Leistungsreserve als entscheidender Vorteil

Die Achenbach Buschhütten GmbH setzt zur sicheren Überwachung ihrer Anlagen auf die präventive Funktionsüberwachung der Netzteile

Die an eine Stromversorgung angeschlossenen Lasten sind beim schnellen Auslösen des LS-Schalters nicht vom Kurzschluss betroffen und laufen unterbrechungsfrei weiter

Leitungsschutzschalter lösen magnetisch in wenigen Millisekunden oder thermisch in Sekunden bis Stunden aus, hier beispielhaft an einem 6-A-Automaten mit B-Charakteristik dargestellt

Die Quint-Power-Stromversorgungen arbeiten nach der dargestellten UI-Kennlinie

Wichtige Maschinen- und Anlagenteile müssen unterbrechungsfrei betrieben werden, um wirtschaftlich zu arbeiten. Die primär getakteten Schaltnetzteile von Phoenix Contact liefern deshalb kurzzeitig hohe Kurzschlussströme, sodass Leitungsschutzschalter in Millisekunden auslösen. Auf diese Weise lässt sich ein Fehler begrenzen und die Produktion kann weiter laufen.

Üblicherweise sind parallel zur Steuerung weitere Verbraucher wie Sensoren oder Aktoren an ein Netzteil angeschlossen. Zur Minimierung von Stillstandszeiten sollte jeder dieser Strompfade einzeln abgesichert sein. Kommt es dann zu einem Kurzschluss, wird nur der fehlerhafte Pfad von der Stromversorgung getrennt und die Steuerung arbeitet unterbrechungsfrei weiter. Für die beschriebene Absicherung erweisen sich handelsübliche Leitungsschutzschalter (LS-Schalter) als die preiswerteste Lösung. Sie können elektromagnetisch oder thermisch über ein Bimetall auslösen. Zur Auslösung innerhalb weniger Millisekunden benötigt der integrierte Elektromagnet einen deutlich höheren Strom als den Nennstrom des LS-Schalters.

Höhere Kurzschlussströme beachten

Die für die elektromagnetische Auslösung erforderlichen Kurzschlussströme werden von den Herstellern üblicherweise für Wechselstrom (AC) angegeben. Anwender müssen deshalb berücksichtigen, dass die DC-Werte im Vergleich zu AC-Anwendungen um den Faktor 1,2 höher liegen. Leitungsschutzschalter werden in verschiedenen Auslöse-Charakteristiken angeboten, wobei im industriellen Umfeld zumeist Automaten mit B- oder C-Charakteristik im Einsatz sind. Charakteristik B verlangt den drei- bis fünffachen Nennstrom des LS-Schalters bei AC- respektive den drei- bis sechsfachen Strom bei DC-Anwendungen. Für einen 25-A-Automaten der Charakteristik B sind also 150 A notwendig, um unter ungünstigen Bedingungen innerhalb weniger Millisekunden auszulösen. Die C-Charakteristik benötigt den fünf- bis zehnfachen Nennstrom bei AC- sowie den fünf- bis zwölffachen Strom bei DC-Applikationen.

Zuverlässiges Auslösen des Schutzschalters

Mit Kleinspannungstransformatoren lassen sich Leitungsschutzschalter innerhalb weniger Millisekunden auslösen, da sie den erforderlichen hohen Strom bereitstellen. Die Trafonetzteile sind jedoch in den letzten Jahren häufig durch primär getaktete Schaltnetzteile ersetzt worden, auf deren Vorteile – wie die geregelte Ausgangsspannung oder der höhere Wirkungsgrad – die Anwender nicht verzichten möchten. Bislang waren die Netzteile nicht in der Lage, im Kurzschlussfall einen derart hohen Strom zu liefern. Stellen sie eine Leistungsreserve dauerhaft zur Verfügung, sorgt diese für eine thermische Auslösung, die mehrere Sekunden oder Minuten dauert. Aufgrund des ausgelösten Leitungsschutzschalters gestaltet sich die Fehlersuche einfach. In dieser Zeitspanne ist die 24-VDC-Spannung der Stromversorgung jedoch bereits eingebrochen und die Steuerung ausgefallen. Schlimmstenfalls liefert das Netzteil einen zu geringen Strom oder nur eine kurzzeitige Stromreserve von wenigen Sekunden. In diesem Fall löst die Sicherung nicht aus, sodass die Fehlersuche aufwändig ist.

Die Stromversorgungen Quint Power vereinen die Vorteile der Schaltnetzteile mit dem hohen Kurzschlussstrom des Trafos. Durch die Verwendung der Selective Fuse Breaking Technology SFB ermöglichen sie das magnetische Auslösen von LS-Schaltern. Das neue einphasige 24-V/40-A-Modul liefert 215 A für 12 ms und löst damit Leitungsschutzschalter bis B 25 oder C 13 im magnetischen Bereich der Sicherungskennlinie aus. Weitere angekoppelte Lasten laufen trotz des aufgetretenen Kurzschlusses unterbrechungsfrei weiter.

Abhängigkeiten der Auslösezeit

Ob ein Leitungsschutzschalter schnell genug auslöst, hängt unter anderem auch von der Länge und dem Querschnitt der Leitung ab, über die der Verbraucher angeschlossen ist. Hier ist nicht ausschließlich der hohe Strom ausschlaggebend, den das Netzteil liefern kann. Nur wenn die Impedanz des fehlerhaften Strompfades gering genug ist, kann der hohe Strom auch in den Kurzschluss fließen und den LS-Schalter magnetisch auslösen.

Frühzeitige Visualisierung kritischer Zustände

Hohe Flexibilität in der Projektierungsphase großer Anlagen sowie fortlaufende Optimierungen und Erweiterungen machen eine Leistungsreserve des Netzteils unumgänglich. Die Quint-Power-Stromversorgung liefert mit der Leistungsreserve Power Boost 45 A sowie eine einstellbare Ausgangsspannung von 18 bis 29,5 VDC. Bei Umgebungstemperaturen bis +40°C steht diese Reserve dauerhaft zur Verfügung, bei höheren Temperaturen für etwa zehn Minuten. Hohe Einschaltströme kapazitiver Lasten werden damit ohne Spannungseinbrüche abgefangen.

Um eine bestmögliche Anlagenverfügbarkeit zu erzielen, ist die präventive Funktionsüberwachung zur Ferndiagnose des Netzteils sinnvoll. Durch die permanente Überwachung von Ausgangsspannung und -strom werden kritische Situationen mittels LED, potenzialfreiem Relaiskontakt und aktivem Signalausgang visualisiert und der Steuerung gemeldet, bevor es zu Problemen kommt. Liefert die Stromversorgung mehr als den angegebenen Nennstrom, befindet sie sich im Power-Boost-Betrieb und arbeitet ebenso wie die angekoppelten Verbraucher bei einer Ausgangsspannung von 24 VDC normal. Tritt im Power-Boost-Betrieb eine weitere Lasterhöhung auf, würde die 24-V-Versorgung einbrechen. Mit der präventiven Signalisierung kann frühzeitig reagiert werden, bevor Fehler auftreten. Ist zum Beispiel ein schwergängiges Förderband lokalisiert, lässt es sich reparieren, ehe andere Verbraucher Spannungseinbrüche verzeichnen.

Kondensatoren verlängern die Lebensdauer

Eine geringe Eigenerwärmung erhöht die Lebensdauer der Stromversorgung. Entscheidend ist aber nicht nur ihr hoher Wirkungsgrad. Ebenso große Bedeutung kommt der Wahl der Kondensatoren sowie der Auslegung der Schaltung zu. In den Quint-Power-Geräten werden deshalb nur hochwertige Longlife-Kondensatoren verbaut. So beträgt die Lebensdauer des Eingangs-Elkos des neuen 40-A-Netzteils 160 000 Stunden bei 230 VAC und einer Umgebungstemperatur von +40°C. Die Bauteile sind zudem thermisch optimal im kühlen Luftstrom platziert, was die Lebensdauer zusätzlich verlängert.

Eine weitere Herausforderung stellt das speisende Netz selbst dar: Zum einen können einige Halbwellen ganz fehlen, zum anderen heftige Überspannungen eingekoppelt werden. Eine lange Netzausfallüberbrückung unter Volllast sorgt hier für die hohe Betriebssicherheit, wenn infolge schlechter Netzqualität oder bei Umschaltvorgängen des Energieversorgers die Eingangsspannung für Millisekunden ausfällt. Quint Power ermöglicht mit Ausfallüberbrückungszeiten von 20 ms stets eine stabile Ausgangsspannung.

Flexible Zuschaltung von Piezoventilen

Die in Kreuztal ansässige Achenbach Buschhütten GmbH ist Weltmarktführer für Aluminiumfolien- und Feinbandwalzwerke. Die Anlagen walzen Aluminiumbänder mit einer Geschwindigkeit von bis zu 2500 m/min auf eine Materialdicke von 0,006 mm. Dabei kommt der präzisen sowie schnell reagierenden Regelungstechnik für die Planheit der Folie eine entscheidende Bedeutung zu. Quint Power SFB 10 A und 5 A versorgen hier das Regelsystem, die Messrollen-Auswertung, die Endschalter und die analogen Signalgeber zuverlässig.

Ein Kühlsystem der Folienwalzen stellt die Planheit der Folie sicher. Über die gesamte Breite der Maschine sind Piezoventile verteilt, die innerhalb weniger Hundertstelsekunden gezielt Kühlmittel auf die entsprechende Stelle der Arbeitswalze geben. Die Ventile werden von fünf Quint-Power-20-A-Geräten versorgt. Da nicht vorhersehbar ist, wie viele Ventile zeitgleich eingeschaltet werden, erweist sich die statische Leistungsreserve Power Boost als entscheidender Vorteil.

DIE AUTORIN Dipl.-Ing. Anja Moldehn-Kleinesdar ist Mitarbeiterin bei Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont ( www.phoenixcontact.de )