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Selektive Lastsicherung von 24-V-Stromkreisen

Bild 1. Den Einsatzbereich von Pro-M-Stromversorgungen erweitern Zubehörprodukte, wie das CP M Cap. Das Kapazitätsmodul sorgt in Verbindung mit der Stromversorgung für ein sicheres Auslösen von Leitungsschutzschaltern, auch bei großen Leitungslängen

Bild 2. Auslösekennlinien von Leitungsschutzschaltern: links Auslösecharakteristik B und rechts Auslösecharakteristik C

Bild 3. Für das gezielte Auslösen der LS-Schalter ist auch die Leitungsimpedanz entscheiden. Deshalb wurden die Module mit verschiedenen Leitungs-längen und -querschnitten getestet

Die DC-24-V-Versorgung der elektrischen und elektronischen Betriebsmittel in Maschinen und Anlagen erfolgt zumeist über Schaltnetzgeräte. Da sie aber nur einen begrenzten dynamischen Ausgangsstrom liefern, lösen Leitungsschutzschalter von Schaltnetzgeräten im Fehlerfall nicht oder erst relativ spät aus. Ein zuverlässiges Auslösen wird mittels eines Kapazitätsmoduls, das zusätzlich zur Stromversorgung installiert wird, sichergestellt.

In der Fertigungsindustrie ist ein steigender Automatisierungsgrad zu verzeichnen. So werden immer mehr elektrische und elektronische Automatisierungs- und Fertigungsmodule zusammengefasst. Sie alle müssen zuverlässig und kostengünstig mit Energie versorgt werden. Sollten Automatisierungsmodule, Aktoren und Sensoren aufgrund fehlender Spannungsversorgung ausfallen, hat das Auswirkungen auf die gesamte Produktionsanlage. Fehlfunktionen bis hin zum kompletten Ausfall der Produktion mit entsprechenden finanziellen Schäden sind die Folge.
Daneben fordert die neue Maschinenrichtlinie 2006/42/EG eine Risikoanalyse in Bezug auf Störungen der DC-24-V-Steuerspannung. Ein Szenario mit Gefährdungen an Mensch und Maschine ist nicht zulässig.
Damit existieren gleich mehrere Gründe für den Einsatz einer zuverlässigen Stromversorgung. Die richtige Auswahl und der applikationsgerechte Einsatz sind dabei von besonderer Bedeutung für den sicheren Betrieb.

Leitungsschutzschalter und ihre Grenzen
Weidmüller bietet für eine sichere Versorgung aller Automatisierungskomponenten ein- oder dreiphasige primär getaktete Schaltnetzgeräte)&page=Group mit hohen Netzausfallüberbrückungszeiten an. Sie stellen „zentral“ die benötigte 24-V-Gleichspannung für die Last- und Steuerstromkreise bereit, die in einer Parallelstruktur zu den einzelnen Verbraucherzweigen verteilt wird.
Für die selektive Absicherung der Verbraucher in den 24-V-Stromkreisen werden als wirtschaftliche Lösung Leitungsschutz-(LS-)Schalter verwendet. Sie schützen die Leitungen bei zu hohem Stromfluss vor Beschädigungen durch Erwärmung. Die elektromagnetischen Leitungsschutzschalter verfügen über einen magnetischen und einen thermischen Abschaltmechanismus. Werden Nennstrom und Charakteristik des LS-Schalters an die Last, die verschiedenen Leitungen sowie deren Verlegung angepasst, so gilt die Verdrahtung als thermisch sicher. Dann öffnet der LS-Schalter innerhalb einiger Millisekunden via elektromagnetischem Auslöser oder auch im Sekunden- bzw. Minutenbereich via thermischem Auslöser.

Maßgeblich hierfür ist die anstehende Überstromhöhe. Um Fehlauslösungen durch Einschaltspitzen von Verbrauchern zu vermeiden, werden LS-Schalter mit verschiedenen Auslösekennlinien (Auslösecharakteristik A bis D) angeboten. In der Praxis setzt der Anwender in der Regel LS-Schalter mit B- und C-Charakteristik ein (Bild 2), denn die A-Charakteristik ist sehr flink und die D-Charakteristik sehr träge. Der in den Auslösekennlinien angegebene Auslösestrom für die magnetische Abschaltung gilt nur für Wechselstrom. Bei Gleichstrom muss je nach Hersteller ein Korrekturfaktor von 1,2 bis 1,5 beachtet werden.
Der thermische Auslösemechanismus ist bei allen vier Charakteristiken der gleiche.
Gemäß der Kennlinien kann es nun jedoch beispielsweise beim 1,5-fachen Nennstrom zwischen 20 s und 30 min dauern, bis der Leitungsschutzschalter den Stromkreis öffnet. Dieser Zustand ist inakzeptabel, denn entscheidend für eine zuverlässige selektive Lastabsicherung ist die Auslösung der LS-Schalter in höchstens 10 ms. Nur so bleibt eine unterbrechungsfreie Steuerspannung erhalten und es besteht die Möglichkeit zu einem kontrollierten Herunterfahren der Maschine.

Kapazitätsmodul bietet Abhilfe
Der Nachteil bei Schaltnetzteilen ist nun, dass sie nur einen limitierten „Überstrom“ zulassen. So begrenzen sie selbst im Kurzschlussfall den Strom auf 110 % bis 150 %, was letztlich auch ihre Kurzschlussfestigkeit ausmacht. In diesen prinzipbedingten positiven Eigenschaften liegt das Problem: In der Regel kann der maximal mögliche Ausgangsstrom eines getakteten Netzteils nur das etwa 1,1-fache seines Nennstroms betragen. Der Laststrom wird durch das Abregeln der Ausgangsspannung begrenzt. Aufgrund dieser technischen Eigenschaften liefern Schaltnetzgeräte keinen oder nur einen begrenzten dynamischen Ausgangsstrom.
Bislang musste der Anwender zur Lösung des Problems auf hochpreisige Netzgeräte mit großen Stromreserven zurückgreifen. Darüber hinaus musste die Impedanz der Fehlerschleife entsprechend klein bemessen sein, damit der Strom fließen konnte.

Eine kostengünstigere Lösung stellt ein zusätzlich in den Stromkreis integrierter Energiespeicher dar, der schnell anspricht und bei einem Lastfehler seine Leistung sofort und ungefiltert abgibt. Damit wird der Leitungsschutz gezielt ausgelöst.
Diese Eigenschaften hat das Kapazitätsmodul der Stromversorgungsfamilie Pro-M. In Verbindung mit der Pro-M-Stromversorgung sorgt das
CP M Cap (Bild 1) für ein sicheres Auslösen von Leitungsschutzschaltern, und das auch bei großen Leitungslängen. Die beiden Diodenmodule CP M DM20)&page=Product und CP M DM40)&page=Product erlauben eine sichere redundante Schaltung und ein integriertes Relaismodul signalisiert den Zustand der Stromversorgung.
Vom Prinzip her wird das Kapazitätsmodul durch Parallelschaltung zum Netzgeräteausgang zusätzlich in den Stromkreis eingebracht (Bild 3). Seine Funktionalität basiert auf dem Prinzip der Impulsauslösung. In kurzer Zeit liefern die Module zusätzliche Energie und lösen so gezielt den Leitungsschutz in 1 ms bis 3 ms aus.

Der Einsatz eines Kapazitätsmoduls hat einen weiteren Vorteil: Die bereitgestellte, zusätzliche Energiereserve lässt Verbraucher mit einem hohen Anlaufstrom sicher und zuverlässig anlaufen. Nicht immer vermeidbare, hohe Stromspitzen während des Betriebs werden durch das Kapazitätsmodul gepuffert und entlasten so das Netzteil. Zusätzlich stabilisieren sie die Steuerspannung.
Da für das gezielte Auslösen der LS-Schalter auch die Leitungsimpedanz maßgeblich ist, hat Weidmüller seine Module mit verschiedenen Leitungslängen und -querschnitten erfolgreich getestet.

Zusammenfassung
Das Stromversorgungs- und selektive Absicherungskonzept von 24-V-Gleichstromkreisen entscheidet über die Verfügbarkeit einzelner Automatisierungssysteme bis hin zu komplexen Fertigungsstraßen. Deshalb gilt es, diese Komponenten sorgfältig auszuwählen. Die Weidmüller-Palette an Stromversorgungslösungen in Verbindung mit dem Kapazitätsmodul, das mit einem hohen Impulsstrom gezielt Leitungsschutzschalter auslöst, unterstützt auf ideale Weise die Anforderungen der Automatisierer und ermöglicht eine hohe Anlagenverfügbarkeit.

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Autor: Klaus Schürmann ist Produktmanager Elektronik bei Weidmüller Interface.