Der Elektronische Sicherungsautomat schützt auch motorisch angetriebene Verbraucher und deren Regelelektroniken.

Der Elektronische Sicherungsautomat schützt auch motorisch angetriebene Verbraucher und deren Regelelektroniken.ETA

Für die Stromversorgung der DC-24-V-Steuerungs- und Feldebene kommen üblicherweise primär getaktete Schaltnetzteile mit Nennströmen von 10, 20 oder 40 A zum Einsatz. Die Automatisierungskomponenten wie SPS, Busmodule, Ventilbaugruppen, Sensoren und auch die Sicherheitsschaltgeräte werden in vielen Maschinen über elektronische Sicherungsautomaten wie den ESX10-T von ETA abgesichert. Im Gegensatz zur Absicherung mit normalen Leitungsschutzschaltern mit B- oder C-Charakteristik sorgt dieser dafür, dass bei Überlast oder Kurzschluss in einem Lastkreis die rückwirkungsfreie Selektivität der Stromkreise beibehalten wird. Die elektronischen Schutzschalter begrenzen den Kurzschlussstrom auf das 1,8-fache und schalten nach 100 ms die fehlerhaften Stromkreise ab. Die Steuerung erhält zusätzlich ein entsprechendes Meldesignal. Das ermöglicht es, den Fehler zielgerichtet zu beheben. Der zeitnahe Neuanlauf der Produktion wird unverzögert eingeleitet, denn die DC-24-V-Ausgangsspannung der Schaltnetzteile ist trotz Fehler im Lastkreis stabil geblieben.

Motoren schützen

Anlauf- und Regelverhalten des DC-Motors

Anlauf- und Regelverhalten des DC-MotorsETA

Wenn nun auch motorisch angetriebene Verbraucher und deren Regelelektroniken vor Überlastung geschützt werden müssen, muss der Elektrokonstrukteur neben den Nenndaten des Motors und seinem Einschalt- und Betriebsverhalten auch die Einbindung in das Gesamtsystem berücksichtigen. Dies lässt sich bei einem bürstenlosen Gleichstrom-Motor mit integrierter Regelelektronik – in diesem Beispiel ein Dunker-Motor Typ BG65x50Si – anschaulich darstellen. Dessen Oszillogramm mit Zeitbasis 100 ms/ Div zeigt das Anlauf- und Regelverhalten (siehe Bild 1).

Betriebsstrom des DC-Motors bei Belastung

Betriebsstrom des DC-Motors bei BelastungETA

Der Eingangs-Elko der Regelelektronik bewirkt normalerweise einen hohen Einschalt-Stromstoß (1), den die integrierte Strombegrenzung des elektronischen Schutzschalters limitiert. Die interne Regelelektronik des Motors wird gestartet (2), anschließend wird der Motorstrom auf seinen Drehzahl-Sollwert gebracht (3) und erreicht dann seinen Betriebsstrom (4), abhängig von der mechanischen Belastung des Motors. Die Kurve (5) zeigt zusätzlich den Verlauf der Motorspannung bei den verschiedenen Betriebszuständen. Der Motorstrom bei Belastung beträgt in diesem Fall rund 5 A (effektiv) und ist mit einem hohen Wechselanteil von 4 A (Spitze-Spitze) überlagert (siehe Bild 2, Zeitbasis 1 ms/Div).

Bei dieser Konfiguration ist neben einer berechenbaren und selektiven Auslegung des Überstromschutzes auch die Kenntnis des Einschalt- und Überlastverhaltens bei den vorliegenden Belastungszuständen wichtig. Es wurde hier ein elektronischer Sicherungsautomat mit 6 A Nennstrom ausgewählt, damit bei einer maximal zulässigen Last von etwa 5,6 A nicht abgeschaltet wird. Der Einschaltstrom wird auf rund 11 A begrenzt, dies entspricht dem typisch 1,8-fachen des Nennstromes. Ab dem 1,1-fachen des Nennstromes wird innerhalb von 3 s abgeschaltet. Dies schützt den Motor, die integrierte Regelelektronik sowie die Zuleitungen bei Überlastung.

Lüfter schützen

Zwei motorische Verbraucher an einem Schutzschalter

Zwei motorische Verbraucher an einem SchutzschalterETA

Eine weitere Anwendung ergibt sich bei der Absicherung von Diagonallüftern – hier ein Ebm Papst Typ DV4140N – im Zusammenspiel mit motorisch angetriebenen Schaltschrank-Klappen eines Maschinenmoduls. Die beiden unterschiedlichen Verbraucher werden wechselseitig betrieben (siehe Bild 3), sind aber gemeinsam über einen elektronischen Sicherungsautomaten abgesichert. Neben der theoretischen Berechnung des Gesamtsystems, bei dem neben der Auslastung des Schaltnetzteils auch die Leitungsdämpfung mit berücksichtigt wird, ist auch das messtechnische Erfassen der unterschiedlichen Betriebszustände beim Testlauf der Maschinen sinnvoll.

Die eingebaute Lüfter-Baugruppe eines Verpackungsmoduls ist normalerweise permanent in Betrieb, um in der Maschine für gleichbleibende klimatische Bedingungen zu sorgen. Der Betriebsstrom der Lüfterbaugruppe (1) ist auch bei diesem DC-Motor mit einem hohen Wechselanteil überlagert. Wenn die Schaltschrank-Klappe betätigt wird (2) und anschließend motorisch öffnet, werden sofort die Lüftermotoren dieses Maschinenmoduls abgeschaltet. Nach dem Schließen der Klappe werden die Lüfter sofort wieder zugeschaltet. Dieser Betriebszustand wird im Testlauf permanent wiederholt, um für die Funktionsfähigkeit einer häufigen Sequenz auch im laufenden Betrieb zu sorgen.

Kurzer Stopp erwünscht

Im Bereich Etikettiertechnik von Getränke-Abfüllanlagen kommen ebenfalls DC-Motoren zum Einsatz, welche die Beschriftungsetiketten über eine Vorrichtung zuführen. Bei Überlast oder beim Blockieren des Motors muss dieser relativ schnell abgeschaltet werden, da sonst der Seilzug für den Antrieb herausspringt. Denn es ist durchaus nicht ungewöhnlich, dass sich die Etiketten in der Zuführung verklemmen. Der Motor ist blockiert und der Schutzschalter trennt den Stromkreis. Der Maschinenbediener kann die verklemmten Etiketten zügig entfernen und die Maschine schnell wieder für den Neustart vorbereiten. Allerdings ist er nicht befugt, den Schaltschrank zu öffnen. Er muss einen Betriebselektriker oder Instandhalter hinzuziehen, der den ausgelösten Schutzschalter wieder einschalten darf. Damit offensichtliche Fehler nicht zu einem längeren Maschinenstillstand führen, kommen in solchen Anwendungen elektronische Schutzschalter vom Typ ESS20-124 zum Einsatz, die über einen elektronischen Reset-Eingang verfügen. Damit können Steuerstromkreise, welche die Elektrokonstruktion vorher festlegen, über einen Reset-Taster an der Maschine oder im Touchscreen des Bedientableaus schnell wieder flott gemacht werden. Denn Zeit ist Geld bei den hohen Taktraten der Verpackungsindustrie.