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Stromversorgung und intelligenter Leitungsschutz 4.0

Text: Ralf Coors, Lütze
Moderne Stromversorgung und insbesondere der elektronische Leitungsschutz können heute schon im Bereich Industrie 4.0 nachhaltig betrieben werden. Welche Features sie haben sollten, erfahren Sie hier.

Schaltnetzteile werden heutzutage in praktisch allen Industriegeräten und -anlagen eingesetzt und haben die herkömmlichen Trafo-Netzteile ersetzt. Die Hauptursache in diesem Wandel liegt in der erforderlichen Gewichtsreduzierung und Baugröße und den neuen Herausforderungen aus dem Bereich Energiemanagement. Dieser Wandel wirkt sich aber auch auf den bisherigen Leitungsschutz auf der Sekundärseite aus. Herkömmliche Leitungsschutzautomaten können einen umfassenden Schutz nicht mehr gewährleisten und müssen ebenso durch elektronische Lastüberwachungen ersetzt werden.

Gewichtsbestimmend in Trafo-basierenden Netzteilen ist der Trafo selbst mit seinem Ferrit- oder Eisenkern und der Nominalbetrieb an 50/60 Hz Netzen. Eine extreme Gewichtsreduzierung kann über die Erhöhung der Frequenz erreicht werden. Beispielsweise könnte der Eisenkern bei einem 400W-Trafo von mehr als 2 kg auf unter 100 g reduziert werden, wenn die Frequenz auf 125 Hz erhöht würde. Diese Technik wird bei Schaltnetzteilen umgesetzt und grundsätzlich bei allen Typen nach dem gleichen Prinzip realisiert. Mittels eines Schaltgliedes werden Energiepakete mit einer hohen Taktfrequenz aus der Primärseite entnommen. Das Taktverhältnis der Frequenz, die zwischen 20 und 300 kHz liegen kann, bestimmt den Energiefluss. Auf der Sekundärseite erfolgt wie auch bei Trafonetzteilen eine Glättung des diskontinuierlichen Energieflusses. Durch die angewandte Technik und die richtige Wahl der Bauelemente kann die Komponente hohe Wirkungsgrade erzielen. Im Vergleich zu Trafonetzteilen haben Schaltnetzteile daher bemerkenswerte Vorteile. Zum einen arbeiten die Geräte theoretisch verlustlos und erreichen Wirkungsgrade bis zu 96 Prozent und zum anderen bieten sie große Eingangs-/Ausgangsspannungsbereiche, gute Regeldynamiken, PFC Implementierung, allphasigen Betrieb in einem Gerät oder auch Programmier- und fernsteuerbares Powermanagement um nur einige Punkte zu nennen.

Kompakt und modular

Lütze bietet ein komplettes System, bestehend aus hocheffizienten Schaltnetzteilen als Einzelgerät oder im modularen Aufbau mit Feldbusanschaltung an die gebräuchlichsten Kommunikationssysteme. Die Basis bilden die zwei Schaltnetzteilserien Compact und LCOS-PS. Das 2400W-Gerät aus der Compact Serie und das 120 W LCOS-PS sind dabei in Baugröße und Ausstattung laut Hersteller am Markt einzigartig. Abgedeckt werden die Leistungsbereiche von 30 bis 960 W mit einer Effektivität bis zu 94 Prozent. Momentan sind die 240 und 480 W mit einem allphasigen Eingang ausgestattet, was mit den Zulassungen einen weltweiten Einsatz an allen Netzen mit nur einem Gerätetyp möglich macht. Das Überlastverhalten ist je nach Gerät fest eingestellt oder über Schalter auswählbar. Angeboten wird das Verhalten Konstantstrom oder Hicc-Up plus mit einem Power Boost von 150 Prozent IN über 5 Sekunden. Mit diesen technischen Eckdaten können induktive und kapazitive Lasten ohne Probleme anfahren oder auch Batterien laden. Alle Compact Geräte sind Einzelgeräte und lassen sich über steckbare Klemmen anschliessen. Die LCOS-Geräte sind neben dem Einsatz als Einzelgerät auch im modularen Betrieb einsetzbar und können ohne zusätzliche Verdrahtung direkt einen Energiebus versorgen. Neben dieser Eigenschaft kann der Leistungsausgang geschaltet, oder das Gerät über einen Feldbuskoppler in ein industrielles Kommunikationssystem eingebunden werden.

Neben den Vorteilen gibt es aber doch auch Nachteile gegenüber Trafonetzteilen. Im Zusammenhang mit einem sekundären Leitungsschutz ist das die geringe Überlastfähigkeit der Geräte. Selbst eine integrierte Überlastfähigkeit von 150 Prozent über einige Sekunden, mit der man zwar induktive und kapazitive Lasten schalten kann, ist nicht ausreichend, um herkömmliche Leitungsschutzautomaten immer sicher zu schalten.

Charakteristik von Leitungsschutzautomaten

Lange Zeit wurden in Verbindung mit Schaltnetzteilen zum Leitungsschutz die Standard-Leitungsschutzschalter oder im besseren Fall die auf DC Betrieb ausgelegten Schutzschalter eingesetzt. Bei Einsatz der Standard-Leitungsschutzschalter wie Typ B muss man beachten, dass sich die Kennlinien um etwa 20 Prozent verschieben, also die Auslösezeiten um 20 Prozent höher sind. Grundsätzlich gelten alle in der Charakteristik definierten Werte bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C. Auch wenn das Schaltnetzteil mit 10 A belastet werden würde, so würde es bei einer 20-prozentigen Überlast (sofern das Gerät nicht schon in den Überlast Modus schaltet) eine Ausschaltzeit von etwa einer Stunde benötigen, was Anschlussklemmen und Leitungen extrem belasten und altern würde. Im Falle eines Kurzschlusses erfolgt wieder kein Ausschalten, da der Automat zwischen 5 und 10 Sekunden benötigt und das Schaltnetzteil nach 2 Sekunden abschaltet.

Vielleicht ist der Fall einer einzigen Absicherung für alle angeschlossenen Lasten nicht der Regelfall, sondern eher der Aufbau einer Parallel-Selektivität. Selektive Lastabsicherung bedeutet, dass bei Überlast oder Kurzschluss, ohne Rückwirkung auf die Versorgung, ausschließlich der fehlerhafte Strompfad abgeschaltet wird. Zur Auslegung der Überstromschutzeinrichtung in 24VDC-Kreisen sind auch die Normen EN 60204-1 (Leitungs- und Brandschutz) sowie die EN 61131-1 und -2 (Betriebszustände und Speicherung) anzuwenden. Konkret bedeutet das, einen Netzausfall von 10 ms ohne Funktionseinschränkung zu verkraften, was den Einsatz von großen Eingangskapazitäten verlangt. Im weiteren müssen Gefahr bringende Überströme innerhalb von 5 s auf ein ungefährliches Niveau reduziert werden.

Selbst bei diesem Aufbau ändert sich aber nichts an der vorhandenen Problematik. Auch dort kommt es entweder zu sehr langen Abschaltzeiten oder keinem Ansprechen der Schutzeinheit. Eine Lösung kann nur über entsprechende Elektronik erreicht werden, die über geeignete Technik nicht nur das Problem des sicheren Abschalten übernehmen, sondern viele weitere Aufgaben bis hin zum Einsatz im Bereich Industrie 4.0 erfüllen kann.

Elektronische Lastüberwachung

Mit der LOCC-Box oder dem LCOS CC-Sytem können kapazitive Lasten versorgt werden, um schwere Lasten starten zu können und andererseits im Betrieb einen Überstrom oder Kurzschluss schnell zu erkennen und nur den betroffenen Pfad abzuschalten. Dabei wird sichergestellt, dass das System das Auslösen speichert und damit die Gefahr durch erneutes Einschalten verhindert. Zu Diagnosezwecken besitzen alle Geräte einen Desina-konformen Störmeldeausgang sowie eine visuelle Anzeige/Schaltausgang bei einer 90-prozentigen Auslastung bezogen auf den eingestellten Bemessungsstrom.

Lütze bildet thermische und magnetische Kennlinien von herkömmlichen Automaten nach. Der Unterschied liegt in den Ansprechzeiten und im Ansprechverhalten bei Kurzschluss. Benötigt ein Automat Typ B bei 1,2-fachen Nennstrom etwa eine Stunde, so schalten die Lütze-Geräte nach 10 Sekunden ab im Kurzschlussfall nach etwa 5 ms. Über die interne Software wird es jetzt auch möglich, über Schalter Nennströme bis 10ADC und alle Kennlinientypen wie Z, B, C, K einstellbar zu machen. Damit wird eine 100-prozentige Deckung aller Anforderungen im Nennstrombereich bis DC10A erreicht und Änderungen die bei Nachrüstungen oder Anpassungen in der Anlage zwingend auftreten, können ohne Änderung der Geräte stattfinden.

Der Einsatz von Schaltnetzteilen hat nicht nur die herkömmlichen Trafonetzteile ersetzt, sondern wird auch die bisherigen Schutzgeräte wie Feinsicherungen und Leitungsschutzautomaten auf Dauer ersetzen. Diesen Vorgang kann man schon seit einigen Jahren auf der Sekundärseite beobachten und wird sich mit Fortschritt der Leistungselektronik in der Zukunft auch auf der Primärseite durchsetzen. Es spielen hierbei aber nicht nur die Schaltnetzteile durch deren Eigenarten eine Rolle, sondern auch die fortschreitende Automatisierung in Richtung 4.0 die Zugriffe bis in die letzte Zelle der Applikation erlaubt. Lütze bietet heute schon ein durchgängiges Programm an modernen Stromversorgungen und elektronischen Lastüberwachungen, die in der intelligenten Version unter Industrie 4.0 betrieben werden können.

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