Im Maschinen- und Anlagenbau kommen in den 24V-Steuer- und Versorgungskreisen Standard-Leitungsschutzschalter (LS-Schalter) mit verschiedenen Charakteristika zum Einsatz. Werden Nennstrom und Charakteristik des LS-Schalters an die Last, den verschiedenen 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- bzw. Minutenbereich via thermischem Auslöser. Maßgeblich hierfür ist die anstehende 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. In der Norm EN IEC61131-2 werden die Anforderungen an die Spannungsversorgung von Speicherprogrammierbaren Steuerungen beschrieben. Danach muss die SPS eine Spannungsunterbrechung von 10ms überbrücken können. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass im Fehlerfall eines Lastkreises der betreffende LS-Schalter in max. 10ms auslösen muss. Genau darin liegt das Problem bei der Absicherung von 24VDC-Stromkreisen mit Leitungsschutzschaltern. Bei ihnen will man eine schnelle Abschaltung innerhalb von 10ms erreichen. Dafür musste der Anwender bisher hochpreisige Netzgeräte mit großen Stromreserven einsetzen. Darüber hinaus muss die Impedanz der Fehlerschleife entsprechend klein sein, damit der Strom fließen kann. In der industriellen Automatisierung ist ein steigender Automatisierungsgrad zu verzeichnen. Es werden immer mehr elektrische und elektronische Automatisierungs- und Fertigungsmodule zusammengefasst. Sie alle müssen zuverlässig und kostengünstig mit Energie versorgt werden. Verfügbarkeit und Funktion von Maschinen und Anlagen sind gerade im industriellen Bereich von existenzieller Bedeutung, denn nur so lassen sich hohe Ausbringmengen bei gleichbleibender Qualität sicherstellen. 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. Ebenfalls fordert die neue Maschinenrichtlinie 2006/42/EG Risikoanalysen in Bezug auf Störungen der 24V-Steuerspannung. Ein Szenario mit Gefährdungen an Mensch und Maschine ist unvertretbar. Die richtige Auswahl und der applikationsgerechte Einsatz einer zuverlässigen Stromversorgung ist für einen sicheren Betrieb von besonderer Bedeutung. Weidmüller hat sich dieser Problematik angenommen und bietet für eine sichere Versorgung aller Automatisierungskomponenten ein- oder dreiphasige primär getaktete Schaltnetzgeräte mit hohen Netzausfallüberbrückungszeiten an. Sie stellen \’zentral\‘ die benötigte 24VDC-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 wirtschaftslichste Lösung LS-Schalter verwendet, welche die Leitungen bei zu hohem Stromfluss vor Beschädigungen durch Erwärmung schützen. Ein solches Konzept funktioniert in der Regel problemlos, solange kein Fehler an einer Last auftritt. Im Kurzschlussfall kann die Auslösung des LS-Schalters bis zu einige Minuten in Anspruch nehmen. Die Folge ist ein Zusammenbruch der kompletten Steuerspannung, was wiederum gefährliche Maschinenzustände nach sich ziehen kann. Der Leitungsschutzschalter Eine einfache und kostengünstige Absicherung von Leitungen geschieht mit elektromagnetischen Leitungsschutzschaltern. Sie haben einen magnetischen und thermischen Abschaltmechanismus. Sie sind in vier Empfindlichkeitsklassen (Charakteristik A bis D) erhältlich. In der Praxis setzt der Anwender in der Regel LS-Schalter mit B- und C-Charakteristik ein, denn die A-Charakteristik ist sehr flink, die D-Charakteristik dagegen 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 z.B. beim 1,5-fachen Nennstrom zwischen 20s und 30min 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 10ms. Nur so bleibt eine unterbrechungsfreie Steuerspannung erhalten und es besteht die Möglichkeit zu einem kontrollierten Herunterfahren der Maschine. Zusätzliche Pulsenergie für kurze Auslösezeiten Schaltnetzteile lassen nur einen limitierten \’Überstrom\‘ zu. Sie begrenzen selbst im Kurzschlussfall den Strom auf 110 bis 150%, was letztlich auch 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 und damit den Leitungsschutz gezielt auslöst. Diese Eigenschaften hat das Kapazitätsmodul der Stromversorgungsfamilie PRO-M. Es wird zusätzlich in den Stromkreis geschaltet, einfach durch Parallelschaltung zum Netzgeräteausgang. Die Funktionalität des Kapazitätsmoduls basiert auf dem Prinzip der Impulsauslösung. In sehr kurzer Zeit liefern die Module zusätzliche Energie und lösen so 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 getestet.
Weidmüller Interface GmbH & Co. KG
