E-T-A: DC 24 Volt Überstromschutz mit Berechnung

E-T-A: DC 24 Volt Überstromschutz mit Berechnung. Die 24-Volt-Ebene mit ihren unterschiedlichsten Lasten wirklich selektiv abzusichern ist oftmals ein schwieriges Unterfangen. Um Fehler schon bei der Planung zu vermeiden, müssen etliche Dinge von Anfang an mit berücksichtigt werden. Was genau, das erläutert Monika Hennessen, Geschäftsfeldmanager Automation bei der E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH in ihrem Fachbeitrag.

Speziell im Maschinenbau, bei Werkzeugmaschinen und verketteten Bearbeitungszentren in der Motorenproduktion ist es unerlässlich, dass auch bei einem Überstrom in einem Lastkreis die gesamte Maschine in einen sicheren Zustand gebracht werden kann. Um hier die optimale DC 24 V-Absicherungslösung zu finden, werden nacheinander die vier wichtigsten Parameter „Lasten, Stromversorgung, Verdrahtung und Absicherung“ gezielt durchleuchtet.

Parameter 1: Gesamtbelastung

Welche Leistung muss die Stromversorgung haben? Dazu berechnen wir den Gesamtstrombedarf und addieren die Nennströme aller angeschlossenen Lasten unter Berücksichtigung eventuell auftretender Gleichzeitigkeiten. Den typischen Stromverbrauch finden wir in den Datenblättern der einzelnen Geräte; das gleichzeitige Auftreten dieser Nennbelastungen ergibt sich aus der Funktion der Anlage. Diese Gegebenheiten sollten aus der Anlagenplanung oder den Referenzmessungen bekannt sein.

Parameter 2: Stromversorgung

Als Stromversorgung kommt häufig ein Schaltnetzteil zum Einsatz. Dieses sollte im Überlastbetrieb eine gewisse Reserve bereitstellen, z. B. sollte der verfügbare Strom bei Dauerlast ca. 20 % über dem tatsächlich benötigten bzw. berechneten Gesamtnennstrom aller Lasten liegen. Welchen Wert darf der theoretische Kurzschlussstrom maximal erreichen, ohne dass die Ausgangsspannung um mehr als 10 % unter den Nennwert von 24 V absinkt? Dieser Überlastfaktor liegt bei Schaltnetzteilen üblicherweise zwischen 110 und 150 % für Dauerbetrieb. Ein Schaltnetzteil mit 40 A Nennstrom und einem Überlastfaktor von 110 % könnte also 44 A im Dauerbetrieb liefern. Bei höheren Strömen – hervorgerufen durch Überlast oder Kurzschluss – regelt es seine Ausgangsspannung bis auf wenige Volt herunter.

Parameter 3: Verdrahtung

Im dritten Schritt betrachten wir die Verdrahtung von der Stromversorgung bis zur Verteilung mit Absicherung und dann den Weg vom Sicherungselement bis zur Last. Die Kabelquerschnitte von der Stromversorgung über die Verteilung bis zu den einzelnen Schutzschaltern sind oft ausreichend dimensioniert, so dass der gesamte Nennstrom möglichst ohne Spannungsverlust verteilt werden kann. Der Leitungswiderstand (bei Kupferleitung) ergibt sich hier als Produkt aus der Leitungslänge [m] (hin und zurück!) und dem spezifischen Widerstand von Kupfer (ρ= 0,0178 Ω), dividiert durch den Leitungsquerschnitt [mm2].

Beispiel: Eine 10 m-Leitung mit 6 mm2 Querschnitt hat einen Widerstand R1 von ca. 30 m Ω. Bei einem Laststrom von 30 A liegt der Spannungsverlust hier auch schon bei ca. 0,9 V. Zwischen dem Sicherungselement und der angeschlossenen Last finden wir oft eine dünnere und auch längere Leitung. Bspw. hat ein 50 m zweipoliges Kabel (also 100 m insgesamt) mit einem Querschnitt von 1,5 mm2 einen Widerstand R2 von ca. 1,2 Ω. Bei einem Lastnennstrom von 1 A ergibt das einen weiteren Spannungsverlust von 1,2 V. Statt 24 V stehen somit an unserer Beispiellast nur noch 21,9 V – also fast 10% weniger – zur Verfügung. Tritt nun an dieser Last ein Kurzschluss auf, so begrenzt die Leitungsdämpfung den Kurzschlussstrom auf ca. 19,5 A. Die Tatsache, dass das gewählte Schaltnetzteil im Power-Boost- Modus vielleicht dreimal so viel – nämlich 60 A – liefern kann, hilft hier auch nicht weiter. In diesem Fall wird der maximale Kurzschlussstrom durch den Leitungswiderstand begrenzt.

Parameter 4: Selektive Absicherung

Hier stehen üblicherweise thermisch-magnetische Schutzschalter oder ein elektronischer Überstromschutz zur Auswahl. Häufig werden wegen der einfacheren Lagerlogistik Leitungsschutzschalter mit einheitlichem Nennstrom verwendet, z. B. 6 A, 10 A, 16 A mit Kennlinie B oder C. Nehmen wir als Beispiel den B6-Automaten (6 A-Nennstrom und B-Kennlinie):

Für die magnetische, unverzögerte Auslösung bei DC benötigt dieser den 3 bis 7fachen Wert seines Nennstroms IN, also 18 A bis 42 A. Unter der Worst-Case-Bedingung ist also mit 42 A zu rechnen. Die Betrachtung der Leitungsquerschnitte (siehe Schritt 3) zeigt uns jedoch, dass nur max. 19,5 A fließen können. Zu wenig, um den B6-Automat magnetisch auszulösen. Das Gerät wird eher thermisch abschalten – also mit einer Verzögerung im Minutenbereich. In dieser Zeit wird das Netzteil durch den fließenden Kurzschlussstrom von 19,5 A nicht mehr nur mit ca. 30 A, sondern mit knapp 50 A belastet, aktiviert seine eigene Selbstschutzfunktion und regelt die Spannung herunter. Damit sind alle angeschlossenen Lasten ohne Versorgung und die Anlage steht!

Fazit: Der kostengünstige B6-Automat bietet im Fehlerfall keine Selektivität. Abhilfe würde hier die flinke A-Kennlinie mit magnetischer Auslösung beim 2 bis 5fachen Nennstrom bieten. Bei einem IN von 2 A liegt der Auslösewert bei diesen Automaten bei 4 A bis 10 A (in ca. 5 ms); dieser Strom kann auch durch unsere gewählte Leitung fließen. Zu berücksichtigen ist hier auch der bei kleineren Nennstromstärken höhere Innenwiderstand der Automaten, welcher den Strom noch zusätzlich begrenzt (hier immerhin 0,6 Ω).

Bei der Absicherung von elektronischen Automatisierungskomponenten fließt wegen der integrierten Kondensatoren im Eingangsfilter ein sehr hoher Einschaltstromimpuls, der den Auslösewert von 10 A der flinken Automaten schnell überschreitet. Die A-Automaten lösen also sogar schon beim Einschalten aus! Fazit: Die Anlage lässt sich nicht in Betrieb nehmen.

Die elektronische Lösung

Die beste Möglichkeit, einerseits eine selektive Abschaltung bei Überlast/ Kurzschluss zu gewährleisten und andererseits hohe Einschaltspitzen kapazitiver Lasten zu tolerieren, ist eine elektronische Lösung mit Strombegrenzung, wie sie z. B. der Schutzschalter ESS20 der Firma E-TA bietet. Er begrenzt den Kurzschlussstrom im Lastkreis auf den 1,8fachen Wert seines Nennstromes.

Der Typ ESS20 schützt damit Last und Leitung und verhindert eine Überlastung des Schaltnetzteils. Die Strombegrenzung wirkt auch beim Einschalten kapazitiver Lasten und verhindert somit Fehlauslösungen beim Anfahren der Anlage. Ein mechanischer Ein-/Aus-Schalter für Service und Inbetriebnahme sowie optische und elektrische Signalisierung für die Ferndiagnose gehören zur Grundausstattung. Das Gerät wird wie ein herkömmlicher Sicherungsautomat (plus zusätzlichem Masseanschluss) eingesetzt und bedient (Abb. 1).

Absicherung mit und ohne galvanische Trennung

Im Fehlerfall ist eine echte elektrische Trennung zwischen Last und Versorgung oft ein Muss, denn Maschinensteuerungen müssen Gefahr bringende Bewegungen ausschließen. Mit seinem integrierten thermischen Failsafe-Element bietet der elektronische Schutzschalter ESS20 (0,5 A bis 10 A) diese galvanische Trennung.

Schützen jedoch Sicherheits-SPSen oder zusätzliche Sicherheitsschaltgeräte gegen diese Gefahr, dann reicht mitunter als Überlast- und Kurzschlussschutz ein rein elektronischer Sicherungsautomat wie der Typ ESX10-T. Mit seinen festen Nennstromstärken von 0,5 A bis 12 A und seinem abgestimmten integrierten Failsafe-Element wird das Gerät ganz gezielt für den jeweiligen Nennstrom der Last und Leitungsquerschnitt der Verdrahtung ausgewählt.

Beide Absicherungskomponenten für 24 V DC – Anwendungen erfüllen die UL-Anforderungen und erhöhen damit Sicherheit und Zuverlässigkeit exportorientierter Maschinen, Steuerungen und Anlagen. Gemäß UL1077 ist der elektronische Schutzschalter ESS20 mit seiner integrierten galvanischen Trennung als „Electronic Supplementary Protector for Use in Electrical Equipment“ geeignet, der ESX10-T erfüllt als „Solid State Overcurrent Protector“ die UL2367.

Kontakt:

Monika Hennessen
E-T-A Elektrotechnische Apparate,
Altdorf
Tel.: 09187/10-574
Fax: 09187/933-988
monika.hennessen@e-t-a.de
www.e-t-a.com