Intelligenter Lastschutz gepaart mit kompakter Stromverteilung
Vielfältige Anforderungen, ein Baukasten
Zahlreiche Anlagenbauer im Bereich der Prozessautomatisierung benötigen bei der DC 24V-Stromverteilung kompakte und umfassende Lösungen. Dabei geht es um Features wie eine redundante 80A-Einspeisung, integrierte Entkopplungsdioden und einen intelligenten, selektiven Lastschutz für bis zu 30 Verbraucher. Dabei sind die Verbraucher oft auch über lange Anschlussleitungen im Feld verteilt. Hinzu kommen eine Summenstrommessung inklusive Anzeige, eine Spannungsüberwachung der Einspeisung sowie eine Sammelsignalisierung, die ohne Signalbrücken funktioniert. Das System Power Distribution Modul PDM von E-T-A bündelt all diese Anforderungen in einem Baukasten.
Bild 1 | PDM – Power Distribution Modul zur Montage auf Schaltschrankrückwand
Das PDM Stromverteilungssystem besteht aus einem kompakten Grundträger aus gekantetem Alu-Blech in den Abmessungen 19″ und 3HE. Dazu hat das System rechts und links je einen um 180° drehbaren Montageflansch. Damit funktioniert der Einbau in 19″ Gestelle (Flansch nach vorn gedreht) oder einfach auf die Rückwand bzw. Montageplatte im Schaltschrank (Flansch nach hinten). Im Inneren befindet sich eine große Leiterplatte. Diese enthält Stecksockel zur Aufnahme der steckbaren Schutzschalter. Ganz nach Bedarf werden diese dann eingesteckt. Auch die Lastanschlussklemmen mit moderner Push-In-Technik befinden sich hier. Sie sind jedem Schutzschalter für die Lastabsicherung zugeordnet und ebenfalls frontseitig zugänglich. Die Leiterplatte übernimmt die komplette Verteilung des eingespeisten Stromes auf die einzelnen Lastkreise sowie die Sammelsignalisierung aller Sicherungen und die zugehörigen Klemmen. Die redundante Einspeisung für zwei unabhängige DC 24V Spannungsquellen erfolgt ebenfalls von vorn über groß dimensionierte Schraubklemmen. Die Versorgungen werden über Entkopplungsdioden im Inneren des Verteilers auf die gemeinsame Plusschiene der Leiterplatte zusammengeführt. Zur Abführung der entstehenden Verlustleistung dienen zwei wohl dimensionierte Kühlkörper auf der Rückseite des Verteilers. Optional lässt sich der aufgenommene Gesamtstrom mittels eines Shunts messen und über eine frontseitig im Verteiler positionierte digitale Anzeige anzeigen.
Weitere Möglichkeiten
Bild 2 | Elektronischer Schutzschalter ESS30 für selektive Lastabsicherung und mit galvanischer Trennung
Im Mittelpunkt steht die selektive Absicherung der Lasten im Feld. Da lange und dünne Leitungen zu den einzelnen Verbrauchern einen recht hohen Widerstand aufweisen, begrenzen sie den Strom sehr stark. Eine 100m lange Leitung, also für eine Last, die 50m von der Stromquelle entfernt ist, hat beispielsweise bei einem Querschnitt von 1,5mm² einen Widerstand von ca. 1,2 Ohm. Das bedeutet, bei einer Versorgung mit DC 24V fließen im Kurzschlussfall nach dem ohmschen Gesetz höchstens 20A. Normale thermisch-magnetische Schutzschalter lassen sich aber auf Grund ihrer trägen Kennlinie in diesem Fall nicht mehr in wenigen Millisekunden auslösen, da der dazu nötige ca. 15-fache Nennstrom, bei der häufig verwendeten C-Kennlinie, nicht erreicht wird. Elektronische Schutzschalter dagegen sind genau für diesen Anwendungsfall konzipiert. Sie können zwischen einem echten Kurzschlussstrom und einem kapazitiven Einschaltstrom unterscheiden. Somit schalten sie den fehlerhaften Lastkreis sicher und schnell ab und koppeln ihn durch die anschließende galvanische Trennung von der Versorgung ab. Dies unterbindet Rückwirkungen auf die Stromversorgung und somit auf die anderen parallelen Lastkreise. Auch bei einigen hundert Metern Leitungslänge ist dies kein Problem. Die in jedem Schutzschalter integrierten Signalkontakte melden die Auslösung des Automaten über die Sammelsignalisierung an die entfernte Leitwarte. Da die elektronischen Schutzschalter steckbar sind, kann der Nutzer sie auch bei laufendem Betrieb sehr leicht zur Erweiterung der Anlage nachrüsten oder bei Änderungen an den Verbrauchern austauschen.
Signalbrücken überflüssig
Die Sammelsignalisierung schaltet alle Öffnerkontakte der einzelnen Schutzschalter parallel. Dadurch besteht keine elektrische Verbindung, solange alle Automaten eingeschaltet oder nicht bestückt sind. Ein Relais mit Wechslerkontakten ist bei anliegender Versorgungsspannung dauerhaft erregt. Löst jedoch ein Schutzschalter aus oder wird manuell in Ausstellung gebracht, so schließt dessen Signalkontakt, das Relais wird stromlos geschaltet und fällt ab. Diese Technik macht die bei der sonst üblichen Reihenschaltung nötigen Signalbrücken überflüssig. Das Ruhestromprinzip zur Fernmeldung lässt sich dennoch über die Wechslerkontakte des Sammelmelderelais verdrahten. Die Dauererregung des Relais überwacht zusätzlich die Versorgungsspannung und meldet deren Ausfall als Fehler. Eine rote, frontseitig angeordnete LED signalisiert dies oder den Schalterfall optisch am PDM vor Ort. Zusätzlich zeigen zwei grüne LEDs das Vorhandensein der Spannung der beiden Einspeisungen A und B (je DC 24V) an. So lässt sich das Fehlen einer der beiden Quellen leicht feststellen. Ein rückstellbarer, thermischer Schutzschalter sichert die Versorgung dieser geschilderten Überwachungseinheiten ab. Es muss also keine der 30 Lastsicherungen wie bei anderen Lösungen dafür ‚verschwendet‘ werden.
Bild 3 | Prinzipschaltbild des PDM mit zwei externen, redundanten Stromversorgungen
Maximaler Gesamtlaststrom von 80A
Einen weiteren sehr großen Vorteil bieten die im Verteiler bereits integrierten Entkopplungsdioden. Sie sind zusammen mit den nötigen Kühlkörpern Platz sparend im hinteren Bereich des Verteilers untergebracht. Ihre Dimensionierung erlaubt einen maximalen Gesamtlaststrom von 80A. Bei Normalbetrieb übernimmt jede der beiden Einspeisungen ca. 50% des Laststromes. Fällt eine Quelle aus, laufen 100% über die Verbleibende. Die Bündelung aller Komponenten in der PDM sorgt auch für eine korrekte und symmetrische Dimensionierung aller internen Verdrahtungsleitungen – von den Einspeiseklemmen über die Dioden, die Leiterplatte bis hin zu den Lastanschlussklemmen.
Lastzustand stets im Blick
Mit einer digitalen Anzeige zeigt das System den Gesamtstrom an. Die Messung über einen 80A Messshunt erfolgt als internes mV-Signal. Das Digitalmessgerät stellt dies dann mit einem Anzeigebereich von 0,0 bis 80,0A dar. Dadurch hat der Nutzer stets die Information über den Lastzustand in der Anlage und kann auf Veränderungen des Wertes sofort reagieren. Die hohe Auflösung visualisiert auch kleinere Veränderung im 0,1A Bereich. Die für die Digitalanzeige benötigte galvanisch getrennte Stromversorgung ist gleich integriert und ebenfalls über den thermischen Schutzschalter vorgesichert. Alle benötigten elektrischen Anschlüsse der Verteilung sind auf der Vorderseite des PDM übersichtlich untergebracht:
- Zwei großzügig dimensionierte Schraubklemmenpaare bis 25mm² Leiterquerschnitt für die beiden Einspeisungen A und B,
- 30 Push-In-Klemmenpaare bis 4mm² für die einzelnen Lastanschlüsse (je Plus und Minus), sowie
- Drei Push-In-Klemmen bis 2,5mm² zum Anschluss der Wechslerkontakte des Signalrelais.
Alle anwenderseitigen Leitungen laufen über eine unterhalb der Klemmen angebrachte horizontale Kabelrangierung von rechts oder links an die Klemmen heran. Diese liegt auf dem gleichen Höhenniveau wie die Anschlussklemmen. Dadurch erübrigt sich ein zusätzlicher Kabelkanal. Die Klemmen sind beschriftet und den Funktionen und Lastkreisen zugeordnet. Dies erleichtert das Anschließen spürbar. Die Montage des Verteilers kann direkt auf die rückseitige Montageplatte eines Schaltschrankes erfolgen. Dafür sind die beiden seitlichen Flansche nach hinten gerichtet montiert. Durch Drehen dieser Flansche nach vorne besteht die Möglichkeit, den PDM in ein Standard 19″ Rack zu integrieren. Die Befestigung erfolgt jeweils mit nur vier Schrauben, an den rechten und linken Flanschen. Die Rückseite des Verteilers ist geschlossen. Dies gewährleistet bei allen Montagearten die Berührsicherheit.
E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH
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