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Energiebusnetzwerke einfach korrekt auslegen

01 Das Softwaretool berechnet die Kurzschlussströme, vergleicht diese mit dem Auslösestrom des Schutzorgans und kennzeichnet die Belastung der Leitungen farblich

02 Ansicht „U“ stellt den Spannungsfall dar. Der maximal erlaubte Spannungsfall ist in den Projekteinstellungen definierbar. Leitungen sind dementsprechend farblich markiert

03 Ansicht „I“ gibt die Auslastung und den Kurzschlussstrom wieder. Wenn der einpolige Kurzschlussstrom größer ist als der Kurzschluss-Ansprechwert des Schutzorgans, werden betroffene Strompfade und das Schutzorgan rot dargestellt

04 Mit dem von Netcalc an den Knotenpunkten der Durchlasskennlinien des jeweiligen Schutzorgans angezeigten Kurzschluss- Stromwerten lässt sich die Durchlassenergie I 2 t ermitteln

Im Maschinen- und Anlagenbau geben im Wesentlichen zwei Trends den Takt vor. Erstens verengt sich fortwährend der Zeitrahmen, in dem Fertigungsanlagen geplant und in Betrieb gehen. Zweitens steigen gleichzeitig die Anforderungen hinsichtlich Qualität und effizienter Wartung. Planer reagieren darauf, indem sie ihre Anlagen aus fertig konzipierten Modulen aufbauen, die bedarfsgerecht zentral oder dezentral gesteuert werden. Dies senkt Kosten, reduziert Engineering-Zeiten und eröffnet erhebliches Rationalisierungspotenzial. Dabei helfen auch Auslegungstools, wie Netcalc von Weidmüller, mit dem sich modulare Energiebusnetzwerke in Linien-, Baum- oder vermaschten Strukturen projektieren, berechnen und dokumentieren lassen.

Gerade im modularen Anlagenbau und bei lang gestreckten Maschinen kann ein Energiebus seine Vorteile überzeugend ausspielen – dies gilt für verlegte Leitungslängen ebenso wie für möglichst minimalen Installationsaufwand. Zudem schafft Dezentralisierung Platz im Schaltschrank und zeigt neue Einsparpotenziale auf. Dabei sind die Ziele ambitioniert: Die Errichtungskosten sollen durch Modularisierung, Standardisierung, vereinfachte Installation und optimierten Materialeinsatz gesenkt werden. Selbstverständlich soll außerdem jede Anlage ohne Fehlauslösungen ihre Funktion zuverlässig verrichten, eine einfache Wartung erlauben und gleichermaßen Sicherheit für Betriebsmittel und Bedienpersonal bieten. Hierzu müssen Betriebsmittel wie die Leitungen, Lasten und Schutzorgane richtig dimensioniert sein: So gilt es den Spannungsfall im Toleranzrahmen zu halten, eine Überlast zu vermeiden und zu verhindern, dass im Kurzschlussfall weder gefährliche Körperspannungen noch thermische Schäden auftreten. Dass dies keine Illusion ist, zeigen diverse Referenzanwendungen, bei denen die Gesamtkosten effektiv reduziert und Projekt-Durchlaufzeiten maßgeblich beschleunigt werden konnten.

Aufbau von AC-Energiebusnetzwerken
Im einfachsten Fall besteht der Energiebus aus einer Stammleitung, der „flexiblen Stromschiene“, von der mehrere Leitungen abzweigen. Um die Vorteile der Modularisierung voll auszuschöpfen, werden die Energiebusnetzwerke entsprechend der Anlagen-Topologie gestaltet – dies reicht von der Linienstruktur mit Seiten- oder Mitteneispeisung über die Baumstruktur bis hin zu Netzen mit Maschenstruktur. Bei der herkömmlichen „Sternverdrahtung“ gibt es je eine Verbindungsleitung zwischen Schaltschrank und Motor. Ihre schutztechnische Auslegung erfolgt anhand der Tabellen der DIN VDE 0100-410. Bei Energiebussen sind die VDE-Tabellen allerdings kaum hilfreich, da sie lediglich die direkte Verbindung zwischen Quelle und Last beschreiben. Auch die Errechnung der relevanten Kenngrößen an allen Verzweigungsstellen mit den Kirchhoffschen Regeln ist physikalisch zwar kein Problem, in der Praxis aber recht zeitaufwendig.

Effizientes Werkzeug zur Netzwerkauslegung
Hilfestellung bei der Projektierung, Berechnung und Dokumentation von modularen Energiebusnetzwerken bietet die Software Netcalc für Fieldpower von Weidmüller. Sie basiert auf einem gemeinsam mit Aia, dem Automatisierungsinstitut an der Hochschule Amberg-Weiden, entwickelten und verifizierten Verfahren, das die Berechnung von komplexen Netzwerken für beliebige Frequenzen, Strukturen und sogar Mehrfach-Einspeisungen (für DC) ermöglicht. Mit der Software lässt sich nicht nur der Spannungsfall sowie die Leitungsauslastung darstellen, sie erleichtert auch die Dimensionierung der Schutzeinrichtungen sowie die Berechnung der ein- und dreipoligen Kurzschlussströme IK. Während der Eingabe werden alle elektrischen Kenngrößen „on the fly“ berechnet und mit einem grünen, gelben oder roten Farbumschlag auf den projektierten Leitungen und Betriebsmitteln signalisiert. Das erleichtert zum Beispiel die korrekte Dimensionierung der Schutzeinrichtung (Bild 1). Projektieren lassen sich mit der Software sowohl AC-Netzwerke mit symmetrischen und unsymmetrischen Lasten als auch DC-Netzwerke. Der Grafikeditor unterstützt Linien-, Baum- und vermaschte Strukturen. Ebenso errechnet Netcalc die Verlustleistung des gesamten Netzwerks sowie jedes einzelnen Leitungsstücks und zeigt sie übersichtlich an. Selbst der Wirkungsgrad des Netzwerks ist errechenbar. Mit anderen Worten: Die Energie- Effizienz lässt sich mit dem Softwaretool bereits in der Planungsphase durch die Auswahl geeigneter Querschnitte entscheidend verbessern. So wird die optimale Leitungsauslegung vorab am Bildschirm ermittelt – bei klar ersichtlichen Systemreserven. Anwender können schließlich aus dem fertigen Projekt Dokumentationen als Papierausdruck oder als Datei erzeugen.

Anwendungsbezogene Segmentierung
Möchte ein Anwender nicht die komplette Anlagestruktur einpflegen, kann er sich auf die Überprüfung der „worst case“ Energiebus-Segmente beschränken und erreicht so ebenfalls eine hohe Sicherheit. „Worst case“ Energiebus-Segmente sind die Segmente mit
・dem höchstem Leistungsbedarf (Anzahl x Leistung der Motoren),
・dem längster Abstand zwischen der Einspeisung und der Abzweigleitung beziehungsweise die längste Abzweigleitung mit dem kleinstem Querschnitt sowie
・dem kürzesten Abstand zwischen der Einspeisung (Generator) und der Abzweigleitung.
Auch hier liefert Netcalc alle notwendigen Informationen für die richtige Auslegung. Der Spannungsfall wird in Ansicht „U “ dargestellt (Bild 2). In den Projekteinstellungen ist der maximal erlaubte Spannungsfall definierbar. Dementsprechend werden die Leitungen farblich gekennzeichnet. Ansicht „I “ zeigt die Auslastung sowie den Kurzschlussstrom ersichtlich (Bild 3). Ist der einpolige Kurzschlussstrom kleiner als der Kurzschluss-Ansprechwert des Schutzorgans, stellt die Software den betroffenen Strompfad und das Schutzorgan rot dar. Üblicherweise kommen in Antriebssträngen keine FI-Schutzschalter zum Einsatz. Um trotzdem gefährliche Körperspannungen zu vermeiden, muss der magnetische Schnellauslöser des Kurzschlussschutzorgans auslösen. Der dreipolige Kurzschlussstrom darf die angeschlossenen (Abzweig-) Leitungen nicht thermisch überlasten. Dies kann der Anwender anhand der Durchlasskennlinie des jeweiligen Schutzorgans schnell überprüfen. Mit dem von Netcalc gelieferten Kurzschluss-Stromwerten lässt sich die Durchlassenergie I 2 t ermitteln (Bild 4) Dieser I ² t-Wert muss kleiner sein als der k ² × s 2 -Wert der jeweiligen Leitung, damit die Leiterisolation beim Kurzschluss nicht thermisch zerstört wird. („k“ ist abhängig von der Leiterisolation. Bei PVC-Isolation gilt k = 115. „s“ ist der Leiterquerschnitt in mm 2 ).

Energiebussysteme ohne Trennstellen bieten Sicherheit
Damit die Berechnungen eine Anlage wirklichkeitsgetreu widerspiegeln, darf die Impedanz des Energiebusses nicht höher sein als die theoretischen Annahmen. Die Impedanz von Leitungen ist auch in der Praxis konstant. Allerdings können Steck-, Klemm- und Trennstellen gegebenenfalls signifikant höhere Übergangswiderstände aufweisen und ein Risiko für die Anlagensicherheit darstellen. So gewährleistet ein ungeschnittener Energiebus eine niedrige Impedanz. Die projektierten Kurzschlussströme werden nicht durch Kontaktstellen gedämpft. Nur dann stimmen die theoretischen mit den tatsächlichen Werten in der konkreten Anlage überein. Das hilft dem Anlagenbauer bei Inbetriebnahme und Dokumentation, dem Anlagenbetreiber erleichtert es die Wartung. (no)

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Ulrich Trapp ist Produktmanager Fieldpower bei Weidmüller in Detmold. Ulrich.trapp@weidmueller.de