Kompakte Stromverteilungssysteme
Neuen Herausforderungen gerecht werden
Die Stromversorgung der unterschiedlichen Komponenten unterliegt in der Konstruktion von Anlagen einem kontinuierlichen Wandel. Moderne technische Möglichkeiten, innovative Entwicklungen und neue Anforderungen der Anlagenbetreiber befeuern diese Entwicklung. In der Vergangenheit waren große und zentrale Schalträume üblich. Die Steuerung und Stromversorgung waren an einem Ort zusammengeführt. Von dort erfolgte, mit zum Teil sehr langen Zuleitungen, der Anschluss der unterschiedlichen Komponenten ins Feld. Dieser Aufbau hat sich in den letzten Jahren immer deutlicher verändert. Die zentrale Versorgung und Steuerung der Anlage weicht modularen und dezentralen Ansätzen. Dies führt zu neuen Herausforderungen und erfordert geeignete Lösungen.
Die Kombination aus dem Stromverteilungssystem Modul 18plus und dem elektronischen Sicherungsautomaten ESS30 ist für die Anwendung im Anlagenbau geeignet. (Bild: E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH)
Das flexible Stromverteilungssystem Modul 18plus wird den neuen Herausforderungen gerecht. Es besteht aus drei verschiedenen Modulen. Mit diesen lässt sich der Anpassung an die Anforderungen der Anlage optimal Rechnung tragen. Das System verfügt über ein Einspeisemodul. An diesem lassen sich bis zu 80A, über den Push-in Anschluss mit einem Leitungsquerschnitt von bis zu 16 mm² einspeisen. Der Anlagenbrauer reiht die einzelnen Anschlussmodule an diesen an. Die maximale Ausbaugröße des Systems besteht aus 30 Steckplätzen. Das ermöglicht dem Konstrukteur die notwendige Freiheit in der Planung seines Stromverteilungssystems und erleichtert dadurch die Elektrokonstruktion. Durch die Push-in Technologie sorgt das System für eine schnelle Installation und reduziert somit den Verdrahtungsaufwand. Den Abschluss bildet das Signalmodul. Aufgrund der Aneinanderreihung der einzelnen Anschlussmodule erfolgt die Herstellung der Gruppen-Signalisierung „Schließer“. Die Signalkontakte der einzelnen elektromechanischen oder elektronischen Schutzschalter befinden sich dabei in einer Reihenschaltung. Die Sammelsignalisierung des Signalmoduls ist mit einem Eingang der Steuerung zu verknüpfen. Sie liefert dadurch einen Überblick über den Status der DC 24V-Stromversorgung.
Der modulare Aufbau ermöglicht dem Konstrukteur die notwendige Freiheit in der Planung seines Stromverteilungssystems. (Bild: E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH)
Elektronische Absicherung erhöht die Anlagenverfügbarkeit
Das flexible Stromverteilungssystem Modul 18plus bietet in Kombination mit dem elektronische Schutzschalter ESS30 eine geeignete Lösung für die Stromverteilung im Anlagenbau. Die elektronische Absicherung hat im Vergleich zu den früher verwendeten thermisch-magnetischen Sicherungsautomaten zahlreiche Vorteile. In der Vergangenheit dienten zur Stromversorgung der der Anlage oftmals Transformatoren. Im Gegensatz dazu haben die heutzutage eingesetzten Schaltnetzteile ein anderes Verhalten, beispielsweise bei Kurzschlüssen. Sie benötigen daher eine andere Absicherung. Schaltnetzteile können in der Regel kurzfristig das 1,5-fache des Nennstroms liefern. Die am häufigsten verwendeten Schaltnetzteile im Schaltschrank haben einen Nennstrom von 10 bis 40A. Das bedeutet, bei einem Kurzschluss kann das Schaltnetzteil maximal 15 bis 60A zur Verfügung stellen. Bei der Betrachtung der Kennlinie eines thermisch-magnetischen Schutzschalters wird ersichtlich, dieser maximal verfügbare Strom reicht nicht aus, um die magnetische Abschaltung des Schutzschalters sicherzustellen. Das bedeutet, der Schutzschalter löst nicht magnetisch, sondern thermisch aus und somit deutlich langsamer. Das führt zu einer Überlastung des Schaltnetzteiles. Die Folgen sind das Abschalten des Netzteils und das automatische Herunterregeln der Ausgangsspannung. Dadurch kommt es zu einem Spannungseinbruch an allen angeschlossenen Stromkreisen. Der Fehler ist somit nicht auf den betroffenen Stromkreis begrenzt. Vielmehr führt ein Defekt an einem einzigen Gerät zu einem Ausfall ganzer Anlagenteile. Der Einsatz des elektronischen Schutzschalters ESS30 verhindert dieses Verhalten. Denn der Typ ESS30 schützt das Schaltnetzteil bei Kurzschluss und Überlast. Er verhindert somit den Spannungseinbruch aller versorgten Geräte. Dieser Schutz wird mit Hilfe der aktiven Strombegrenzung realisiert. Diese beschränkt den maximalen fließenden Strom auf das 1,2-fache des Nennstroms. Eine Überlastung des Schaltnetzteils lässt sich so verhindern und die Stromversorgung der nicht betroffenen Stromkreise sicherstellen. Das bedeutet, im ersten Schritt erfolgt eine Verminderung des Stromes durch die aktive Strombegrenzung. Bei einem Kurzschluss kommt es dann innerhalb von 150 ms zur elektronischen Abschaltung. Zusätzlich erfolgt nach 5 s die galvanische Trennung des Stromkreises.
Die galvanische Trennung beim ESS30 verhindert die Möglichkeit der Rückspeisung und erhöht dadurch die Sicherheit der Anlage. (Bild: E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH)
Erhöhte Sicherheit durch galvanische Trennung
Die aktive Strombegrenzung bei elektronischen Sicherungsautomaten schützt das Netzteil vor Überlastung. Die galvanische Trennung des ESS30 erhöht darüber hinaus die sichere Trennung der Stromkreise. Gerade in großen Anlagen, mit unterschiedlichsten Potentialen bietet diese Funktionalität Vorteile. Bei herkömmlichen elektronischen Sicherungsautomaten trennt ein Power-Mosfet den Lastkreis. Im Normalbetrieb ist er niederohmig und ermöglicht dadurch den Stromfluss. Löst der elektronische Sicherungsautomat aus, so sperrt der Power-Mosfet in diesem Fall aufgrund seiner Hochohmigkeit den Stromfluss. Trotz dieser Hochohmigkeit fließt aber trotzdem ein kleiner Leckstrom. Darüber hinaus ist die Halbleiterschaltung mit einer Inversdiode ausgestattet. Aufgrund dieser Diode ist bei einem verketteten Fehler in der Lastebene eine direkte Rückspeisung in die DC 24V-Spannungsebene möglich. Die galvanische Trennung beim ESS30 verhindert die Möglichkeit der Rückspeisung. Sie erhöht dadurch die Sicherheit der Anlage. Das galvanisch trennende Schaltelement liegt in Reihe zum Power-Mosfet. Im ersten Schritt trennt der Power-Mosfet den Lastkreis elektronisch. Dadurch lässt sich das Schaltnetzteil vor der Überlastung schützen. Innerhalb von 5s öffnet dann noch das mechanische Schaltelement und trennt den Lastkreis galvanisch. Die zusätzlich entstehende Luftstrecke zwischen den Kontakten verhindert das Fließen von Kriechströmen. Dadurch entsteht eine eindeutige Trennung des Lastkreises. Fehlerhafte Rückspeisungen auf die Ebene der DC 24V-Steuerspannung sind auszuschließen.
Galvanische Trennung der Last- und Steuerspannungsebene
Der Trend zu dezentralen und modularen Anlagen setzt sich fort. Dieser Anlagenaufbau reduziert den Verdrahtungsaufwand und die Länge der Kabelwege. Darüber hinaus sorgt die Modularität für mehr Flexibilität in der Anlagenplanung und dem Betrieb der Produktion. Dies ermöglicht schnelle Veränderungen in den Produktionsabläufen. Es erhöht allerdings auch die Risiken bei der Stromverteilung über die unterschiedlichen Spannungsebenen hinweg. Die sichere Stromverteilung und die Verdrahtung der Anlage im Feld rücken dadurch immer mehr in den Vordergrund. Aufgrund seiner galvanischen Trennung lässt sich dies durch den ESS30 erreicht. Die äußerst gefährliche Rückkopplung der AC 230/AC 400V-Lastspannung auf die Steuerspannungsebene und die möglichen Folgen lassen sich verhindern. Auftretende Fehler lassen sich auf den betroffenen Stromkreis begrenzen. Eine Ausweitung des Schadens auf die gesamte Anlage kommt somit nicht vor.
Stromverteilungssystem für den Anlagenbau
Die Kombination aus dem Stromverteilungssystem Modul 18plus und dem elektronischen Sicherungsautomaten ESS30 ist für die Anwendung im Anlagenbau ideal geeignet. Der ESS30 ist aufgrund der galvanischen Trennung nach der DIN EN60934, als Geräteschutzschalter zugelassen. Diese sorgt für mehr Sicherheit in der Anlage. Sie verhindert außerdem Rückkopplungen der Lastspannungs- auf die Steuerebene. Das Stromverteilungssystem bietet eine übersichtliche Verteilung. Dies minimiert den Verdrahtungsaufwand und reduziert – aufgrund der Flexibilität – den Konstruktionsaufwand. Dadurch erweist sich diese Kombination als geeignete Lösung im Bereich des Anlagenbaus.
