstromangabe. Diese Zeit ist deutlich zu kurz, um Leitungsschutzschalter im DC-24-V-Bereich über den elektromagnetischen Schnellauslöser auszulösen. So benötigen Leitungsschutzschalter der Charakteristik „C“ im Gleichstrombetrieb den zehn- bis 15-fachen Nennstrom, um im Bereich von 100 ms bis hin zu mehreren Sekunden auszulösen. Aufgrund der thermischen Abhängigkeit sowie Bauteiltoleranzen kann die Auslösezeit innerhalb dieses großen Bereichs liegen und ist nicht genauer spezifizierbar.

Ein weiteres Problem ist, dass sich innerhalb des betroffenen Strompfads der Leitungswiderstand, der Innenwiderstand des Netzgeräts sowie die Widerstände der einzelnen Klemmstellen, wie die Klemme an Primärschaltregler und Verbraucher, unter Umständen an verschiedenen Übergabepunkten sowie nicht zuletzt an Reihenklemmen addieren. Dieser sogenannte Schleifenwiderstand begrenzt den tatsächlich maximal fließenden Kurzschlussstrom beträchtlich.

Ein Leitungsschutzschalter, Typ „C2“ mit einem Nennstrom von 2 A benötigt also einen Strom von bis zu 30 A um auszulösen. Bei den gängigen 0,34-m²-Leitungen kann dieser Strom schon ab vergleichsweise geringen Leitungslängen aufgrund des Schleifenwiderstandes nicht mehr fließen.
Der Schleifenwiderstand des Strompfades begrenzt also den maximalen Strom.Im Fehlerfall können Leitungsschutzschalter dadurch nicht auslösen. Ein geringer Überstrom genügt jedoch, damit der Primärschaltregler den Kurzschluss oder die Überlast erkennt und die Ausgangsspannung komplett abschaltet.

Selektive Abschaltung ist notwendig
Abhilfe schafft ein System, bei dem das Sicherungselement auslöst, welches dem Fehler am nächsten ist. Sonst kann ein relativ unbedeutender Anlagenteil, wie eine einfache Sensorleitung im Fehlerfall, eine ganze Anlage „lahmlegen“. Schließlich sorgen Primärschaltregler dafür, dass die Ausgangsspannung sofort für alle Verbraucher abgeschaltet wird. Dadurch können unter Umständen gefährliche Situationen heraufbeschworen werden, wenn zum Beispiel die Versorgungsspannung einer SPS ausfällt und verschiedene Aktoren nicht in einen sicheren Zustand fahren und somit einen undefinierten Zustand haben.

Die Gerätefamilie Mico von Murrelektronik trägt diesen genannten Problemen Rechnung. Das intelligente Stromverteilungssystem für den DC-24-V-Bereich überwacht Ausgangsströme und schaltet den vom Fehler betroffenen Ausgangskanal zielgerichtet in kürzester Zeit selektiv und konsequent ab. Da es nur den fehlerbehafteten Kanal abschaltet, werden alle anderen Verbraucher nicht beeinträchtigt. Dies optimiert die Maschinenverfügbarkeit und erhöht somit die Wirtschaftlichkeit von Maschinen und Anlagen.

Intelligente Stromverteilung
Mico gibt es mit zwei (Bild 1) sowie mit vier Ausgangskanälen (Bild 2). Bei allen Geräten lässt sich der zu überwachende maximale Ausgangsstrom kanalgenau mit einem Drehschalter rastend einstellen. Jeder Kanal bietet verschiedene Einstellmöglichkeiten. Es stehen Geräte mit den Strombereichen 1A bis 4 A, 1 A bis 6A und 4A bis 10 A zur Verfügung.. Durch ein Brücksystem lassen sich die Geräte einfach und ohne Verdrahtungsaufwand miteinander kombinieren (Bild 3). Alternativ bieten doppelt ausgeführte Klemmen für DC 24 V sowie GND die Möglichkeit, die Versorgungsspannung weiterzuschleifen.

Eines der neuen Mitglieder der Mico-Familie, das vierkanalige Gerät Mico 4.4.10 Actuator-Sensor hat jeweils zwei Kanäle zur Absicherung von Aktoren und Sensoren. Seine beiden rechten Stromkanäle sind im Bereich von 4 A bis 10 A einstellbar, die beiden linken haben einen Einstellbereich von 1 A bis 4 A. Damit verringert es die Variantenvielfalt und die Lagerkosten, da statt vier verschiedenen Leitungsschutzschaltern nur noch eine Mico-Variante nötig ist. Selbstverständlich lässt sich eine Abdeckklappe über den Drehschaltern, die zur Strombereichseinstellung dienen, verschließen und plombieren. So wird Manipulation bereits bei der Inbetriebnahme ausgeschlossen.

Kein Problem mit Kapazitäten
Wenn eine Eingangskapazität eines Verbrauchers einen kurzschlussähnlichen Stromimpuls benötigt, schaltet Mico jedoch nicht ab. Das Stromverteilungssystem erkennt Eingangskapazitäten bis 20 000 µF pro Kanal aktiv. Das neue Familienmitglied Mico 4.10 Speed-Start lässt sogar Eingangskapazitäten bis 30 000 µF pro Kanal zu. Damit lassen sich zahlreiche kapazitive Verbraucher, wie beispielsweise Antriebsregelungen, starten und anschließend überwachen.
Antriebsregelungen sind oft sensible Verbraucher, die ihre eigene Eingangsspannung permanent auf Spannungseinbrüche überwachen. Wenn in der Versorgungsspannung ein Spannungseinbruch im ms-Bereich auftritt, erkennt die Regelung bereits in der Hochlaufphase eine unsaubere Spannungsversorgung und schaltet ab. Auch hier hilft Mico 4.10 Speed-Start durch ein optimiertes Anlaufverhalten weiter.

Würden alle kapazitiven Verbraucher, die ein Primärschaltregler versorgt zur gleichen Zeit aktiviert, könnte es aufgrund des hohen Einschaltstroms, den die Eingangskapazitäten benötigen, zu Problemen kommen. Deswegen startet Mico alle Ausgangskanäle um 75 ms zeitversetzt. Dies reduziert die Einschaltspitze um ein Vielfaches.
Aufgrund dieser Einschaltspitze werden Primärschaltregler oft überdimensioniert. Der tatsächlich benötigte Nennstrom liegt meist jedoch weit unter dem maximalen Ausgangsstrom der Primärschaltregler. Mit Mico können Primärschaltregler mit vergleichsweise geringerem Ausgangsstrom eingesetzt werden. Leistungsreserven für Einschaltstromspitzen sind nicht mehr nötigt.

Einfach zu bedienen und zu installieren
Um auch bei einer Instandhaltung ein Höchstmaß an Flexibilität zu garantieren, lässt sich jeder Kanal einzeln mittels eines leuchtenden Tasters, welcher auch die Kanalzustände wiedergibt, ein- und ausschalten. Die Kanalzustände von manuell sowie durch Überstrom oder Kurzschluss ausgeschalteten Kanälen bleiben selbst über einen Spannungsreset der Eingangsspannung hinaus gespeichert. Das erleichtert im Anschluss die Fehlersuche, da genau ersichtlich ist, welcher Ausgangskanal ein Problem erkannt und dann reagiert hat.

Der gesamte Strombedarf einzelner Strompfade lässt sich bei der Planung der Absicherung nur schwer voraussagen. Oft werden später noch Verbraucher hinzugefügt oder andere Komponenten als geplant eingesetzt. Diesen Grenzbereich signalisiert Mico und weist somit den Anwender schon bei der Inbetriebnahme der Anlage auf erhöhten Strombedarf hin (Bild 4). Werden 90 % des eingestellten Strombereichs erreicht, blinkt die LED des Strompfads grün und signalisiert so den Grenzbereich. Ist der Kanal beispielsweise auf 10 A eingestellt, blinkt die LED ab 9 A grün – der Kanal schaltet jedoch nicht ab. Das geschieht erst beim Erreichen der 100 %.

Mico vermeidet zudem lange Ausflüge über das Firmengelände, wenn ein Leitungsschutzschalter, der nur durch kapazitive Überlast ausgelöst hat, wieder aktiviert werden muss. Mittels eines DC-24-V-Signals lassen sich alle durch Kurzschluss oder Überlast ausgelösten Ausgangskanäle extern aktivieren. Weitere Features wie die Möglichkeit, über einen potenzialfreien Kontakt im Fehlerfall ein Signal abzusetzen, runden das intelligente Strommanagementsystem ab.

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Autor: Manuel Senk ist Produktmanager Interface & Mico im Produktbereich Power Supplies, Interface, EMC bei der Murrelektronik GmbH in Oppenweiler.