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Sicherheitsmodul

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Bereit für den grenzenlosen Einsatz

Text: Christoph Wesner, Block
Viele Betriebe sind heute im weltweiten Exportgeschäft tätig und müssen sich bei der Herstellung von Sicherheitsmodulen nach den jeweiligen landesgültigen Normen richten. Da niemand gerne verschiedene Varianten für einzelne Märkte führt, ist hier ein Spagat erforderlich.

Der typische Einsatzort eines elektronischen Sicherungsmoduls im Schaltschrank unterliegt in Europa der Maschinenrichtlinie. Die EN 60204-1 ist eine praxisbezogene Norm, die technische Neuerungen nicht behindern soll. Neu ist die Verwendung von elektronischen Sicherungsmodulen auf der 24VDC-Ebene, um die Anforderungen an Überstromschutz und Erdschlüsse der Norm zu realisieren. Bei 24 VDC ist nicht mehr alleine die Rede von Steuerkreisen, sondern auch von Leistungsstromkreisen durch die leistungsstarken Netzteile. Ungeachtet davon fordert die Richtlinie, dass die Leitungen von Steuerstromkreisen ebenfalls gegen Überstrom geschützt sein müssen, wobei zu unterscheiden ist, ob ein Stromkreis geerdete oder ungeerdet ist. Bei geerdeten Kreisen muss eine Schutzvorrichtung in den Schaltleiter eingebaut werden. Ist der abzusichernde Kreis nicht mit dem Schutzleitersystem verbunden, ist wie folgt zu verfahren:

  • Werden die gleichen Leiterquerschnitte benutzt, reicht der Einbau einer Schutzeinrichtung in den Schaltleiter.

  • Werden unterschiedliche Leiterquerschnitte eingesetzte, muss eine Schutzeinrichtung in den Schaltleiter und in den gemeinsam benutzten Leiter eines jeden Teilstromkreises integriert werden.

Elektronische Schutzschalter

Mit den elektronischen Schutzschaltern der Serien Power Mini und Power Compact von Block sind diese Anforderungen schnell zu realisieren. Mit der Kanalaufteilung und der Anschlusstechnik können Leiterquerschnitten von 0,2 bis 2,5 mm² verwendet werden, die sich durch Push-In-Technik installieren lassen, ohne dass ein Mehraufwand durch den Einsatz von verschiedenen Leitungsschutzschaltern anfällt. Die Auslegung erlaubt hohe Einschaltströme und führt nicht zur Abschaltung des betroffenen Kanals im Einschaltmoment. Ein weiterer Punkt ist die durch die Norm geforderte Abschaltleistung. Innerhalb einer üblichen Installation werden elektronische Schutzschalter auf der Sekundärseite von Schaltnetzteilen betrieben. Da diese Geräte im Vergleich zu ungeregelten, konventionellen Versorgungen begrenzte Ausgangsparameter haben und durch doppelte oder verstärkte Isolation vom Netz getrennt sind, darf ein solches Sicherungsmodul auch eine geringere oder gar keine spezifizierte Abschaltleistung haben.

Die beiden Serien sind in der Erprobungs- und Entwicklungsphase nicht nur mit begrenzenden Schaltnetzteilen getestet worden, sondern auch mit sehr leistungsstarken Trafo- und Gleichrichterkombinationen, welche bei Nennausgangsströmen von 250 A problemlos den drei- bis vierfachen Kurzschlussstrom treiben können. Durch das harte Kurzschließen auch bei maximaler Umgebungstemperatur hat sich gezeigt, dass die Anforderungen der EN 60204-1 übererfüllt werden. Weiterhin bieten die elektronischen Schutzschalter durch den flexibel einstellbaren Nennstrom pro Kanal die Möglichkeit, auch die von der Normenseite geforderten Auslösezeiten zu realisieren, wobei allerdings die Forderungen der VDE 0100-430 zu beachten sind. Einstellbare Auslöseströme sind zulässig, sofern die entsprechenden Parameter mit in Betracht gezogen und angewendet werden. Gegen unbefugtes Verstellen kann die Abdeckung mittels Plombe gesichert werden.

Anforderungen in den USA

In den USA sind die Anforderungen ähnlich aber nicht gleich. Die National Fire Protection Agency gibt regelmäßig einen neuen National Electrical Code heraus. Darin wird für Schaltschränke direkt auf die Norm UL 508A verwiesen, die wiederum die Umsetzung der konformen Steuerkreise und die Absicherung beschreibt. Wie bei der EN 60204-1 sind Sicherungselemente in allen nichtgeerdeten Leitern eines separat versorgten Steuerkreises zu installieren, wobei die Auslegung von drei Punkten abhängt: der maximal zulässigen Strombelastbarkeit des Leiters, der Art der speisenden Quelle und den Anforderungen an die Komponenten der Anlage. Im Hinblick auf die 24VDC-Quelle ist der Einsatz von elektronischen Schutzschaltern nach UL2367 in Schaltschränken nur an einer vom Netz sicher getrennten Spannung zulässig. Die Norm definiert elektronische Schutzschalter zum Betrieb an der Sekundärseite netzgetrennter Transformatoren, Netzteilen oder Batterien, um einen zusätzlichen Schutz mit ausreichender Trennung zu realisieren. Die Dimensionierung des Auslösestromes erfolgt der UL508A entsprechend.

Zulässige Spannungseinbrüche

Neben der Absicherung von Stromkreisen, dürfen auch die maximal zulässigen Spannungseinbrüche für sensible Verbraucher im Fehlerfall nicht überschritten werden. Das kann zu ungewollten Beeinflussungen beispielsweise von Logik-Controllern oder SPSen führen, wenn durch einen Fehler in einem aus derselben Quelle gespeisten Nachbarkreis die Spannung bis zum Abschalten des betroffenen Kanals einbrechen würde. Bei einer herkömmlichen Struktur des Aufbaus mit einem Netzteil, dessen Sekundärseite durch mehrere konventionelle Leitungsschutzschalter verschiedene DC-Kreise absichern, würden die Forderungen der IEC/EN 61131-2 hinsichtlich des maximalen Spannungseinbruches und Zeit niemals eingehalten werden. Allein durch die Auslösung eines konventionellen Leitungsschutzschalters ist das nicht zu realisieren. Die Norm legt fest, dass eine SPS keinen Fehler machen oder in Störung gehen darf, wenn die Spannung bis auf 0 V für bis zu 10 ms einbricht. In dieser Zeit kann kein mechanischer Leitungsschutz den fehlerbehafteten Kreis von der Versorgung trennen. Als Folge dessen kann eine SPS einen Reset ausführen oder einen unsicheren Betriebszustand einnehmen.

Durch einen elektronischen Schutzschalter erfolgt eine Abschaltung schneller und ein unsicherer Zustand der SPS beziehungsweise der Anlage wird vermieden. Durch die Verwendung der elektronischen Sicherung in der Ausstattung Basic, welche noch über eine zusätzliche Strombegrenzung verfügt, können auch sensible Verbraucher sicher weiterbetrieben werden. Durch die aktive Strombegrenzung dieser Varianten wird ein Einbruch der Spannung gänzlich vermieden. Die Economy-Varianten reagieren schnell und präzise auf Kurzschlüsse. Allerdings kommt es aufgrund der fehlenden aktiven Strombegrenzung je nach Widerstand der Installation zu einem Spannungseinbruch an allen ausgangsseitig angeschlossen Verbrauchern. Die elektronischen Schutzschalter der Serien Power Mini und Power Compact verfügen über Zulassungen nach UL2367, sowie UL508 und sind durch den Germanischen Lloyd baumustergeprüft.

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