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Netzgeräte und Peripherie im Zusammenspiel

Bild 1. Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung schafft höhere Verfügbarkeit

Bild 2. Elektronischer Schutzschalter zur selektiven Absicherung

Bild 3. Netzgeräte mit integriertem Line Monitor bieten eine einfache Parametrierung und Überwachung

So unterschiedlich Maschinen und Anlagen sind, so unterschiedlich sind auch die Anforderungen, die an deren Spannungsversorgung gestellt werden. Netzgeräte sollen dabei kompakt und kostengünstig sein sowie möglichst geringe Verluste aufweisen. Außerdem muss das Versorgungssystem Einschaltströme und wechselnde Belastungen sicher beherrschen sowie bei Spannungseinbrüchen oder Kurzschlüssen eine zuverlässige Versorgung gewährleisten.

Die Wahl des Netzgeräts ist mitentscheidend, ob die Projektierungs- und Betriebskosten einer Maschine oder Anlage gesenkt werden können. Auch die Anforderung an die Verfügbarkeit hat einen großen Einfluss auf die Auswahl der Geräte. Stromversorgungssysteme, wie sie zum Beispiel Wago mit der Reihe Epsitron bietet, enthalten einphasige Eco-Netzgeräte sowie verschiedene einphasige Classic-Varianten. Während die Eco-Geräte die Versorgung mit DC 24 V übernehmen, hat die Kategorie Classic drei Versorgungsspannungen (12 V, 24 V und 48 V) zur Auswahl. Werden bei einer 24-V-Versorgung Leistungsspitzen erwartet, sind die Pro-Netzgeräte mit Power Boost die erste Wahl. Letztere sind optional auch mit Überwachungsfunktion und Display erhältlich.
Werden außerdem besondere Anforderungen an die Verfügbarkeit der Anlage gestellt, steht ein Paket zusätzlicher Produkte, wie kapazitive Puffermodule, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) und Redundanzmodule zur Verfügung. Ist eine selektive Absicherung gefordert, garantieren elektronische Schutzschalter die sichere Auslösung.
Moderne Netzgeräte helfen sparen
Schaltnetzgeräte haben dank digitaler Regelungstechnik geringere Verlustleistungen und damit höhere Wirkungsgrade als herkömmliche Trafonetzgeräte mit nachgeschalteter Gleichrichtung und Glättung. Angenehmer Effekt für Errichter wie Betreiber: Es muss weniger Verlustwärme aus dem Schaltschrank abgeführt werden. Der Stromverbrauch ist geringer und die Bauelemente altern langsamer, wodurch die Lebensdauer der Geräte steigt. Und auch die Bauform und das Gewicht sind kleiner. Dass sich Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit nicht ausschließen müssen, zeigen die einphasigen Netzgeräte der Eco-Familie 787-7×2. Die Geräte im stabilen und kompakten Metallgehäuse haben einen Wirkungsgrad von typisch 82 % und richten sich an Anwender, die eine einfache Versorgung mit DC 24 V ohne weitere Zusatzfunktionen suchen. Dem Aspekt der Verlustleistung kommt bei steigender Ausgangsleistung eine immer größere Bedeutung zu. Daher bieten die leistungsstarken dreiphasigen Pro-Netzgeräte 787-84x und 787-85x einen Wirkungsgrad von 92 % und mehr.
Tolerant am Eingang
Die Eingangsspannung für ein Netzgerät richtet sich danach, wo die Maschine oder Anlage aufgestellt wird: In Amerika wird eine Wechselspannung von 115 V bei 60 Hz bereitgestellt, in Europa sind 230 V und 50 Hz üblich. Einphasige Netzgeräte der Serie 787 haben aus diesem Grund einen Weitbereichseingang von 85 V bis 264 V und 50 Hz bis 60 Hz, zwei- bzw. dreiphasige Geräte akzeptieren 340 V bis 550 V bei 50 Hz bis 60 Hz, und das ohne manuelle Umschaltung. Mit diesem Spannungsbereich sind die Netzgeräte vielfältig einsetzbar und stecken auch Netzschwankungen „gelassen“ weg.
Netzgeräte mit Leistungsreserve
Da Überlast und Kurzschluss in der Praxis nicht ausgeschlossen werden können, sind Netzgeräte in der Regel kurzschlussfest ausgelegt. Dies kann zum einen durch das Abschalten des Ausgangs und zyklisches Wiedereinschalten erreicht werden (Hickup-Betrieb), oder durch das Aufrechterhalten des Ausgangsstroms bei etwa dem 1,1-fachen Nennstrom, bei gleichzeitiger Absenkung der Ausgangsspannung zur Leistungsreduzierung (Konstantstrom-Betrieb). Letztere Methode ist von Vorteil, wenn der Einschaltstrom der Last ein wenig über dem Nennstrom des Netzgeräts liegt. Bei kapazitiven Lasten und Motoren sind die Einschaltströme jedoch häufig so groß, dass die Nennleistung im Einschaltmoment nicht ausreicht. Alle Pro-Netzgeräte liefern daher für 4 s einen um bis zu 200 % höheren Strom. Durch diese Leistungsreserve brauchen die Geräte nicht größer als nötig dimensioniert zu werden.
Verfügbarkeit erhöhen – Puffermodul oder USV
Steuerungen sind empfindlich gegenüber kurzzeitigen Spannungseinbrüchen der Versorgungsspannung. Auch wenn die Netzgeräte durch Energiespeicher, wie die Kondensatoren, Spannungseinbrüche von 20 ms und mehr überbrücken, können zusätzliche Energiespeicher notwendig werden. Die kapazitiven Puffermodule 787-880 und -881 (10 A und 20 A) überbrücken je nach Laststrom Spannungseinbrüche von mehreren Sekunden. Zur Überwachung meldet ein potentialfreier Kontakt den Ladezustand.
Wird vom Stromversorgungssystem eine größere Zuverlässigkeit verlangt, kann auf unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) zurückgegriffen werden. Sie speichern zusätzliche Energie in einem oder mehreren Akku-Packs und überbrücken Zeiträume von Minuten bis zu Stunden. Ein Szenario, das in sicherheitsrelevanten Anlagen oder auch zur Vermeidung von Produktionsausfällen durch Datenverlust berücksichtigt werden muss. Die USV-Kontrolleinheiten 787-870 und 787-875 (10 A und 20 A) können Akkus von 3,2 Ah, 7 Ah oder 12 Ah laden sowie den Status über ein Display überwachen (Bild 1). Der Ladezustand lässt sich aber auch über einen potentialfreien Kontakt oder eine serielle Schnittstelle von einer Steuerung abfragen.
Die Verfügbarkeit einer Maschine oder Anlage wird noch weiter erhöht, wenn die Stromversorgung redundant aufgebaut wird. Dabei werden Netzgeräte mit gleicher Ausgangsspannung und Konstantstromkennlinie über ein Redundanzmodul parallel geschaltet. Das Redundanzmodul 787-885 enthält zwei Leistungsdioden, die dafür sorgen, dass keine Rückspeisung von dem einen Netzgerät zum anderen erfolgt. Zusätzlich werden beide Strompfade überwacht, fällt eine Stromversorgung aus, setzt ein potentialfreier Kontakt ein Alarmsignal ab. So kann auf einen eigenen Meldekontakt im Netzgerät verzichtet werden.
Selektive Absicherung
Damit bei einer selektiven Absicherung ein klassischer Leitungsschutzschalter anspricht, muss kurzzeitig ein viel höherer Kurzschlussstrom fließen, als das Netzgerät mit den Nenndaten erzeugen kann. Für diesen Fall stellen die Pro-Netzgeräte einen Top Boost für 25 ms bzw. 50 ms zur Verfügung, in denen der Ausgangstrom um bis zu 60 A zusätzlich angehoben wird. Dies reicht aus, um die magnetische Schnellauslösung des Leitungsschutzschalters zu aktivieren.
Geräte ohne Top Boost können eine selektive Absicherung über einen zusätzlichen elektronischen Schutzschalter erreichen. Das Stromversorgungssystem enthält hierfür das Modell 787-861 (Bild 2). Dieser elektronische Schutzschalter kann vier Leitungskreise mit jeweils bis zu 8 A absichern. Die Parametrierung erfolgt in 1-A-Schritten über das Display oder alternativ über eine serielle Schnittstelle. Damit die kurzzeitige Strom¬erhöhung keine Gefahr birgt, ist eine integrierte Strombegrenzung beim 1,5-fachen Nennstrom berücksichtigt. Dies verhindert auch, dass sich der Spannungseinbruch fortpflanzt, sodass die anderen Lasten ungestört weiter laufen können.
Komfortabel überwachen
Es wird immer wichtiger, verschiedene Messgrößen sowie die Verfügbarkeit im laufenden Betrieb zu dokumentieren. Aus diesem Grunde sind die dreiphasigen Pro-Netzgeräte 787-85x mit einem Line Monitor ausgestattet, der Spannungen, Ströme, Frequenz, Phase, Drehfeld und die Betriebsdauer überwacht (Bild 3). Die Werte werden über ein Display am Gerät vor Ort beziehungsweise über eine serielle Schnittstelle auf PC oder SPS ausgegeben. Umgekehrt kann so auch die Parametrierung, zum Beispiel von Grenzwerten oder des Ausgangsverhaltens, erfolgen. Der Line Monitor als Option bietet somit einen zusätzlichen Anwendernutzen und macht separate Spannungsmesser, Außenleiter- und Drehfeld-Überwachung, Betriebsstundenzähler, Amperemeter sowie sonstige Signalisierungssysteme unnötig.
Fazit
Von Stromversorgungen wird heute mehr erwartet, als nur das Transformieren in eine bestimmte Ausgangsspannung. Anwendungsbezogene Funktionen und die Möglichkeit der Überwachung helfen Kosten einzusparen. Das Stromversorgungssystem von Wago stellt mit seinen Komponenten einen Baukasten dar, mit dem die Stromversorgung entsprechend der Anforderung einfach projektiert werden kann.

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Was sind Schaltnetzgeräte?

Dipl.-Ing. (FH) Stefan Wagner ist Produktmanager Automation, Bereich Interface Electronic, bei der Wago Kontakttechnik GmbH & Co. KG in Minden.

Schaltnetzgeräte verwenden keinen Netztransformator, sondern führen die Wechselspannung erst einem Gleichrichter zu. Kondensatoren speichern die pulsierende Gleichspannung zwischen, und über Leistungsschalter wird eine hochfrequente Spannung erzeugt, die auf einen HF-Transformator gegeben wird. Dieser ist deutlich kleiner und leichter als ein Netztransformator und sorgt im Wesentlichen für die gewünschte Gewichts- und Größenreduzierung, aber auch für die galvanische Trennung von Eingangs- und Ausgangsseite. Eine erneute Gleichrichtung und Filterung liefert dann eine Ausgangsgleichspannung, die über eine Regelung der Leistungsschalter konstant gehalten wird. Die heute eingesetzten digitalen Regler sorgen für gute und schnelle Ausregelung mit Restwelligkeiten <100 mV und Spannungsfehlern <1 %, wichtig z. B. bei häufig wechselnden Belastungen durch Schaltprozesse in Maschinen und Anlagen.