Stillstand vermeiden

Schalter & Taster Stillstand vermeiden

26.09.2006Redakteur: Astrid Lehmann

Selektive Absicherung erhöht die Verfügbarkeit von Transportanlagen und reduziert den Aufwand für Wartungs- und Servicearbeiten. Herkömmliche, rein mechanische Schutzschalter stoßen bei der...

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Selektive Absicherung erhöht die Verfügbarkeit von Transportanlagen und reduziert den Aufwand für Wartungs- und Servicearbeiten. Herkömmliche, rein mechanische Schutzschalter stoßen bei der Selektivität aber schnell an ihre Grenzen. Dieser Beitrag zeigt, wie sich dieses Prinzip umsetzen lässt - durch die Kombination eines mechanischen Schutzschalters mit einer speziellen Überwachungselektronik.Stillstand vermeiden - dies hat sich ein mittelständisches Unternehmen aus Deutschland auf die Fahnen geschrieben. Geht es dort um das Absicherungskonzept in den DC-24V-Versorgungsstromkreisen, so verlassen sich die Ingenieure auf den elektronischen Schutzschalter ESS20 von E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH. Die Innovation beginnt in den Transportanlagen bereits bei der Stromversorgung. Denn hier lassen sich die Vorteile von Schaltnetzteilen gegenüber herkömmlichen Transformatoren nutzen: Die Schaltnetzteile stellen durch minimierte Abmessungen und besseren Wirkungsgrad die optimale Lösung dar. Sie reduzieren den Platzbedarf und verringern die Betriebskosten der Anlage. Außerdem können ihnen Überlast oder Kurzschlüsse am Ausgang nichts anhaben. Wenn es zu Überströmen kommt, dann regelt das Netzgerät lediglich die Ausgangsspannung ab und wirkt als Konstantstromquelle.Das Schaltnetzteil ist bei gleicher Ausgangsleistung erheblich kleiner und leichter als ein früher verwendetes Trafonetzteil und versorgt in Transportanlagen nicht nur einen Verbraucher. Es stellt die DC-24-V-Energie für die zentral angeordneten AS-i-DP-Controller, ebenso wie für die im Feld verteilten AS-i- und Profibus-Module, Barcodescanner, RF-ID-Systeme und dezentralen Motorantriebssteuerungen zur Verfügung.Selektive Absicherung optimiert FunktionsfähigkeitDamit die Gesamtanlage die hohen Ansprüche hinsichtlich Zuverlässigkeit erfüllt, sichern die Ingenieure diese Verbraucher mit dem elektronischen Schutzschalter ESS20 selektiv ab. Selektive Absicherung bedeutet dabei die definierte und somit optimale Funktionsfähigkeit der Anlage, auch wenn in einem Verbraucherabzweig ein unerwarteter Überstrom eines Verbrauchers auftritt. Denn in diesem Fall wird nur der fehlerhafte Pfad abgeschaltet, die Versorgungsspannung bleibt trotz allem stabil; und somit auch der Rest des Systems. Dieses Absicherungskonzept ist nur möglich durch die Kombination eines mechanischen Schutzschalters mit einer speziellen Überwachungselektronik - implementiert im elektronischen Schutzschalter ESS20.Herkömmliche, rein mechanische Schutzschalter stoßen bei der Selektivität aus verschiedenen Gründen schnell an ihre Grenzen. Zum einen stellen solche Schutzkomponenten mit rein thermisch-magnetischer Auslösefunktion die eingesetzten Schaltnetzteile vor unlösbare Aufgaben: Beispielsweise benötigt ein C-3-A-Leitungsschutzschalter mindestens das 10-fache seines Nennstroms (sprich mindestens 30 A), um einen Kurzschluss schnell und sicher abzuschalten. Damit wäre selbst ein 20-A-Schaltnetzteil überfordert - die anderen am Netzteil angeschlossenen Grundlasten noch nicht berücksichtigt. Im Fehlerfall würde dies bedeuten, dass nicht der Leitungsschutzschalter auslöst, sondern das Schaltnetzteil abregeln würde. Ein Standardleitungsschutzschalter ist damit in DC-24-V-Systemen nicht einsatzfähig und daher in zuverlässigen Anlagen nicht zu finden.Schnelle Schutzschalter sind für Selektivität nicht geeignetDie Absicherung der Last mit einem flinkeren Schutzschalter (der nur einen geringeren Strom zum Auslösen benötigt) ist ebenfalls kein Weg zur Selektivität. Ein solcher Schutzschalter würde bereits bei kleinen Stromspitzen auslösen - vorausgesetzt, die Anlage ließe sich überhaupt einschalten. Denn Stromspitzen, wie sie durch Ladeströme der praktisch überall enthaltenen Entstör- und Filterkapazitäten auftreten, können das Einschalten einer so flink abgesicherten Last sogar komplett unmöglich machen. Für zuverlässige Anlagen ist das in jedem Falle inakzeptabel. In der Praxis bedeutet das, entweder kann im Fehlerfall der benötigter Auslösestrom vom Schaltnetzteil nicht geliefert werden (und das Schaltnetzteil schaltet alle Lasten ab) oder der Leitungsschutzschalter würde schon auf kleinste Stromspitzen reagieren und unerwünscht auslösen.Rein elektronische Absicherungen, die zudem oft nur komplex zu bedienen sind, erfüllen die soeben beschriebenen Anforderungen ebenfalls nicht. Erschwerend kommt bei solchen Komponenten hinzu, dass der fehlerhafte Lastpfad nicht sicher abgeschaltet, sondern nur durch ein Halbleiterelement (Power-MOSFET) gesperrt wird. In modernen Power-MOSFETs ist immer eine Inversdiode (Freilaufdiode) integriert. Erfolgt die Fehlertrennung ausschließlich durch einen Power-MOSFET, so fließt selbst im gesperrten Zustand ein kleiner Leckstrom. Zusätzlich kann eine Rückspeisung in das Gerät - im Fehlerfall sogar bis in die DC-24-V-Versorgungsspannung - nicht ausgeschlossen werden. Eine sichere und zuverlässige Abschaltung lässt sich daher ohne mechanischen Schaltkontakt nicht realisieren. Mechanischer Schaltkontakt als KönigswegDer Einsatz des elektronischen Schutzschalters ESS20 löst diese Probleme. Dabei vermeidet das Absicherungskonzept mit dem ESS20, dass die Versorgungsspannung aufgrund eines Überstroms einbricht. Der elektronische Schutzschalter detektiert einen Fehler, wenn der Überstrom oberhalb typ. 110% des Schutzschalternennstroms IN liegt. Eine aktive Strombegrenzung, implementiert im ESS20, begrenzt darüber hinaus den auftretenden Fehlerstrom auf typisch 1,8 × IN. Das vermeidet eine Überlastung des Schaltnetzteils, auch bei Kurzschlüssen in Leitungen. Denn bei prospektiven Kurzschlussströmen, die das 1,8-fache des Nennstroms überschreiten würden, schaltet der ESS20 den fehlerhaften Pfad sofort elektronisch ab.Sowohl nach Erkennung von Überlast als auch nach der elektronischen Sofortabschaltung von Kurzschlüssen folgt eine galvanische Abschaltung nach typisch 5 s. Dies ist durch die mechanische Schaltfunktion des ESS20 möglich. Der Verbraucher wird galvanisch und somit sicher von der Versorgung getrennt. Weiterhin wird die mechanische Schaltfunktion zum Ein- und Ausschalten ebenso wie zur Rückstellung nach Behebung des Fehlers im Lastkreis über den Druckknopf betätigt. Drücken des Knopfes schließt bzw. öffnet der interne mechanische Kontakt. Damit ist manuell die sichere galvanische Ab- und auch wieder Zuschaltung des Lastkanals möglich. Für den Anwender stellt sich der ESS20 nach außen lediglich wie ein bekannter Schalter dar. Die Meldung des Betriebs- bzw. Fehlerzustandes erfolgt über einen integrierten, potenzialfreien Signalkontakt. Optisch signalisiert eine grüne LED den fehlerfreien Betrieb. Steht ein Überstrom oder Kurzschluss an, leuchtet die LED rot. Hat der mechanische Schalter ausgelöst, ist die LED erloschen. Erneutes Betätigen des Druckknopfes schaltete den ESS20 wieder ein. Das gewährleistet eine einfache und für jeden Bediener verständliche Handhabung. Die aktive Strombegrenzung des ESS20 erlaubt kapazitive Lasten mit bis zu 20 000 µF, ohne dass es zur Auslösung des Schutzschalters kommt. Nur damit ist es möglich, beispielsweise die neuen und noch leistungsfähigeren dezentralen Motorsteuerungen in Betrieb nehmen zu können. Stromspitzen durch Einschaltvorgänge kapazitiver Lastanteile haben somit keine Auswirkung - und dies gilt auch für Entstörkondensatoren.*Reinhold Gümpelein ist Geschäftsfeldmanager Automation bei der E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH in Altdorf/Nürnberg.

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