Elektronische Sicherungen als Standard

Die Absicherung von DC-24-V-Applikationen

  • Die Stromverläufe je Absicherungstechnologie im Vergleich. Bild: ETADie Stromverläufe je Absicherungstechnologie im Vergleich. Bild: ETA
  • Die Stromverläufe je Absicherungstechnologie im Vergleich. Bild: ETA
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Die Steuerspannung DC 24 V hat sich bereits etabliert. Sie versorgt unter anderem Steuerungstechnik, Sensoren, Aktoren, Sicherheitstechnik und Antriebstechnik. Immer häufiger kommen zur Absicherung neben elektronischen Sicherungsautomaten auch intelligente busfähige Absicherungssysteme zum Einsatz.

Im Bereich DC 24 V sind heute überwiegend primär getaktete Schaltnetzteile für die Spannungsversorgung im Einsatz. Sie zeichnen sich durch Kompaktheit und hohe Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb aus. Allerdings können sie im Überlastbereich nur sehr begrenzte Leistungsreserven zur Verfügung stellen. Diese liegt häufig beim 1,5-fachen des Nennstroms. Auch wenn eine Überlast oder ein Kurzschluss dies theoretisch überschreiten würde, so schützt sich das Netzteil quasi selbst und fährt die Spannung am Ausgang entsprechend zurück. Wird nun an einem solchen Ausgang ein thermischer oder thermisch-magnetischer Schutz, zum Beispiel eine Schmelzsicherung oder Leitungsschutzschalter (LS) zur Absicherung betrieben, dann ist dieser allein technisch nicht in der Lage, schnell genug abzuschalten. Denn den Strom, den die Sicherungen brauchen, kann das Netzteil nicht liefern.
Hier hat sich der Einsatz von elektronischen Sicherungen als Standard durchgesetzt. Der speziell für diese Anwendungen entwickelte Überstromschutz ist exakt auf die Bedürfnisse der Schaltnetzteile abgestimmt. Einerseits sehr schnell bei Kurzschluss und andererseits etwas träge beim Einschalten stromintensiver Verbraucher.

Warum eine DC-24-V-Applikation absichern?

Stromkreise müssen gegen Überstrom geschützt werden. Im Abschnitt 7.2.4 für den Überstromschutz von Steuerstromkreisen der DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1) steht, dass diese Stromkreise durch Überstrom-Schutzeinrichtungen zu schützten sind. Wie genau wird nicht beschrieben. Die Norm DIN VDE 0100-530 „Errichten von Niederspannungsanlagen – Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Schalt- und Steuergeräte“ erklärt die Thematik schon etwas näher. Der Abschnitt 533 beschreibt die Überstrom-Schutzeinrichtungen, die verwendet werden dürfen. Explizit dabei genannt sind Leitungsschutzschalter und Schmelzsicherungen.

Elektronische Sicherungen sind grundsätzlich nicht beschrieben. Da jedoch viele elektronische Lösungen mit einer Schmelzsicherung als Fail-Safe-Schutz ausgestattet sind, spricht aus normativer Sicht nichts gegen deren Verwendung. Bei jeder applikationsbedingten Verringerung der Leitungsquerschnitte ist es notwendig, die „verjüngte“ Leitung durch den dafür passenden Schutzschalter mit geringerem Nennstrom gegen die Folgen von Kurzschluss und Überlast zu schützen.
Für den nordamerikanischen Markt werden die Schaltschränke nach der Norm UL508A (Standard for Safety – Industrial Control Panels) gebaut. Dort sind die Anforderungen an Komponenten im Anhang zusammengefasst. Neben den Standards UL1077 (Supplementary Protectors) und UL508 (Industrial Control Equipment) ist auch der NEC Class2 Standard UL1310 (Class2 Power Units) für Überstromschutzgeräte für den Steuerspannungsbereich DC 24 V anwendbar. Priorität hat hier die Vermeidung von Überhitzung und Bränden. 

Technologien für verschiedene Applikationen

Die Zeit-Strom-Kennlinie ohne aktive lineare Strombegrenzung ist die Technologie, mit der ein großer Marktanteil der elektronischen DC-24 V-Sicherungsautomaten ausgestattet ist. Sie zeichnet sich durch ihre Kosteneffizienz aus und bietet zudem effektiven selektiven Überstromschutz für viele DC-24 V-Anwendungen.
Der Fehlerstrom wird bei Kurzschluss, ähnlich wie bei thermisch-magnetischen Schutzschaltern, nahezu ungebremst zugelassen. Genau deshalb müssen Geräte, die mit dieser Technologie ausgestattet sind, den Strom im Fehlerfall schnell abschalten, um eine Überlastung der Schaltnetzteile generell auszuschließen. Ein sehr schneller Abgleich von Strom und Spannung ermöglicht die Selektivität auch bei stromintensiven Verbrauchern. Damit erreicht man wiederrum auch Einschaltkapazitäten von bis zu 20.000 µF. Vergleichen wir nun die ebenfalls im Markt gängigen Charakteristiken von Leitungsschutzschaltern mit der Technologie, bildet diese sehr häufig eine B bis C Kennlinie ab. Lasten, wie zum Beispiel Steuerungstechnik, Displays, Magnetventile sowie Sensoren und Aktoren, lassen sich ohne Einschränkung absichern.
Eine weitere Option bieten elektronische Sicherungsautomaten mit aktiver linearer Strombegrenzung. Bei dieser Lösung wird der Ausgangsstrom beim Einschalten oder während einer Auslösung aktiv linear begrenzt. Die Begrenzung bewirkt im Kurzschlussfall, dass sich der maximale Strom (I) auf einen definierten Wert des Nennstroms für eine Zeit (t) einstellt. Da der Strom quadratisch in die Berechnung für die Durchlassenergie einfließt, spricht man auch von sogenannten „I²t-Limitern“. Diese Begrenzung macht eine effektive Absicherung auch von Schaltnetzteilen mit geringeren Stromreserven sowie langen Leitungslängen mit geringen Querschnitten möglich. Um leistungsstarke Verbraucher mühelos einschalten zu können, wird der limitierte Strom für einen längeren Zeitraum zur Verfügung gestellt, ohne dass sich dies auf das Schaltnetzteil in Form von Überlastung auswirkt. Die mit C bis D Charakteristik vergleichbare Technologie bietet damit die Lösung für die Absicherung von Antriebstechnik, FU-Steuerungstechnik, Schrittmotoren und auch sensiblen Relaiskontakten im Bereich „Safety“.

Modularer Lösungsansatz: Rex-System

Das Rex-System elektronischer Überstromschutz kombiniert Flexibilität und Kompaktheit – egal ob ein- oder zweikanalig, konventionell oder kommunikativ und dabei mit IO-Link, Modbus-RTU, Ethercat oder Profinet. Rex, das bedeutet eine platzsparende und zuverlässige Absicherung maßgeschneidert für nahezu alle DC-24 V-Applikationen. Die Geräte Rex12 (Strom-Zeit-Kennlinie) oder Rex22 (aktive lineare Strombegrenzung) sorgen für einen stabilen Betrieb von Schaltnetzteilen, eine einfache Fehlersuche sowie eine hohe Maschinenverfügbarkeit. Gleichzeitig bedarf es zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Module keines weiteren Zubehörs für die Verbindung der Komponenten.
Das Rex-System erfüllt damit die technischen und wirtschaftlichen Bedürfnisse des Maschinen- und Anlagenbaus. Die Sicherungsautomaten Rex12 sind in allen gängigen festen und variablen Nennstromstärken von 1 A bis 10 A erhältlich. Die Rex22-Sicherungsautomaten sind in den fixen Nennstromstärken 12 A, 16 A und 20 A sowie in variablen Nennstromstärken von 1 A bis 20 A mittels Schiebeschalter einstellbar wählbar. Dabei erlauben die Produkte mit fester Nennstromstärke einen normenkonformen Leitungsschutz nach EN60204-1 – selbst bei kleinen Leitungsquerschnitten. Dagegen hilft die einstellbare Variante den Lagerbestand signifikant zu reduzieren.

Wie unterstützen intelligente Systeme Industrie 4.0?

Im Maschinen- und Anlagenbau steigen die Anforderungen an die Qualität der Produkte und die Stabilität des Fertigungsprozesses stetig. Der ControlPlex-Controller CPC12 ermöglicht einen schnellen Überblick über das DC-24 V-Gesamtsystem. Er übermittelt zahlreiche Diagnoseinformationen an die übergeordnete Steuerungsebene. Dazu zählen Eingangsspannung, Lastspannung, Laststrom, Summenstrom und Grenzwerte. Einstellbar über die Controller sind zum Beispiel der Nennstrom, Warngrenzen sowie die sequenzielle Einschaltung der Sicherungen.
Alle Parameter, die Einstellmöglichkeit, Remote-Funktionen, eine erhöhte Transparenz sowie eine schnellere Reaktion auf Unregelmäßigkeiten in der DC-24 V-Anwendung steigern die Wirtschaftlichkeit jeder Maschine und Anlage. Die Durchgängigkeit der Systeme spielt dabei ebenso eine besondere Rolle. Neben den Feldbusschnittstellen Profinet und Ethercat verfügen die kommunikativen Module über eine weitere Ethernet- Schnittstelle.
Ein direkter Zugriff auf den integrierten Webserver des Gerätes ermöglicht einen schnellen Überblick über das Gesamtsystem auch ohne Integration in die übergeordnete Steuerung. Der Webserver ist direkt über die IP-Adresse oder mittels JSON Format erreich- und abrufbar.

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