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Anschlusslösungen für Leistungselektronik Anforderungen an die Anschlusstechnik am Beispiel Frequenzumrichter

Autor / Redakteur: Peter Vianden und Horst Kalla* / Kristin Rinortner

Bei „Powermate Range“ handelt es sich um maßgeschneiderte Anschlusslösungen für Leistungselektronik, die den Design-In-Prozess optimal unterstützen. Das ganzheitliche Konzept garantiert neben einer großen Leistungsfähigkeit eine hohe Zuverlässigkeit, größtmögliche Gestaltungsfreiheit und ein applikationsgerechtes Design.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Leistungselektronik-Applikationen stellen einen dynamischen Markt mit wachsendem Potenzial dar. Bei der Produktentwicklung gilt es im komplexen Umfeld permanent höhere Anforderungen zu realisieren. Denn der Kunde erwartet die beste Lösung für seine Applikation. Der Wettbewerb drängt in angestammtes Terrain und verstärkt das Risiko der Austauschbarkeit. Technologischer Fortschritt erweitert das Lösungsspektrum. Dies erfordert gleichzeitig breitere Kenntnisse bei höherem Spezialisierungsgrad. Auch aktualisierte Normen schrauben die Forderungen hoch. Zudem ist mehr Sicherheit gefordert und der Gestaltungsspielraum muss erweitert werden.

Beim Realisieren einer hohen Packungsdichte oder Skalierbarkeit sind Anforderungen hinsichtlich EMV, thermisches Management, Normen und Zulassungen, Umgebungsbedingungen und Anwenderfreundlichkeit zu beachten.

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Kreativität und Erfahrung des Entwicklers sind gefordert, sobald prozessbedingte Faktoren hinzukommen. Dazu gehören neben Fertigungsaufwand, Komponentenqualität, Bauteileverfügbarkeit auch die Lebenszykluskosten (Bauteile-, Fertigungs-, Logistik- und Wartungskosten).

Jeder Bereich der Produktentwicklung und jedes Teil des Gerätes beeinflusst mehr oder weniger die gesamte Funktions-, Sicherheits-, Übertragungs- und Wertschöpfungskette. Neben den elektronischen Bauteilen ist die Anschlusstechnik ein weiterer Bereich, der besondere Aufmerksamkeit bei Design und Fertigung beansprucht. Der Bereich wird oft unterschätzt. Vermeidbare Folgen sind Kompromisse beim Design und höhere Kosten bei Fertigung und Montage. Die Anschlusstechnik hat starken Einfluss auf:

  • Anlagenverfügbarkeit: Nach einer Studie der TU München sind etwa 60% der Systemausfälle auf Fehler von elektrischen Verbindungen zurückzuführen.
  • Gerätedesign und -baugröße: Oft ist es die Anschlusstechnik, die bei fortschreitender Miniaturisierung der Baugruppen und Kompaktheit der Geräte den Gestaltungsspielraum der Entwickler und Designer begrenzt.
  • Gerätezulassung: Als Schnittstelle zur Peripherie gehören Leiterplattenverbinder zu den Hürden bei der Bewertung nach UL oder IEC.
  • Akzeptanz beim Endanwender: Allgemeine Bedienbarkeit, Handhabung und Gesamtdesign.
  • Kosten: Dazu zählen nicht nur die Hardwarekosten (mittlerweile entfallen bis zu 20% davon auf Leiterplattenklemmen und -steckverbinder) oder die Herstellkosten bei Verarbeitung und Montage. Besonders die Kosten für Inbetriebnahme und Wartung werden mittlerweile auch von Anlagenbetreibern kritisch betrachtet.

Der Markt fordert in zwischen, dass die Schnittstelle zum Anwender steckbar auszuführen ist. Die Anschlusstechnik ist bereits zu Beginn des Design-in-Prozesses einzubinden. Weidmüller stellt dem Entwickler mit „Powermate Range“ eine Leistungssteckverbinder-Serie zur Verfügung, die alle Anforderungen an Leistung und Design erfüllt.

Die Entwickler der „Powermate Range“ beachten die relevanten Steckverbinder-Normen sowie die gängigen Produktnormen, die der Entwickler für die Zulassung seiner Applikation erfüllen muss, wie z.B. die DIN EN 61800 oder die UL 508C. Diese integrative, ganzheitliche Betrachtung hat für den Entwickler den Vorteil, dass die Komponenten auch nach dem Einbau in die Applikation die im Datenblatt aufgeführten Werte einhalten.

Neben einer sehr guten Leistungsfähigkeit garantiert das Konzept eine hohe Zuverlässigkeit, größtmögliche Gestaltungsfreiheit und ein applikationsgerechtes Design.

Anwendungsmerkmale am Beispiel Frequenzumrichter

Aufbau und Leistungsklassen der Frequenzumrichter bestimmen im hohen Maß die einzusetzende Anschlusstechnik. Die verschiedenen Schnittstellen lassen sich prinzipiell auf vier Basis-Applikationen komprimieren:

  • Einspeisung: Leiter zu Leiterplatte mit fingersicherem Feldanschluss (Bild 1).
  • Baugruppenmontage: Leiterplatte zu Leiterplatte mit fingersicherer Buchsenleiste (Bild 2).
  • Motorabgang oder Bremse: Leiterplatte zu Leiter mit fingersicherem Leiterplattenanschluss (Bild 3).
  • Fliegende Verbindung: Leiter zu Leiter mit fingersicherer Buchsenseite (Bild 4).

Ein Bussteckverbinder ergänzt zukünftig die „Powermate Range“. Sein Stromverhältnis beträgt 57 A Busstrom zu 41 A Gerätestrom. Dadurch ist er gut geeignet, um die Leistung im Geräteverbund zu verteilen. Der Busstrom bietet eine Leistungsreserve von 40% für einen echten Energiebus.

Das System deckt mit vier Leistungsklassen, zwei Rastermaßen, zwei Anschlusstechniken und drei Abgangsrichtungen auf die Leiterplatte zahlreiche Applikationen ab. Die Leistung der„Powermate Range“ ist von 500 V/41 A bis 1000V/76 A skalierbar. Mit vier Leistungsbereichen steht für jede Applikation die passende Leistung zur Auswahl. Geräteserien mit mehreren Leistungsstufen können mit einem einheitlichen System ausgerüstet werden. Die Kosten sind „skalierbar“. Beim Ermitteln der jeweiligen Bemessungsströme wurde der Prüfaufbau in Übereinstimmung mit der tatsächlichen Praxissituation definiert und durchgeführt. Die Bemessungsströme realisierte man ohne die im Markt teilweise verwendeten Leiterschleifen. Der Grund: Leiterschleifen wirken aufgrund größerer Querschnitte bei Leistungssteckverbindern als Kühlkörper. Eine künstliche Reduzierung der Eigenerwärmung des Steckverbinders „ermöglicht“ dann einen höheren Bemessungsstrom. Auch wenn die Norm eine solche Auslegung zulässt, der Wert im Datenblatt gut aussieht, so sind Weidmüller-Ingenieure der Meinung, dass die Zuverlässigkeit und Anlagenverfügbarkeit immer Vorrang vor der Marketingwirksamkeit hat.

Zu den praxisnahen Bemessungsdaten garantieren auch die übrigen Produkteigenschaften eine bestimmungsgemäße Funktion über Jahrzehnte: Über den Zugbügel wird neben dem geringen Übergangswiderstand auch bei Temperaturschwankungen oder Vibrationen ein vollkommen wartungsfreier Betrieb über die gesamte Lebensdauer erreicht. Realisiert wird dies über das Prinzip der „Selbst-Arettierung“, bei der die beiden Gewindelaschen beim Anziehen der Schraube eine dauerhafte Konterwirkung verursachen.

Vier-Punkt-Tulpenkontakte mit Stahlüberfeder sorgen für gleich bleibend hohen Kontaktdruck. Versilberte Oberflächen für geringsten Spannungsfall und Temperaturerhöhung. Eine zusätzliche Befestigungsmöglichkeit in den Flanschen entlastet die Lötverbindungen und verhindert Ausfälle bei mechanischer Belastung. Das ist vorteilhaft beim Anschließen von Leitungen mit großem Querschnitt.

Fehlbedienungssicherheit und einfaches Handling

Die konsequent sicherheitsorientierte Konstruktion der „Powermate Range“ verhindert kritische Bedienungsfehler und minimiert das Risiko von Personen- oder Sachschäden: Das fehlstecksichere Steckgesicht verhindert sowohl polversetztes als auch gewendetes Stecken. Es ist unmöglich, z.B. zwei zweipolige Stecker in eine vierpolige Sockelleiste zu stecken – auch nicht kopfüber. Zusätzliche Kodierkanäle erlauben bereits bei zweipoligen Steckern sechs Kodiervarianten – üblich sind zwei. Das vermeidet ein Verwechseln gleichpoliger Stecker.

Invertierte Varianten ermöglichen eine fingersichere Ausführung des „heißen Endes“. Das gilt sowohl auf der Leiterplatte wie auch bei fliegenden Verbindungen.

Die Multifunktionsverriegelung zeigt den Verriegelungszustand optisch an. Sie stellt sicher, dass bei Vibration oder unbeabsichtigtem Zug die Verbindung auch wirklich hält.

Die Multifunktionsverriegelung punktet auch bei einfacher und schnellen Bedienbarkeit. Der gut sichtbare Rastmechanismus lässt sich per Hand, ohne Werkzeug, in einer Sekunde verrasten oder lösen. Eine zusätzliche Verschraubung ist optional möglich, aber bei Rastkräften, die über dem fünffachen Normwert liegen, nicht erforderlich.

Applikationsgerechtes Design und größtmögliche Gestaltungsfreiheit

Beim Design der Applikation muss der Entwickler viele Faktoren in Einklang bringen und umfangreiche Anforderungen erfüllen. Eine EMV-gerechte Anordnung kann beispielsweise das mühsam erreichte thermische Ergebnis zunichte machen. Die bei UL-Zulassungen geforderten Luft- und Kriechstrecken stehen in direktem Gegensatz zur kompakten Bauweise.

Die Bauteile sind als Teil einer Applikation so konstruiert, dass z.B. das Steckerteil auch im gesteckten Zustand im Ausschnitt eines metallischen Gehäuses oder direkt auf einem Kühlkörper keine Luft- und Kriechstreckenprobleme verursacht. Eine Komponente in Scheiben- oder Halbschalen-Bauweise könnte die Zulassung nach UL 508C erschweren, auch wenn eine Zulassung nach der UL1059 vorliegt.

Damit die Anschlusstechnik an die Erfordernisse der Applikation angepasst werden kann, steht die passende Variantensystematik zur Auswahl: Drei Abgangsrichtungen auf der Leiterplatte: 90/180/270° zu den Lötpins, drei Anschlusstechniken (Zugbügel, Zugfeder und Ringkabelschuh), vier Baugrößen und zwei Raster.

Darüber hinaus ermöglichen vier Konfigurationsvarianten jede Verbindung: Leiter-Leiter, Leiter-Leiterplatte (fingersicher auf der Leiterseite oder auf der Leiterplatte) sowie Leiterplatte-Leiterplatte.

Kostensenkende Verarbeitung

Bei den Komponenten lassen sich Bestückungsfehler durch den optionalen Verdrehschutz vermeiden: Ein LCP-Stift verhindert bei den senkrecht montierbaren Stiftleisten eine gewendete Bestückung. Der Stift ist hochtemperaturfest und kann mitgelötet werden. Der Zugfederanschluss gewährleistet einen schnellen Leiteranschluss. Die Schraube mit Plus/Minus-Kopf ermöglicht ein schnelles, maschinelles Schrauben. Die Suche nach der passenden Klinge entfällt. Die Multifunktionsverriegelung ist werkzeuglos bedienbar. Zusätzliche Befestigungsmöglichkeit in den Flanschen sorgen für eine Entlastung der Lötverbindungen.

Alle Komponenten lassen sich an spezielle Anforderungen anpassen. Von der Farbvariante und Bedruckung über besondere Kontaktoberflächen und Teilbestückung bis zur kundenspezifischen Entwicklung stehen alle Optionen zur Verfügung. Das gilt auch für die Anschlusstechnik im Bereich Steuerung-, Signal- oder Busverbindungen.

Deckt alle vier Basisapplikationen ab

Prinzipiell ist es gleich welches Gerät entwickelt werden soll – Entwickler finden im „Power-Bereich“ vier Basisapplikationen vor. Bei der Applikation Leiter/Leiterplatte wird für den Leiteranschluss, d.h. für „das heiße Ende“, die fingersichere Buchsenleiste vom Typ BVZ/BUZ eingesetzt – als Pendant auf der Leiterplatte die Stiftleiste Typ SV/SU. In der Applikation Leiterplatte/Leiterplatte kommen als Leiterplattenanschluss die Stiftleisten vom Typ SV/SU und auf der anderen Leiterplatte die fingersicheren Buchsenleisten Typ BVL/BUL zum Einsatz.

In der dritten Applikation Leiterplatte/Leiter verwendet man auf der Leiterplattenseite die fingersicheren Buchsenleisten vom Typ BVL/BUL. Den Leiteranschluss realisiert der Anwender mit den Stiftleisten vom Typ SVZ/SUZ. In der vierten Applikation – Leiter/Leiter – befinden sich am „kalten, spannungslosen Ende“ die Stiftleisten SVZ/SUZ und am „heißen, Spannung führenden Ende“ die fingersicheren Buchsenleisten BVZ/BUZ.

*Peter Vianden ist als Produktmanager bei Weidmüller in Detmold tätig. Horst Kalla arbeitet als Fachpressereferent beim Unternehmen.

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