Einsatz von Schaltnetzteilen
Lütze über DC Stromversorgungen und geeignete Leitungsschutzmaßnahmen auf der Sekundärseite Autor: Ralf Coors, Leitung Produktmanagement Control Friedrich Lütze GmbH
Schaltnetzteile und deren Eigenschaften
Gewichtsbestimmend in Trafo-basierenden Netzteilen ist der Trafo selbst mit seinem Ferrit oder Eisenkern und der Nominalbetrieb an 50/60 Hz Netzen. Eine extreme Gewichtsreduzierung kann über die Erhöhung der Frequenz erreicht werden. Beispielsweise könnte der Eisenkern bei einem 400 W Trafo von mehr als 2 kg auf unter 100 Gramm reduziert werden, wenn die Frequenz auf 125 Hz erhöht würde. Diese Technik wird bei Schaltnetzteilen umgesetzt und grundsätzlich bei allen Typen nach dem gleichen Prinzip realisiert. Mittels eines Schaltgliedes werden Energiepakete mit einer hohen Taktfrequenz aus der Primärseite entnommen. Das Taktverhältnis der Frequenz, die zwischen 20 und 300 kHz liegen kann, bestimmt den Energiefluss. Auf der Sekundärseite erfolgt wie auch bei Trafonetzteilen eine Glättung des diskontinuierlichen Energieflusses. Durch die angewandte Technik und die richtige Wahl der Bauelemente werden die sehr hohen Wirkungsgrade erzielt. Im Vergleich zu Trafonetzteilen haben Schaltnetzteile daher bemerkenswerte Vorteile. Zum einen arbeiten die Geräte theoretisch verlustlos und erreichen Wirkungsgrade bis zu 96% und zum anderen bieten sie große Eingangs-/Ausgangsspannungsbereiche, gute Regeldynamiken, PFC Implementierung, allphasigen Betrieb in einem Gerät oder auch Programmier- und fernsteuerbares Powermanagement um nur einige Punkte zu nennen.
Kompakte und modulare Stromversorgungen
Lütze bietet ein komplettes System, bestehen aus hocheffizienten Schaltnetzteilen als Einzelgerät oder im modularen Aufbau mit Feldbusanschaltung an die gebräuchlichsten Kommunikationssysteme.
Die Basis bilden die zwei Schaltnetzteilserien Compact und LCOS-PS. Beide Serien sind äußerst kompakt und gehören zu den am kleinsten bauenden im Markt. Das 2.400 W Gerät aus der Compact Serie und das 120 W LCOS-PS sind dabei in Baugröße und Ausstattung einzigartig. Abgedeckt werden die Leistungsbereiche von 30 W bis 960 W mit einer Effektivität bis zu 94%. Momentan sind die 240 W und 480 W mit einem allphasigen Eingang ausgestattet was mit den Zulassungen einen weltweiten Einsatz an allen Netzen mit nur einem Gerätetyp möglich macht. Das Überlastverhalten ist je nach Gerät fest eingestellt oder über Schalter auswählbar. Angeboten wird das Verhalten »Konstantstrom« oder »Hicc-Up plus« mit einem Power Boost von 150% IN über 5(3) Sekunden. Mit diesen technischen Eckdaten können mühelos induktive und kapazitive Lasten ohne Probleme angefahren werden oder auch Batterien geladen werden. Alle Compact Geräte sind Einzelgeräte und werden in herkömmlicher Weise über steckbare Klemmen angeschlossen. Die LCOS Geräte sind neben dem Einsatz als Einzelgerät auch im modularen Betrieb einsetzbar und können ohne zusätzliche Verdrahtung direkt einen Energiebus versorgen. Neben dieser Eigenschaft kann der Leistungsausgang geschaltet, oder das Gerät über einen Feldbuskoppler in ein industrielles Kommunikationssystem eingebunden werden.
Neben den vielen Vorteilen gibt es aber doch auch Nachteile gegenüber Trafonetzteilen. Im Zusammenhang mit einem sekundären Leitungsschutz ist das die geringe Überlastfähigkeit der Geräte. Selbst eine integrierte Überlastfähigkeit von 150% über einige Sekunden, mit der man zwar induktive und kapazitive Lasten schalten kann, ist nicht ausreichend um herkömmliche Leitungsschutzautomaten immer sicher zu schalten, auch wenn man hier und da was anderes liest.
Betriebsverhalten Primärschaltregler
Schaltnetzteile sind mit ihren Bauteilen auf eine bestimmte Nennleistung dimensioniert und besitzen interne Mechanismen um sich vor einer Überlastung zu schützen. Prinzipiell werden bei Lütze folgende Mechanismen genutzt : Konstantstrom Konstantstrom mit Power Boost Hicc-Up Hicc-Up mit Power Boost Bei Konstantstromverhalten wird im Falle einer Überlast der Strom konstant gehalten und die Spannung verringert. Ist ein Power Boost vorhanden, schaltet der Strom bei Kurzschluss am Ausgang kurzzeitig zwischen Überlast- und Kurzschlussstrom.
Im Standard Hicc-Up Modus schaltet die Stromversorgung bei Überlast- oder Kurzschluss ab und macht periodische Startversuche bis der Fehler behoben ist.
Der Hicc-Up /Power Boost Modus unterscheidet sich zum herkömmlichen dadurch, dass bei Eintreten einer Überlast oder Kurzschluss das Abschalten um einige Sekunden verzögert wird. In diesem Zeitraum liefert das Gerät z.B. bei Lütze, den 1,5-fachen Wert des Nennstromes. Danach wechselt das Gerät in den normalen Hicc-Up Modus.
Laut einiger Hersteller reicht dieser Power Boost um standardmäßige Leitungsschutzautomaten sicher auszulösen. Das ist aber nur bedingt richtig und hängt von einigen Faktoren ab.
Charakteristik von Leitungsschutzautomaten
Lange Zeit wurden in Verbindung mit Schaltnetzteilen zum Leitungsschutz die Standard Leitungsschutzschalter oder im besseren Fall die auf DC Betrieb ausgelegten Schutzschalter eingesetzt. Bei Einsatz der Standard Leitungsschutzschalter wie z.B. Typ B muss man beachten, dass sich die Kennlinien um ca. 20% verschieben, also die Auslösezeiten um 20% höher sind. Grundsätzlich gilt, dass alle in der Charakteristik definierten Werte bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C gelten. Im Bild sehen Sie die Auslösefaktoren und die unterschiedlichen Charakteristiken der Standard Leitungsschutzautomaten. Wie man unschwer erkennen kann, haben solche Geräte ein sehr großes Toleranzfeld, was bei der Dimensionierung der Anlage mit berücksichtigt werden muss.
Folgendes Beispiel zeigt, dass der Einsatz herkömmlicher Automaten im Zusammenspiel mit einem Schaltnetzteil kritisch sein kann:
Schaltnetzteil DC 10 A; Überlastverhalten : Hicc-Up mit doppelten Nennstrom, 2 Sekunden
Schaltnetzteil ist mit 7 A ausgelastet; Last ist mit einem Automaten 10 A, Typ B abgesichert
Überlast : Der Strom beträgt z.B. 10 A
Abschaltzeit B10 (ohne Berücksichtigung der 20% Mehrzeit) : keine Auslösung
Der Automat löst nicht aus, da gerade der Nominalstrom erreicht ist. Der nächst kleinere Wert im Automatenbereich ist 6 A und daher nicht geeignet.
Kurzschluss : Das Schaltnetzteil liefert DC 20 A über 2 Sekunden
Abschaltzeit B10 (ohne Berücksichtigung der 20% Mehrzeit) : keine Auslösung !
Der Automat benötigt zum Ausschalten im Minimalfall 30 A und maximal 50 A. Bevor der Automat ansprechen kann, schaltet das Schaltnetzteil aus und die Applikation kann nicht in einen definierten Zustand gebracht werden. Es kommt zum Totalausfall.
Auch wenn das Schaltnetzteil mit 10 A belastet werden würde, so würde bei einer 20%igen Überlast (sofern das Gerät nicht schon in den Überlast Modus schaltet) eine Ausschaltzeit von ca. 1 Std benötigen, was Anschlussklemmen und Leitungen extrem belasten und altern würde. Im Falle eines Kurzschlusses erfolgt wieder kein Ausschalten, da der Automat zwischen 5 und 10 Sekunden benötigt und das Schaltnetzteil nach 2 Sekunden abschaltet.
Vielleicht ist der Fall einer einzigen Absicherung für alle angeschlossenen Lasten nicht der Regelfall sondern eher der Aufbau einer Parallel Selektivität. Selektive Lastabsicherung bedeutet, dass bei Überlast oder Kurzschluss, ohne Rückwirkung auf die Versorgung, ausschließlich der fehlerhafte Strompfad abgeschaltet wird. Zur Auslegung der Überstromschutzeinrichtung in DC 24 V Kreisen sind auch die Normen EN 60204-1 (Leitungs- und Brandschutz) sowie die EN 61131-1 und -2 (Betriebszustände und Speicherung) anzuwenden. Konkret bedeutet das, einen Netzausfall von 10 ms ohne Funktionseinschränkung zu verkraften, was den Einsatz von großen Eingangskapazitäten verlangt. Im weiteren müssen Gefahr bringende Überströme innerhalb von 5 s auf ein ungefährliches Niveau reduziert werden.
Selbst bei diesem Aufbau ändert sich aber nichts an der vorhandenen Problematik. Auch dort kommt es entweder zu sehr langen Abschaltzeiten oder keinem Ansprechen der Schutzeinheit. Eine Lösung kann nur über entsprechende Elektronik erreicht werden, die über geeignete Technologien, nicht nur das Problem des sicheren Abschalten übernehmen, sondern viele weitere Möglichkeiten, bis hin zum Einsatz im Bereich Industrie 4.0 leisten kann.
Elektronische Lastüberwachung – Die kompetente Lösung
Mit mehreren Patenten versehen, bietet das Unternehmen F.Lütze GmbH die kompetenten Technologien im LOCC-Box oder LCOS CC Sytem, die es einerseits möglich machen kapazitive Lasten optimal zu versorgen um schwere Lasten starten zu können und andererseits im Betrieb einen Überstrom oder Kurzschluss schnell erkennen und nur den betroffenen Pfad abschalten. Dabei wird natürlich sichergestellt, dass das System das Auslösen speichert und damit die Gefahr durch erneutes Einschalten verhindert. Zu Diagnosezwecken besitzen alle Geräte einen »DESINA« konformen Störmeldeausgang sowie eine visuelle Anzeige/Schaltausgang bei einer 90%igen Auslastung bezogen auf den eingestellten Bemessungsstrom.
Einzigartig bei der Lütze Technologie ist die analoge Nachbildung der thermischen und magnetischen Kennlinie von herkömmlichen Automaten. Der Unterschied liegt in den Ansprechzeiten und im Ansprechverhalten bei Kurzschluss. Benötigt ein Automat Typ B bei 1,2fachen Nennstrom etwa 1 h, so schalten die Lütze Geräte nach 10 Sekunden ab im Kurzschlussfall nach ca. 5 ms. Über die interne Software wird es jetzt auch möglich über Schalter Nennströme bis DC 10 A und alle Kennlinien Typen wie Z,B,C,K.. einstellbar zu machen. Damit wird eine 100%ige Deckung aller Anforderungen im Nennstrombereich bis DC 10 A erreicht und Änderungen die bei Nachrüstungen oder Anpassungen in der Anlage zwingend auftreten, können ohne Änderung der Geräte stattfinden.
Herkömmlicher und modularer Aufbau von Stromversorgung und Leitungsschutz
Das Bild zeigt den Aufbau mit der Compact Serie in der herkömmlichen Weise. Über die Ausgangsklemme am Netzteil werden die DC 24 V über eine oder mehrere sogenannte Einspeiseklemmen dem elektronische Lastüberwachungssystem LOCC-Box zugeführt. Die Energieversorgung erfolgt über eine eingelegte 3x10 mm Cu-Schiene mit einer Stromtragfähigkeit von 170 A. Über den gesicherten Ausgang an der LOCC-Box erfolgt die Verbindung zur angeschlossenen Last oder auch mehreren Lasten. Der Rückleiter wird über N-Sammelklemmen realisiert. Dieser Aufbau ist prinzipiell identisch zum Aufbau mit herkömmlichen Automaten, es gibt aber die Vorteile, das über einen Trennschlitten einzelne Kreise auf einfache Weise in eine Reparaturstellung gebracht werden können oder auch Hin- und Rückführung in gleichen Gehäusesystem an der gleichen Schaltschrankposition durchgeführt werden können. Maßgebend ist aber der geringe Platzbedarf. 10 Sicherungskreise benötigen bei maximaler Stromversorgung einen Platz von 139 mm. Im Vergleich dazu benötigen die gleiche Anzahl von Automaten ohne Fehlermeldung und Rückführungsklemmen schon 175 mm. Selbst durch das Hinzufügen eines Feldbuskoppler z.B. Profinet oder Ethercat liegt der Platzbedarf von 162 mm immer noch unter der Automatenbreite.
Der Nachteil eines solchen Aufbaus liegt darin, dass im Service Fall Teile des Kreises außer Betrieb sind, Leitungs De-und Installationsarbeiten stattfinden müssen und der Anschluss von Hin- und Rückleiter der Lasten an unterschiedlichen Geräten stattfindet. Insbesondere bei Einsatz von CAE Systemen würde der letzte Punkt die Konstruktion und Übersichtlichkeit sehr verbessern.
Die LÜTZE LCOS Power Supply Geräte und das Lastüberwachungssystem LCOS CC verfolgen einen anderen Weg. Neben dem allgemeinen Einsatz als Einzelgerät der im Prinzip dem oben beschriebenen entspricht, können diese Geräte auch in einem modularen System eingesetzt werden.
Basis des LCOS System ist ein Trägersystem, auf dem die unterschiedlichsten Funktionen gesteckt und verbunden werden. Herzstück der Träger sind ein integrierter Daten- und Energiebus. Der Energiebus kann im DC Bereich jeweils für Hin- und Rückleiter mit 32 A versorgt werden, wobei die Verbindung von Modul zu Modul über Power Brücker erfolgt. Durch zusätzlich Einspeisungen können mehr Leistung oder ein Potenzialwechsel durchgeführt werden. Im AC Bereich gelten für einphasige System die gleichen Werte, bei dreiphasigen ist eine maximale Stromtragfähigkeit der einzelnen Phasen von 16 A definiert. Wie im LOCC-Box System erfolgt die Kommunikation intern über einen Systembus und die gewünschte Verbindung zu einem Feldbussystem über Feldbuskoppler.
Der Aufbau erfolgt durch einfaches Aufstecken des/der benötigten Stromversorgungen an einen beliebigen Platz. Die Stromversorgung des Systems erfolgt direkt über das Netzteil auf den Energiebus. Die Montage der LCOS-CC Geräte erfolgt in der gleichen Weise, wobei die Geräte jetzt aus dem Energiebus versorgt werden. Der geschützte Ausgang ist an den Geräten doppelt und steckbar ausgeführt und beinhaltet im Gegensatz zu den LOCC-Box Geräte auch das N-Potenzial. Dadurch können jetzt zwei Verbraucher pro Kanal direkt angeschlossen werden. Die stehende Verdrahtung und die steckbaren Funktionsbaugruppen ermöglichen wesentlich geringere Installationszeiten insbesondere im Service Fall. Hinzukommt die Möglichkeit des Einsatzes vorkonfektionierter Leitungen, das ebenfalls zu einer Kostenreduzierung beitragen kann.
Der Unterschied liegt ausschließlich in der Ausführung der LCOS CC Funktionsbaugruppe. Zum Einsatz kommt ein Gerät, das den geschützten Ausgang nicht über eine steckbare Klemme nach außen führt sondern auch in den Energiebus einspeist. Alle neben der LCOS Baugruppe gesteckten Baugruppen sind jetzt über die CC Baugruppe abgesichert. Eine Verdrahtung der geschützten Baugruppen entfällt hier komplett.
Fazit
Der Einsatz von Schaltnetzteilen hat nicht nur die herkömmlichen Trafonetzteile ersetzt, sondern wird auch die bisherigen Schutzgeräte wie Feinsicherungen und Leitungsschutzautomaten auf Dauer ersetzen. Diesen Vorgang kann man schon seit einigen Jahren auf der Sekundärseite beobachten und wird sich mit Fortschritt der Leistungselektronik in der Zukunft auch auf der Primärseite durchsetzen. Es spielen hierbei aber nicht nur die Schaltnetzteile durch deren Eigenarten eine Rolle, sondern auch die fortschreitende Automatisierung in Richtung 4.0 die Zugriffe bis in die letzte Zelle der Applikation erlaubt. Lütze bietet heute schon ein durchgängiges Programm an modernen Stromversorgungen und elektronischen Lastüberwachungen die in der intelligenten Version unter Industrie 4.0 betrieben werden können. www.luetze.at