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Immer mehr Antriebe werden mit 48 V gespeist (Bild: Krones, ETA)

| von Erich Fischer

Auf die Schnelle

Das Wesentliche in 20 Sek.

  • Einsatz von DC 48 V nimmt in der Servotechnik stetig zu
  • Überlastsicherung verlangt besondere Sicherungs-automaten
  • Kennlinie berücksichtigt geringere Kurzschlussströme
  • Eine Baureihe für alle Klein-spannungs-Level bis DC 60 V

Der Spannungsabfall auf langen Übertragungsleitungen ist der Grund, warum schon vor Jahrzehnten für die Vermittlungstechnik in Telekommunikationsanlagen DC 48 V als Spannungsebene gewählt wurde, genau genommen -DC 48 V, weil hier aus historischen Gründen der Pluspol mit Erdpotenzial verbunden ist. Der Leitungswiderstand von der Vermittlungsstelle zum Teilnehmer war auf maximal 1 000 Ohm begrenzt. Das Mikrofon im Fernmeldeapparat des Teilnehmers musste auch bei langen Leitungen gespeist werden. Je höher die Systemspannung, desto größer konnte der Widerstand der Leitung sein. Ansonsten wäre die Sprachübertragung durch die Leitungsdämpfung zu leise geworden. Soweit zur Historie.

In der Gegenwart bietet die DC-48-V-Bordnetztechnologie im Automotive-Bereich eine gute Möglichkeit, den CO2-Ausstoß zu reduzieren, insbesondere von Oberklasse-Fahrzeugen.

Die 48-V-Systeme sind in der Lage, den hohen Energiebedarf moderner Autos zu decken und ermöglichen den Betrieb eines kostengünstigen Hybridsystems. Gleichzeitig erlaubt das Spannungsniveau, höhere Leistungen mit niedrigeren Strömen zu übertragen. Dies vermindert im Vergleich zum DC-12-V-Netz die Leitungsverluste und die Höhe der Lastströme.

Genau dies macht sich auch der Maschinen- und Anlagenbau verstärkt zu Nutze. Aktuell entstehen immer mehr spezielle DC-48-V-Stromkreise – parallel zur regulären DC-24-V-Steuerspannung. Dadurch halbieren sich bei Motoren die Lastströme bei gleicher Leistung. Es bleibt nur der halbe Spannungsfall auf der Leitung.

Zielanwendung Gleichstrommotoren und Servos

Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren zeichnen sich durch ihre einfache Steuerung ihrer Drehzahl und ihres Drehmoments aus. Zusammen mit Getriebe, Bremse und Istwert-Geber bilden sie ein flexibles System für Anwendungen in der Robotik, Intralogistik und in fahrerlosen Transportsysteme (AGV). Dabei ist es möglich, die hohen Drehzahlen dieser Motoren auch sensorlos zu regeln.

Größtes Manko der DC-Motoren sind jedoch Verschleiß und Abrieb der Kohlebürsten. Deshalb kommen im Maschinenbau häufig bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC/EC-Motoren) zum Einsatz. Diese sind dank ihrer Bauweise verschleißarm, wartungsfrei und robust. Dies führt zu höherer Verfügbarkeit und längeren Maschinenlaufzeiten – ein wichtiges Thema bezüglich Reduzierung der Produktionskosten. Die Motoren sind überlastfähig und erreichen hohe Drehmomente – ohne dabei an Präzision einzubüßen.

Hohe und stabile Drehzahlen sorgen für dynamischen Betrieb, Wirkungsgrade bis über 90% und hohe Überlastfähigkeit. Die Ansteuerung erfolgt sowohl mit Standard DC 24 V als auch künftig mit höheren Spannungen, etwa DC 40 V oder sogar DC 60 V. Servomotoren sind prädestiniert für eine Vielzahl von Anwendungen, in industriellen Anlagen der Fabrikautomation und Logistik sowie im Maschinenbau wie auch in Werkzeugmaschinen, Verpackungsmaschinen oder Industrierobotern. Aber wie die Stromkreise zuverlässig gegen Kurzschluss und Überstrom sichern?

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Der elektronische Sicherungsautomat ESX10-TC ist für Lastspannungen bis DC 60 V ausgelegt. ETA

Selektiver Überstromschutz für DC 48 V

Der Schutzschalter ESX10-TC-DC48V sichert die Zuleitungen der Motoren und Antriebe gegen die Folgen von Überstrom und Kurzschluss selektiv ab. Aufgrund des zulässigen Versorgungsspannungsbereichs von DC 18 V bis DC 60 V lassen sich alle Anwendungen im klassischen DC-24-V-Umfeld bis zu DC 48 V mit nur einem einzigen Gerät schützen. Wie im DC 24 V-Bereich kommen bei DC 48 V häufig primär getaktete Schaltnetzteile zur Spannungsversorgung zum Einsatz. Das Problem: Die DC-48- V-Schaltnetzteile geraten bei einer Überlastung schnell an Ihre Grenze, die in der Regel beim 1,5-fachen Nennstrom liegt. Das Netzteil aktiviert dann seine eigene elektronische Überlast- Absicherung. Dieser Eigenschutz des Netzteils bewirkt eine Reduzierung oder komplette Abschaltung der Ausgangsspannung über den sogenannten Hiccup-Mode.

Vergleichsmessungen in Produktionsanlagen von Verpackungsmaschinen zeigen, dass die bisher verwendeten Leitungsschutzschalter mit B- oder C-Charakteristik bei einem Kurzschluss dann nicht mehr oder nur verzögert auslösen. Der Grund: Sie benötigen einen viel höheren Auslösestrom (15-facher Nennstrom), den ein 48-V-Schaltnetzteil nicht liefern kann. Denn das Netzteil muss sich selbst schützen und regelt daher die Ausgangsspannung herunter. Die Antriebseinheiten werden nicht mehr mit Energie versorgt, alle Räder stehen still.

Einschaltströme und Rückspeisung im Blick?

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Systemkonzept für Servoantriebe mit DC 48 V: Die Automaten verhindern bei Ausfall eines Lastkreises, dass das Netzteil komplett und damit alle Verbraucher abschaltet. ETA

Einschaltströme und Rückspeisung im Blick?

Neben der Auswahl des passenden Nennstroms zur Absicherung des verwendeten Leitungsquerschnitts muss der Planer auch das Einschalt- und Bremsverhalten berücksichtigen. Die Antriebe selbst sowie die Servoverstärker benötigen im Einschaltmoment ein Vielfaches des Nennstroms. Das eingesetzte Schutzorgan muss diese Einschaltspitzen tolerieren, ohne vorzeitig und ungewollt auszulösen.

Darüber hinaus, ist auch der Bremsvorgang des jeweiligen Antriebes zu bewerten: Beim Bremsen verhalten sich Antriebe wie Generatoren und erzeugen eine höhere Spannung. Diese wirkt auf das Gesamtsystem zurück. Im Umkehrmoment der Antriebe entstehen hohe Spannungsspitzen. Diese können sowohl die Sicherungselemente als auch die speisenden Spannungsquellen belasten. Bei Verwendung elektronischer Sicherungen ist es deshalb wichtig, auf die maximale Spannungsfestigkeit der Geräte zu achten. Damit die Applikation stabil und dauerhaft funktioniert, sollte der Wert mindestens der Spannungsfestigkeit der verwendeten Stromversorgung entsprechen.

Der elektronische Sicherungsautomat ESX10-TC-101-DC48V mit festen Nennströmen von 1 A bis 16 A wurde speziell zur Absicherung von Antriebskomponenten wie DC-Gleichstrommotoren, Schrittmotoren, Servomotoren und deren Steuerungstechnik konzipiert.

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Integrierte Stromschienen verringern den Installationsaufwand bei Applikationen mit vielen Verbrauchern. ETA

Die verwendeten robusten Mosfets mit niedrigem Einschaltwiderstand und großer Chipfläche sorgen für eine geringe Verlustleistung. Gleichzeitig ermöglichen sie aufgrund der hohen Sperrspannung beim generatorischen Bremsen des Motors eine mögliche Rückspeisung in den abgesicherten DC-48-V-Zwischenkreis. Dies verhindert die Zerstörung des Antriebs und erhöht so die Verfügbarkeit von Maschine oder Anlage. Der Schaltungsaufbau im ESX10-TC eignet sich ebenso für die Absicherung anderer DC-48-V-Lasten, beispielsweise LED-Beleuchtungen, elektrische Greifer und Magnetventile, die in der Automatisierungstechnik ebenfalls zum Einsatz kommen.

Mit seinem Abschaltpunkt beim 1,2-fachen Nennstrom und der Auslösezeit im Millisekunden-Bereich erfüllt der ESX10-TC die Anforderungen an einen Überlastschutz für motorische DC-48-V-Verbraucher. Gleichzeitig unterbindet er ein ungewolltes Auslösen bei schnellen Lastwechseln. Die aktive Strombegrenzung bei 1,2 x IN verhindert das Einbrechen der Versorgungsspannung bei Kurzschlüssen. Sie ermöglicht somit eine selektive Absicherung mehrerer Verbraucher an einem Netzteil. Die Spannungsversorgung des Netzteils und damit der anderen Verbraucher bleibt stabil.

Mit 12,5 mm Breite sowie 80 mm Höhe und Tiefe passt der Sicherungsautomat in kompakte Steuereinheiten. Einzeln oder in Gruppen auf der Hutschiene montierbar bietet es ein interessantes Stromschienen-Konzept für DC-48-V-Einspeisung und für das Minus-Potenzial. Sowohl die Einzel- als auch die Sammel-signalisierung lassen sich individuell realisieren. Im Gehäuseboden sind zwei Kunststoff-Schieber befestigt, die bei Bedarf abgenommen und als seitlicher Abschluss der Stromschienen in die entsprechende Nut eingeschoben werden können. Dies verhindert eine Berührung verschiedener Plus-Potenziale, wie es die EU-Maschinenrichtlinie vorschreibt. Die DC-48-V-Einspeisung sowie der Lastanschluss erfolgen über Schraubklemmen für Leitungsquerschnitte bis 16 mm² (flexibel ohne) beziehungsweise 10 mm² (flexibel mit Aderendhülse), entweder direkt an den Geräten oder über ein separates Einspeisemodul. Die Schraubklemme besteht aus einer hochfesten Kupferlegierung, ist nach dem patentierten Reakdyn-Prinzip konzipiert und garantiert somit einen dauerhaft sicheren Leiteranschluss.

SPS IPC Drives 2018: Halle 3C, Stand 428

Erich Fischer

Leiter Division Automation & Process Control bei E-T-A Elektrotechnische Apparate in Altdorf.

(sk)

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