19.11.2015

Thermal Design Integration

IEC61439-konforme Planung von Schaltschränken

Im Rahmen des Teilprojekts InnoCat4 der Innovationsallianz Green Carbody Technologies ist der Handlungsbedarf der Automobilindustrie in puncto Energieeffizienz und störungsfreien Betriebs von Schaltschränken aufgezeigt worden. Entsprechende Verbesserungs-Erfordernisse gibt es auch im Maschinenbau und in der Installationstechnik. Darüber hinaus muss die neue Schaltschranknorm DIN EN61439 beachtet werden, die eine korrekte und dokumentierte Schaltschrankplanung festschreibt (Bild 1). Vor diesem Hintergrund haben sich Eplan, Phoenix Contact und Rittal zusammengeschlossen, um die Schaltschrankplaner bei der Umsetzung dieser Herausforderungen zu unterstützen.

Autor: Dipl.-Ing. Claus Kühnl, Systemintegration, Text & Support, Geschäftsbereich I/O and Networks, Phoeni


Bild 1: Thermal Design Integration ermöglicht eine energieeffiziente Auslegung von Schaltschränken.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Im Rahmen der Initiative 'Smart Engineering and Production 4.0 (SEAP)' greifen die drei Unternehmen die Ergebnisse von Green Carbody Technologies auf. Durch 'Thermal Design Integration' lassen sich Schaltanlagen hinsichtlich Entwärmung und störungsfreiem Betrieb optimieren. Auf der SPS IPC Drives 2015 werden erste Konzepte zur Realisierung energieeffizienter Schaltschränke vorgestellt. Zwecks Sammlung von Daten über den aktuellen Status hat Rittal im Vorfeld fast 400 in verschiedenen Branchen installierte Schaltschränke untersucht. Dabei ist der Fokus auf die klimatechnische Auslegung sowie die richtige Anordnung der verbauten Geräte gelegt worden.

Betriebstemperatur entscheidendes Kriterium für die Lebensdauer

Aus der Analyse der erhobenen Informationen ergeben sich zahlreiche Verbesserungspotenziale. So wiesen beispielsweise 19% aller geprüften Schaltschränke mit Kompressor-Kühlgeräten einen Lüftungs-Kurzschluss auf, sodass ein Teil der Kühlleistung nicht nutzbar war. Bei zwei Dritteln der Schränke waren die zu kühlenden Teile nicht im Luftstrom zwischen Aus- und Einlass des Kühlgeräts gruppiert. Daraus resultieren gravierende Folgen für aktive Komponenten. Zum einen produzieren diese Geräte einen großen Teil der Wärme im Schaltschrank. Zudem müssen sie passend gekühlt werden, damit sie im zulässigen Temperaturbereich betreibbar sind. Nur so lässt sich bereits während der Planung ihre langfristig zuverlässige Funktionsweise sicherstellen. Nach der Arrhenius-Regel halbiert sich die mittlere Lebensdauer von Halbleitern, wenn die Arbeitstemperatur um 10°C steigt. Elektrolyt-Kondensatoren trocknen bei höheren Temperaturen schneller aus und verlieren folglich an Kapazität. Für elektronische Geräte mit Elektrolyt-Kondensatoren und Halbleitern erweist sich die Betriebstemperatur deshalb als entscheidendes Kriterium hinsichtlich einer langen Lebensdauer. Bei der Kalkulation der Verlustleistung der Schaltschrankkomponenten werden oftmals die Leistungsverluste auf Kabeln und Klemmstellen vergessen. Wärmebildaufnahmen der Schaltschränke zeigen neben aktiven Komponenten häufig auch sehr warme Klemmenleisten. Die gemäß Norm maximal erlaubten Verlustleistungen der Klemmen verdeutlichen, wie die hohen Temperaturen zustande kommen. Eine Klemme für 16mm2 darf laut Norm bis zu 3,42W Verlustleistung haben; der Wert für die am meisten verwendeten Klemmen für 2,5mm2 beträgt immer noch 1,08W. Das Gleiche gilt prinzipiell für jede Klemmstelle im Schaltschrank. Bei einer sorgfältigen Auslegung des Schaltschanks muss der Planer also ebenfalls die Wärmeeinträge von hunderten oder tausenden Klemmstellen berücksichtigen. Aufgrund der großen Anzahl an Klemmen und Klemmstellen lässt sich diese Aufgabe lediglich durch den Einsatz von Software effizient und sinnvoll lösen (Bild 2).

Energieverbrauch muss bei der Planung ersichtlich sein

Die Schaltschrank-Untersuchung durch Rittal unterstreicht ferner, dass die Kompressorkühlgeräte in 50% der Fälle deutlich überdimensioniert waren. Die Planer überschätzen die Verlustleistung im Schaltschrank somit vielfach. Überdimensionierte Kühlgeräte ziehen nicht nur höhere Anschaffungs- und Betriebskosten nach sich, sondern wirken sich außerdem negativ auf die Energieeffizienz aus. Weiteres Verbesserungspotential eröffnet die Anordnung der Komponenten im Schaltschrank. Sie orientiert sich heute vor allem an einer möglichst einfachen, übersichtlichen und wartungsfreundlichen Installation mit kurzen Kabelwegen. Die optimale Führung der kühlen Luft, das Umströmen der zu kühlenden Komponenten sowie die Vermeidung sogenannter Hot Spots werden dagegen oft vernachlässigt. Die Auswahl der Schaltschrank-Komponenten erfolgt darüber hinaus anhand von Kosten- und Funktionsüberlegungen. Der Energieverbrauch und der damit verbundene höhere finanzielle Aufwand für größere Netzteile und Kühlgeräte werden häufig nicht mit einkalkuliert. Dies liegt u.a. daran, weil der Anwender die Betriebskosten beim Kauf der Maschine nicht genügend betrachtet oder der Energieverbrauch während der Planungsphase nicht vollständig überblickt wird. Jedes zusätzliche Watt der im Schaltschrank verbauten funktionstragenden Komponenten benötigt weitere Energie und erzeugt höhere Kosten. Um den Schaltschrank-Planer hier bei seiner Optimierungsstrategie zu unterstützen, muss der Energieverbrauch der genutzten Geräte bei der Planung sofort ersichtlich sein. Werden die Komponenten dann noch richtig platziert, kann die Kühlluft an die erforderlichen Stellen geleitet und die Kühlleistung passend dimensioniert werden. Auf Basis der Untersuchungsergebnisse von Rittal haben die Projektpartner Ansätze erarbeitet, sodass sich die Planung des Schaltschrankaufbaus, die Dokumentation seiner korrekten Auslegung sowie seine Klimatisierung effizienter gestalten lassen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der besseren Unterstützung der Planer durch geeignete Software (Bild 3).

Bereitstellung der relevanten Informationen eröffnet Synergieeffekte

Als weitere Motivation zur richtigen und energieeffizienten Dimensionierung von Schaltschränken fungiert die DIN EN61439, die seit November 2014 allgemeingültige Wirkung hat. Die neue Norm fordert einen sorgfältigen und dokumentierten Aufbau von Schaltschränken. Für den korrekten Umgang mit der DIN EN61439-1 schlägt der ZVEI als ersten Schritt die Sammlung aller wichtigen Anschlussdaten des im Schaltschrank installierten Geräts vor, um die umsichtige Planung zu belegen. Hersteller von Schaltschrankkomponenten wie Phoenix Contact verzeichnen daher eine erhöhte Anfrage der Planer nach den jeweiligen Informationen. Zwischen den in Bezug auf die DIN EN61439 zusammengetragenen Daten und denen, die für eine energieeffiziente Auslegung des Schaltschranks benötigt werden, ergeben sich Überschneidungen. Die Bereitstellung sämtlicher planungsrelevanter Daten und deren Verwendung in einer Planungs-Software eröffnen deshalb interessante Synergieeffekte und bieten dem Schaltschrankplaner eine wertvolle Hilfe. Denn die klimatechnische Dimensionierung des Schaltschranks dokumentiert ebenfalls die von der Norm verlangte Planungssorgfalt. Optimal wäre es, wenn ein Engineering-Tool, das bereits bei der Elektro- und Schaltschrankplanung eingesetzt wird, die Klimatisierungsauslegung umfasst und die Auswahl energieeffizienter Komponenten vereinfacht. Vor diesem Hintergrund haben die Partner ein Konzept entwickelt, das die bestmögliche Unterstützung der Planer auf Basis der Eplan-Software erlaubt. Wesentlicher Aspekt für den energieeffizienten Aufbau des Schaltschranks ist die passende Dimensionierung der Klimatisierung unter Berücksichtigung der Aufstellsituation und Umgebungsbedingungen. Dazu müssen im Vorfeld verschiedene Fragen beantwortet werden: Wie steht der Schaltschrank? Welche Temperaturen herrschen in seinem Inneren und der Umgebung? Entsprechend wurde Eplan Pro Panel um einige Funktionen erweitert. Das 3D-System ermöglicht jetzt sowohl die projekt- als auch schaltschrankbezogene Definition aller notwendigen Parameter. Die Parameter dienen anschließend als Basis für die Planung der Klimatisierungslösung, die in den Schaltanlagenentwurf integriert werden kann. So wird das Layout des Schaltschranks unter klimatisierungstechnischen Gesichtspunkten verbessert.

Empfehlungen der Redaktion

Elektronischer Austausch der Daten über das BMEcat-Format

Die häufigste Ursache für das Überschreiten der zulässigen Temperatur an den Schaltschrankkomponenten liegt nicht in der zu geringen Kälteleistung des Kühlgeräts, sondern der Anordnung der Komponenten im Schrank. Die fehlende Umströmung eines Geräts resultiert dabei oftmals aus der Verblockung des Luftstroms durch andere Komponenten. Gleiches gilt für die Ein- und Auslassöffnungen von Geräten mit Eigenlüftung. Zur korrekten Gruppierung der Komponenten im Schaltschrank ist es daher wichtig, dass die Herstellerinformationen zur maximalen Verlustleistung, Mindestabständen oder Strömungsrichtungen bei Eigenlüftung schon bei der Planung zur Verfügung stehen und beachtet werden. Phoenix Contact liefert seine Gerätedaten deshalb seit einiger Zeit in unterschiedlichen elektronischen Formaten. Aufgrund der zahlreichen Vorteile hat sich das BMEcat-Format mit eCl@ss-Klassifizierungen als De-facto-Standard durchgesetzt und wird deswegen vorzugsweise genutzt. Somit lassen sich die Daten, die für die richtige Auslegung und Klimatisierung von Schaltschränken benötigt werden, einfach elektronisch austauschen. Die erweiterten Gerätedaten für viele Komponenten von Phoenix Contact sind im Eplan Data Portal erhältlich. Nachdem der Planer den virtuellen Montageaufbau abgeschlossen und die Positionen sämtlicher zu projektierender Geräte festgelegt hat, kann er die Klimatisierungslösung umsetzen. Dazu wird ihm künftig in Eplan Pro Panel zunächst die Verlustleistungs-Verteilung der Komponenten im Verhältnis zu ihrem Bauvolumen ihrer Oberfläche angezeigt. Auf diese Weise kann der Planer sehen, ob er mehrere Geräte mit hoher Verlustleistung pro Bauvolumen nebeneinander platziert hat und so ein Hot Spot im Schaltschrank entsteht (Bild 4).

Bessere Dimensionierung des Schaltschranks

Sollte der Schaltschrank eine aktive Kühlung erfordern, lässt sich anschließend das zur Verlustleistung passende Kühlgerät inklusive Zubehör, wie Luftführungen, mit Rittal Therm auswählen. Mit diesem Software-Tool können Lösungen zum Heizen, Kühlen und Klimatisieren von Schaltschränken und -anlagen berechnet und dimensioniert werden. Über die bidirektionale Schnittstelle zwischen Eplan Pro Panel und Rittal Therm werden die relevanten Parameter - wie Aufstellsituation, Umgebungsbedingungen oder Gesamtverlustleistung der Komponenten pro Klimatisierungszone - an Rittal Therm übergeben. Ist die Klimalösung in Rittal Therm passend ausgelegt, wird eine Liste mit allen notwendigen Komponenten inklusive des Zubehörs über das Eplan Data Portal an Eplan Pro Panel zurückgemeldet. Danach werden diese Komponenten virtuell im 3D-Modell in Eplan Pro Panel platziert und die Stücklisten-Informationen im Eplan-Projekt automatisch verarbeitet. Auf diese Weise lässt sich eine Klimatisierungslösung korrekt und optimal dimensionieren sowie dokumentieren, die den Schaltschrank effizient entwärmt. Die erweiterten Funktionen der Thermal Design Integration sind in Eplan Pro Panel ab der Version 2.6 verfügbar.

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