Schneller Takt perfekt gesichert

Elektronische Sicherungsautomaten ESX10-T

2: Anlauf- und Regelverhalten des DC-Motors

3: Betriebsstrom des DC-Motors bei Belastung

4: Zwei Antriebe an einem Schutzschalter

Ob in Kaufhaus oder Elektronik-Markt – überall treffen wir auf funktionell und werbewirksam verpackte Artikel der Nahrungsmittel-, Getränke- oder Pharmaindustrie. Schließlich soll die Verpackung das Auge des Käufers anziehen und die Kaufentscheidung beeinflussen. Gleichzeitig hat jede Verpackungslösung aber auch wichtige Aufgaben im Hinblick auf Lagerung, Transport und Gebrauchsfähigkeit des Produktes zu erfüllen. Eine Herausforderung bei der Konstruktion von Verpackungsmaschinen besteht auch darin, die flexiblen Antriebe sowie deren Regelelektroniken auf der 24-VDC-Ebene vor Überlastung zu schützen.

Konsumverhalten ist großen Änderungen unterworfen und soll gezielt durch neue Reize beeinflusst werden. Deshalb müssen moderne Verpackungsmaschinen eine hohe Flexibilität aufweisen. So lassen sich neue Anforderungen ohne aufwändigen Umbau der Mechanik realisieren. Die Maschinen und deren Werkzeuge sind daher häufig modular aufgebaut. Sie können so eine effiziente Anpassung der betroffenen Fertigungssegmente und Robotikeinheiten gewährleisten. Eine durchgängige Automatisierung, angefangen vom zentralen Leitrechner bis zu den dezentralen Steuerungen ist deshalb ein absolutes Muss. Eine Veränderung des Programmablaufes und die Anpassung der Betriebsparameter erfolgen direkt am Bildschirm. Das spart Zeit und Kosten und erhöht die Verfügbarkeit des Gesamtsystems.

Für die Stromversorgung der 24-VDC-Steuerungs- und Feldebene werden üblicherweise primär getaktete Schaltnetzteile mit Nennströmen 10, 20 oder 40 A eingesetzt. Die Automatisierungs-Komponenten wie SPS, Busmodule, Ventilbaugruppen, Sensoren und auch die Sicherheitsschaltgeräte werden in vielen Maschinen über elektronische Sicherungsautomaten wie ESX10-T abgesichert.

Rückwirkungsfreie Selektivität

Im Gegensatz zur Absicherung mit normalen Leitungsschutzschaltern mit B- oder C-Charakteristik ist gewährleistet, dass bei Überlast oder Kurzschluss in einem Lastkreis die rückwirkungsfreie Selektivität der Stromkreise beibehalten wird. Die elektronischen Schutzschalter begrenzen den Kurzschlussstrom auf das 1,8-fache und schalten dann nach 100 ms die fehlerhaften Stromkreise ab. Die Steuerung erhält zusätzlich ein entsprechendes Signal und ermöglicht eine zielgerichtete Behebung des Fehlers. Der zeitnahe Neuanlauf der Produktion wird unverzögert eingeleitet, denn die 24-VDC-Ausgangsspannung der Schaltnetzteile ist trotz Fehler im Lastkreis stabil geblieben.

Motorische Verbraucher schützen

Eine interessante Aufgabenstellung ergibt sich für den Elektrokonstrukteur, wenn in der 24-V-Ebene auch motorisch angetriebene Verbraucher und deren Regelelektroniken vor Überlastung geschützt werden müssen. Neben den Nenndaten des Motors und seinem Einschalt- und Betriebsverhalten ist zugleich auch die Einbindung in das Gesamtsystem zu berücksichtigen. Dies lässt sich bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor mit integrierter Regelelektronik (Dunker-Motor Typ BG65x50Si) recht anschaulich darstellen. Das zugehörige Oszillogramm mit Zeitbasis 100 ms/Div (Bild 2) zeigt das Anlauf- und Regelverhalten.

Der Eingangs-Elko der Regelelektronik bewirkt normalerweise einen hohen Einsschaltstromstoß (1), der durch die integrierte Strombegrenzung des elektronischen Schutzschalters ESX10-T limitiert wird. Die interne Regelelektronik des Motors wird gestartet (2), anschließend wird der Motorstrom auf seinen Drehzahl-Sollwert gebracht (3) und erreicht dann seinen Betriebsstrom (4), abhängig von der mechanischen Belastung des Motors. Die Kurve (5) zeigt bei den verschiedenen Betriebszuständen zusätzlich den Verlauf der Motorspannung an. Der Motorstrom bei Belastung beträgt in diesem Fall etwa 5 A (effektiv) und ist mit einem hohen Wechselanteil von 4 A (Spitze-Spitze) überlagert (Bild 3, Zeitbasis 1 ms/Div).

Bei dieser Konfiguration ist neben einer berechenbaren und selektiven Auslegung des Überstromschutzes auch die Kenntnis des Einschalt- und Überlastverhaltens bei den vorliegenden Belastungszuständen wichtig. Es wurde hier ein elektronischer Sicherungsautomat Typ ESX10-T mit 6 A Nennstrom ausgewählt, damit bei maximal zulässiger Last (ca. 5,6 A) keine Abschaltung erfolgt. Der Einschaltstrom wird auf etwa 11 A begrenzt, dies entspricht dem typisch 1,8-fachen des Nennstromes. Ab dem 1,1-fachen des Nennstromes wird innerhalb von 3 s abgeschaltet. Dies schützt den Motor, die integrierte Regelelektronik sowie die Zuleitungen bei Überlastung zuverlässig.

Weitere Applikationen

Eine weitere Anwendung ergibt sich bei der Absicherung von Diagonallüftern (ebmpapst Typ DV4140N) im Zusammenspiel mit motorisch angetriebenen Schaltschrankklappen eines Maschinenmoduls. Die beiden höchst unterschiedlichen Verbraucher werden wechselseitig betrieben (Bild 4), sind aber gemeinsam über einen elektronischen Sicherungsautomaten ESX10-T abgesichert. Neben der theoretischen Berechnung des Gesamtsystems, bei dem neben der Auslastung des Schaltnetzteils auch die Leitungsdämpfung mit berücksichtigt wird, ist auch die messtechnische Erfassung der unterschied- lichen Betriebszustände beim Testlauf der Maschinen äußerst sinnvoll.

Die eingebaute Lüfterbaugruppe eines Verpackungsmoduls ist normalerweise permanent in Betrieb, um in der Maschine gleichbleibende klimatische Bedingungen zu gewährleisten. Der Betriebsstrom der Lüfterbaugruppe (1) ist auch bei diesem DC-Motor mit einem hohen Wechselanteil überlagert. Wenn die Schaltschrankklappe betätigt wird (2) und anschließend motorisch öffnet, dann werden sofort die Lüftermotoren dieses Maschinenmoduls abgeschaltet. Nach dem Schließen der Klappe werden die Lüfter sofort wieder zugeschaltet. Dieser Betriebszustand wird im Testlauf permanent wiederholt, um die Funktionsfähigkeit einer häufigen Sequenz auch im laufenden Betrieb zu gewährleisten.

Im Bereich Etikettiertechnik von Getränke-Abfüllanlagen kommen ebenfalls DC-Motoren zum Einsatz, die die Beschriftungsetiketten über eine Vorrichtung zuführen. Bei Überlast bzw. beim Blockieren des Motors muss dieser relativ schnell abgeschaltet werden, da sonst der Seilzug für den Antrieb herausspringt. Bei kleineren Nennströmen bis 3 A könnten für den Überstromschutz auch normale Leitungsschutzschalter zum Einsatz kommen. Es ist durchaus nicht ungewöhnlich, dass sich die Etiketten in der Zuführung verklemmen. Der Motor ist blockiert und der Schutzschalter trennt den Stromkreis. Der Maschinenbediener kann die verklemmten Etiketten zügig entfernen und die Maschine relativ schnell wieder für den Neustart vorbereiten. Allerdings ist er nicht befugt, den Schaltschrank zu öffnen. Er muss einen Betriebselektriker oder Instandhalter hinzuziehen, die den ausgelösten Schutzschalter wieder einschalten dürfen. Damit offensichtliche Fehler nicht zu einem längeren Maschinenstillstand führen, werden in solchen Anwendungen elektronische Schutzschalter Typ ESS20-124 eingesetzt, die über einen elektronischen Reset-Eingang verfügen. Damit können Steuerstromkreise, die von der Elektrokonstruk- tion vorher festgelegt wurden, über einen Resettaster an der Maschine oder im Touchscreen des Bedientableaus sehr schnell wieder flott gemacht werden.

Dipl.-Ing. Erich Fischer ist Strategischer Geschäftsfeldmanager Automation bei E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH in Altdorf ( www.e-t-a.de )