Im Maschinen- und Anlagenbau werden in den 24V-Steuer- und Versorgungskreisen Standard-Leitungsschutzschalter (LS-Schalter) mit verschiedenen Eigenschaften eingesetzt. Werden Nennstrom und Charakteristik des LS-Schalters an die Last verschiedener Leitungen und deren Verlegung angepasst, so gilt die Verdrahtung als thermisch sicher. Dabei öffnet der LS-Schalter innerhalb einiger Millisekunden via elektromagnetischem Auslöser oder auch im Sekunden- oder Minutenbereich via thermischem Auslöser. Maßgeblich hierfür ist die Überstromhöhe. Um Fehlauslösungen durch Einschaltspitzen von Verbrauchern zu vermeiden, werden LS-Schalter mit verschiedenen Auslösekennlinien angeboten. Die gebräuchlichsten sind die B- und C-Kennlinien mit Auslöseströmen zwischen dem 4- und 15-fachen des Nennstromes.
Auslösung in maximal 10 ms
In der Norm EN/IEC61131-2 werden die Anforderungen an die Spannungsversorgung von speicherprogrammierbaren Steuerungen beschrieben. Danach muss die SPS eine Spannungsunterbrechung von 10 ms überbrücken können. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass bei einem Fehler im Lastkreis der betreffende LS-Schalter in maximal 10 ms auslösen muss. Genau darin liegt das Problem bei der Absicherung von 24V-DC-Stromkreisen mit Leitungsschutzschaltern. Bei ihnen will man eine schnelle Abschaltung innerhalb von 10 ms erreichen. Dafür wurden bisher hochpreisige Netzgeräte mit großen Stromreserven eingesetzt. Darüber hinaus muss die Impedanz der Fehlerschleife entsprechend klein sein, damit der Strom fließen kann. Inzwischen werden immer mehr elektrische und elektronische Automatisierungs- und Fertigungsmodule zusammengefasst. Sollten Automatisierungsmodule, Aktoren und Sensoren wegen 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 Maschinenrichtlinie 2006/42/EG Risikoanalysen in Bezug auf Störungen der 24V-Steuerspannung. Ein Szenario mit Gefährdungen von Mensch und Maschine kann danach nicht hingenommen werden. Die richtige Auswahl und der applikationsgerechte Einsatz einer zuverlässigen Stromversorgung ist für einen sicheren Betrieb von besonderer Bedeutung. Weidmüller hat sich dieses Problems angenommen und bietet für eine sichere Versorgung aller Automatisierungskomponenten ein- oder dreiphasige, primär getaktete Schaltnetzgeräte mit hohen Netzausfall-Überbrückungszeiten an. Sie stellen zentral die benötigte 24V-DC-Spannung für die Last- und Steuerstromkreise bereit, die in einer Parallelstruktur zu den einzelnen Verbraucherzweigen verteilt wird. Für die selektive Absicherung der Verbraucher in den 24V-Stromkreisen werden als wirtschaftlichste Lösung Leitungsschutzschalter verwendet, welche die Leitungen bei zu hohem Stromfluss vor Beschädigungen durch Erwärmung schützen. Im Falle eines Kurzschlusses kann die Auslösung des LS-Schalters im Extremfall bis zu einigen Minuten in Anspruch nehmen. Die Folge ist ein Zusammenbruch der kompletten Steuerspannung, was wiederum gefährliche Maschinenzustände nach sich ziehen kann. Eine einfache und kostengünstige Absicherung von Leitungen geschieht mit elektromagnetischen Leitungsschutzschaltern, sie haben einen magnetischen und thermischen Abschaltmechanismus. Es gibt sie in vier Empfindlichkeitsklassen – Charakteristik A bis D. In der Praxis setzt der Anwender in der Regel LS-Schalter mit B- und C-Charakteristik ein, 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 eingesetzt werden. Der thermische Auslösemechanismus ist bei allen vier Klassen gleich. Gemäß den Kennlinien kann es zum Beispiel beim 1,5-fachen Nennstrom zwischen 20 Sekunden und 30 Minuten dauern bis der Leitungsschutzschalter den Stromkreis öffnet. Dieser Zustand ist nicht hinnehmbar. 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 Anlage. Schaltnetzteile lassen nur einen limitierten Überstrom zu. Sie begrenzen selbst bei einem Kurzschluss den Strom auf 110 bis 150 Prozent, was letztlich 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. Abhilfe schafft hier ein zusätzlich in den Stromkreis integrierter Energiespeicher, der schnell anspricht und bei einem Last-Fehler seine Leistung sofort und ungefiltert abgibt. So wird der Leitungsschutz gezielt ausgelöst. Diese Eigenschaften hat das Kapazitätsmodul der Stromversorgungsfamilie PRO-M. Es wird zusätzlich parallel zum Netzgeräteausgang in den Stromkreis geschaltet. Die Funktion des Kapazitätsmoduls basiert auf dem Prinzip der Impulsauslösung. In sehr kurzer Zeit liefern die Module zusätzliche Energie und lösen so gezielt den Leitungsschutz in 1 bis 3ms 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 Betriebes werden durch das Kapazitätsmodul gepuffert, entlasten so das Netzteil und stabilisieren zusätzlich 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.
Komponenten sorgfältig auswählen
Das Stromversorgungs- und selektive Absicherungskonzept von 24V-Stromkreisen entscheidet über die Anlagenverfügbarkeit einzelner Automatisierungssysteme bis hin zu komplexen Fertigungsstraßen. Deshalb gilt es, diese Komponenten sehr sorgfältig auszuwählen.☐
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