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Elektronischer Schutzschalter mit galvanischer Trennung

Zuverlässige Absicherung der 24-V(DC)-Ebene
Elektronischer Schutzschalter mit galvanischer Trennung

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Die Absicherung der 24-V(DC)-Steuerspannungskreise bedarf in der Chemie- und Prozessindustrie einer besonderen Aufmerksamkeit, da sie die Steuerungen sowie die Sensorik und Aktorik der Produktionsanlagen versorgen. Elektronische Sicherungsautomaten mit aktiver Strombegrenzung und galvanischer Trennung gewährleisten eine zuverlässige Spannungsversorgung dieser Komponenten.

Der zentrale Aufbau der Stromversorgung war in der Prozessindustrie über Jahrzehnte üblich. In den Schalträumen stand eine Vielzahl von Schaltschränken und die Versorgungskabel führten von dort ins Feld. Zuleitungen von über hundert Metern waren oftmals die Regel. Zur Stromversorgung dienten sehr häufig große Transformatoren. Dieser traditionelle Aufbau hat sich in den letzten Jahren immer mehr verändert. Die Transformatoren wurden gegen leichte und flexible Schaltnetzteile ausgetauscht und der Aufbau der Anlagen wurde immer modularer sowie dezentraler. Das hat natürlich Auswirkungen auf das Absicherungskonzept und die verwendeten Schutzschalter.

In den alten Konstruktionen fanden Leitungsschutzschalter Verwendung. Die klassischen thermisch-magnetischen Schutzschalter besitzen eine Auslösekennlinie. Diese zeigt das Verhalten des Schutzschalters im Überlast- oder Kurzschlussfall. Im Kurzschlussfall muss der Sicherungsautomat sehr schnell magnetisch abschalten. Je nach Kennlinie benötigt er dafür den bis zu 15-fachen Auslösestrom, bezogen auf den Nennstrom des Automaten. Bei einem Sicherungsautomaten mit einer C6-Kennlinie wären das bis zu 90 A. Alternativ dazu bietet sich auch ein Sicherungsautomat mit einer flinkeren Kennlinie an. Dieser löst durch seine flinke Kennlinie schneller als ein träger Schutzschalter aus. Das führt beim Einschalten von kapazitiven Lasten allerdings zu Problemen, da der Sicherungsautomat in diesem Fall durch den hohen Einschaltstrom bereits im normalen Betrieb abschalten würde. Somit befindet sich der Konstrukteur in einer Zwickmühle. Verwendet er den Schutzschalter mit der flinken Auslösekennlinie, löst der Schutzschalter möglicherweise bereits im normalen Betrieb aus. Verwendet er eine trägere Auslösekennlinie, benötigt er einen sehr hohen Auslösestrom. Diesen kann ein Schaltnetzteil in der Regel nicht zur Verfügung stellen.

Absicherung von Schaltnetzteilen

Der Nennstrom eines üblichen Schaltnetzteils liegt zwischen 10 und 40 A. Bei Überlastung des Geräts kann es kurzfristig den 1,5-fachen Nennstrom zur Verfügung stellen. Wird aufgrund einer Überlastung oder eines Kurzschlusses dieser Wert überschritten, schützt sich das Netzteil selber und regelt die Ausgangsspannung automatisch herunter. Betroffen sind davon alle an dem Netzteil angeschlossenen Lasten. Alle Verbraucher verlieren in diesem Fall ihre Stromversorgung und werden abgeschaltet. Gerade im Bereich der Prozessindustrie kann das zu beträchtlichen Auswirkungen führen. Daher ist es notwendig, die Folgen eines Kurzschlusses auf den betroffenen Verbraucher oder den entsprechenden Zweig zu beschränken. Elektronische Sicherungsautomaten leisten dort ihren Beitrag zu einer konstanten und zuverlässigen 24-V(DC)-Stromversorgung. Der Sicherungsautomat ESS30 aus dem Hause E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH ist ein Beispiel dafür. Das Gerät erfasst kontinuierlich den fließenden Laststrom. Kommt er durch einen Kurzschluss, begrenzt der Sicherungsautomat den fließenden Strom auf das 1,2-fache des Nennstroms des Schutzschalters. Bei der Verwendung eines 4 A-Gerätes fließen somit maximal 4,8 A. Dieses erfolgt durch die aktive Strombegrenzung, die automatisch den Strom begrenzt und dadurch die Überlastung des Schaltnetzteils verhindert. Der ESS30 verfügt neben der elektronischen Absicherung auch über ein galvanisch trennendes Element. Das bedeutet, dass der Power-Mosfet des Schutzschalters erst hochohmig wird und dadurch die Verbindung zur Last elektronisch trennt. Zusätzlich ist eine mechanische Schalteinheit in Reihe geschaltet. Kommt es zu einem Überstromereignis oder einem Kurzschluss, wird das integrierte Bi-Metall bestromt. Das führt zu dessen Erwärmung und zur galvanischen Trennung des Lastkreises. Die entstehende Luftstrecke verhindert gefährliche Rückspeisungen und garantiert eine sichere Abschaltung.

Lange Zuleitungen kein Problem

Die Produktionsanlagen in der Prozessindustrie haben häufig eine große Ausdehnung. Dieses führt zu langen Zuleitungen für die unterschiedlichen Verbraucher, wie z. B. Sensoren und Aktoren. Gleichzeitig verwendet man oftmals Zuleitungen mit einem kleinen Querschnitt. Die Kombination aus langen Zuleitungen und geringen Querschnitten hat einen negativen Einfluss auf den Innenwiderstand der Leitungen, den Spannungsabfall auf der Leitung sowie den maximal fließenden Strom. Der hohe Innenwiderstand der Leitung führt zu Spannungsabfällen auf der Zuleitung. Die können so hoch werden, dass die an der Last verfügbare Spannung für deren Betrieb der Verbraucher zu gering ist. Ähnliches gilt für den maximal durch die Zuleitung fließenden Strom. Der Strom kann so gering werden, dass das sicherere Auslösen von thermisch magnetischen Schutzschaltern im Überlast- oder Kurzschlussfall nicht mehr gewährleistet ist. Kommt es zu einem Kurzschluss auf einer Zuleitung, reicht der maximal mögliche Strom nicht aus, um den Schutzschalter auszulösen. Auch in diesem Fall ermöglicht der elektronische Sicherungsautomat die eindeutige Fehlerdeduktion und das Auslösen der Schutzfunktion im Fehlerfall. Kritische und undefinierte Anlagenzustände lassen sich dadurch vermeiden.

Flexibilität durch Modularität

Die Fertigungsanlagen in der Prozessindustrie haben einen sehr langen Zeithorizont. Sie sind oftmals mehrere Jahrzehnte in Betrieb und die Betreiber erweitern sie kontinuierlich bzw. passen sie an die sich ändernden Anforderungen an. Dadurch ist eine flexible und modulare Anlagenkonzeption vorteilhaft. Die modularen Stromverteilungssysteme der Firma E-T-A erfüllen diese Anforderungen. In Kombination mit den elektronischen Sicherungsautomaten lassen sie sich problemlos anpassen und erweitern. Das Modul 18plus besteht aus einem Einspeisemodul für 80 A. Daran reiht man die Anschlussmodule an, auf die wiederum die unterschiedlichen elektronischen Sicherungsautomaten aufgesteckt werden können. Die Fehlersignalisierung erfolgt über ein Signalmodul am Ende des Stromverteilungssystems. Das ermöglicht die Verbindung des Meldekontaktes mit dem Steuerungssystem der Anlage. Dadurch wird der Status der Sicherungsautomaten weitergeleitet und deren Auswertung ermöglicht. Die Steckbarkeit der Sicherungsautomaten erlaubt den schnellen Austausch der Geräte und die Anpassung an sich ändernde Anlagenkonfigurationen.

Durch ihre große Ausdehnung und den kontinuierlichen Betrieb haben die Fertigungsanlagen der Prozessindustrie besondere Herausforderungen. Die sich ändernden Anlagenkonzepte, weg vom zentralen hin zum dezentralen Aufbau, sorgen darüber hinaus für weitere Veränderungen in der Konstruktion und dem Aufbau der 24-V(DC)-Absicherung und Stromverteilung. Mit modularen und flexiblen Systemen wird man diesen Herausforderungen gerecht. Mit dem Modul 18plus können Anlagenbetreiber schnell und umfangreich auf sich ändernde Bedingungen reagieren. In Kombination mit den elektronischen Sicherungsautomaten sind alle Anwendungsbereiche abgedeckt. Diese gewährleisten ein sicheres Abschalten im Kurzschluss- und Überlastfall.

E-T-A Elektronische Apparate GmbH, Altdorf


Autor: Thomas Kramer

Business Development Manager Automation & Process Control,

E-T-A

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