Elektronischer Schutzschalter Wie sich Steuerstromkreise richtig absichern lassen

Steuerstromkreise richtig abzusichern ist ein wesentlicher Baustein der Betriebssicherheit. Was bei der Absicherung von 24V DC Stromkreisen zu beachten ist und wie elektronische Schutzschalter Überströme sicher beherrschen können.

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Produktionen werden immer stärker automatisiert. Mehr Steuerungen und Sensoren müssen in Maschinen und Anlagen mit Gleichspannung – in der Regel 24 V – versorgt werden. Die Komplexität der Produktionsanlagen steigt. Um Maschinenausfälle zu vermeiden, gehört die richtige Absicherung der Steuerstromkreise zu den wesentlichen Bausteinen der Betriebssicherheit. Die Auswahl einer ausreichend dimensionierten Stromversorgung und passender Schutzgeräte sollte daher bei der Anlagenplanung nicht vernachlässigt werden.

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Bei der Planung eines Steuerstromkreises ist ein wichtiger Aspekt, dass die heute in Steuerstromkreisen üblicherweise verwendeten Schaltnetzteile ihren Ausgangsstrom begrenzen und mit einem Selbstschutz gegen Überströme ausgestattet sind. Überschreitet der Strom den Nennwert, z. B. wegen einer Überlast oder eines Kurzschlusses, regelt das Schaltnetzteil die Ausgangsspannung ab. Damit fallen alle angeschlossenen Verbraucher aus, die Anlage steht.

Herausforderungen bei der Dimensionierung von Steuerstromkreisen

Um die Auswirkungen von Überlast- und Kurzschlussströmen zu begrenzen, werden einzelne Geräte oder Anlagenteile in der Regel mit Leitungsschutzschaltern abgesichert. Doch herkömmliche thermisch-magnetische Leitungsschutzschalter benötigen einen bis zu 15-fachen Strom, damit sie auslösen. Wird dieser hohe Abschaltstrom nicht erreicht, reagiert der Leitungsschutzschalter nicht und das Schaltnetzteil schaltet von sich aus ab. Da der thermisch-magnetische Leitungsschutzschalter ursprünglich für das AC-Netz konzipiert wurde, muss beim Einsatz in einem Gleichstromnetz ein Korrekturfaktor berücksichtigt werden: Die Grenzwerte für das Auslösen werden dazu mit dem Faktor 1,41 multipliziert.

Das bedeutet, ein Leitungsschutzschalter der Charakteristik B mit einem Nennstrom von 6 A reagiert laut Kennlinie im AC-Netz bei dem 3- bis 5-fachen des Nennstroms. Im DC-Netz, unter Berücksichtigung des Korrekturfaktors, würde der Schalter erst bei einem Strom von bis zu 42,3 A schalten. Das wiederum bedeutet, dass auch das Schaltnetzteil so ausgelegt sein muss, dass es mindestens diesen Strom aushält, ohne von sich aus die Spannung abzuschalten und so die gesamte Anlage zum Stillstand zu bringen.

Lange Leitungen beeinträchtigen Sicherheit

Je nach Anwendung können in Steuerstromkreisen die Leitungen sehr lang sein, z. B. wenn Sensoren in einer großen Anlage versorgt werden. Der Widerstand dieser Leitungen hat einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf das Abschaltverhalten: Denn der Auslösestrom wird durch eine hohe Leitungsimpedanz begrenzt, ein Fehlerfall könnte so vom Leitungsschutzschalter nicht erkannt werden. Die Folge: Die Sicherheit ist beeinträchtigt und Probleme mit Überhitzungskabeln können entstehen.

Auch das Startverhalten verlangt bei der Dimensionierung von Schaltnetzteil und Schutzeinrichtungen einen genaueren Blick. Denn bei verschiedenen Lasten unterscheidet es sich mitunter deutlich: Häufig fließt ein Vielfaches des Stroms. Hier darf weder das Schaltnetzteil noch das Schutzgerät abschalten, die Schutzschalter müssen entsprechenden Auslösecharakteristika ausgestattet sein.

Überlast mit elektronischem Schutzschalter im Griff

Der Einsatz von elektronischen Schutzschaltern in Kombination mit 24V DC Schaltnetzteilen bietet einen sicheren Schutz vor negativen Folgen von Überlast oder Kurzschlüssen. Dadurch, dass bei elektronischen Absicherungen die Abschaltung über ein Halbleiterelement erfolgt, sprechen sie wesentlich sensibler auf Veränderungen im Strom an. Durch das Zusammenspiel von Halbleiterelektronik und intelligenter Software können elektronische Schutzschalter genau zwischen Betriebsströmen, Anlaufströmen und Überströmen unterscheiden. Gleichzeitig ermöglicht die Elektronik eine schnelle Reaktion – Fehler werden erkannt und abgeschaltet.

Aktive Strombegrenzung integrieren

Die elektronische Plattform ermöglicht es auch, eine aktive Strombegrenzung in das Schutzorgan zu integrieren. Sobald dabei der Strom einen bestimmten Wert erreicht – bei Eatons elektronischem Schutzschalter PXS24 z. B. bei dem 1,3-fachen des Nennstroms – wird der Strom zurückgeregelt, begrenzt und in Verbindung einer definierten Zeit der Abschaltprozess ausgelöst. Das schont zusätzlich die Spannungsversorgung und hilft z. B. Verbindung mit kapazitiven Lasten, systembedingte Einschaltspitzen abzudämpfen und den Ladevorgang ohne Störung oder Ausfall der Maschine abzuwickeln.

Elektronische Absicherung macht längere Kabel möglich

Elektronische Schutzschalter bieten dadurch auch bei der Anlagenverdrahtung mehr Flexibilität, denn durch die Strombegrenzung und das sensiblere Ansprechverhalten erlauben sie deutlich längere Kabel. So beträgt die maximale Leitungslänge z. B. bei einer Kupferleitung mit 0,5 Quadratmillimetern Querschnitt für einen thermo-elektrischen Schutzschalter vom Typ DC-MCB mit der Charakteristik B bei einem Nennstrom von 4 A 16,8 m von Eaton. Bei der elektronischen Absicherung PXS24 kann die Leitung dagegen bis zu 64,6 m lang sein.

Wenn das Netzteil nicht überdimensioniert werden muss

Auch bei der Dimensionierung des Netzteiles bieten elektronische Schutzschalter Vorteile. Denn bei herkömmlichen Leitungsschutzschaltern muss das Netzteil so überdimensioniert werden, dass der Schalter im Kurzschlussfall ausgelöst werden kann. Dabei kann der Gesamtstrom, den das Schaltnetzteil zur Verfügung stellen können muss, schnell ein Vielfaches des im Normalbetrieb benötigten Stroms betragen. Um auch in diesem Fall eine funktionierende selektive Absicherung mit einem herkömmlichen Leitungsschutzschalter zu realisieren, müsste ein Schaltnetzteil eingeplant werden, das für den Normal-Betrieb deutlich überdimensioniert ist – mit entsprechenden Nachteilen bei den Kosten und dem Platzbedarf. Im Gegensatz dazu kann bei einem elektronischen Schutzschalter das Schaltnetzteil exakt auf die Applikation angepasst dimensioniert werden. Die Leistung der Spannungsquelle lässt sich zu 100 Prozent nutzten, ohne dass der Betrieb der Anlage beeinträchtigt oder gefährdet ist.

Mit elektronischem Schutzschalter sparen

Zudem lassen sich durch die Fähigkeit auch zu schalten Koppelrelais einsparen. Auch können bei einigen elektronischen Schutzschaltern Verbraucher direkt angeschlossen werden – das reduziert die Zahl an Potenzialverteilerklemmen. Damit kann die Größe des Steuerschrankes verringert werden. Push-in-Klemmen bzw. Stromschienen verkürzen darüber hinaus die Installationszeit. So lässt sich mit modernen elektronischen Absicherungen der Montageaufwand, der Bedarf an Geräten und Installationsmaterial, der Platzbedarf und die Zahl an Fehlerquellen erheblich reduzieren.

IoT in den Steuerstromkreis implementieren

Mit elektronischen Schutzschaltern in Steuerstromkreisen ist der Weg zum Internet der Dinge nicht mehr weit. Denn dank der integrierten Elektronik stehen alle Daten für weitere Anwendungen zur Verfügung. Die elektronischen Absicherungen sind mit Kommunikationsschnittstellen ausgestattet, über die Informationen oder Fehlermeldungen an übergeordnete Steuerungen gesendet werden können. Die Betriebszustände aller Stromkreise können permanent an die Steuerung der Anlage übermittelt werden und so für Condition Monitoring, Predictive Maintenance oder das Energiemanagement genutzt werden. Zugleich ist es möglich, nicht nur eine Summenfehlermeldung zu erstellen, sondern es kann für jeden Kanal eine eigene Fehlermeldung zur detaillierten Anlagenüberwachung und -visualisierung realisiert werden.

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