Schutz nach Maß

Industrieelektronik

Schutzschalter – Elektronische Sicherungsautomaten in Verpackungsmaschinen ermöglichen einen selektiven Überstromschutz von 24-Volt-Gleichstrommotoren. Die optimale Konfiguration der Absicherung vor Überlast erfordert jedoch eine gute Kenntnis des Gesamtsystems.

27. März 2013

Eine der komplexesten Aufgaben in der Fertigungsautomatisierung ist die flexible Anpassung von Verpackungsmaschinen in der Nahrungsmittel-, Pharma- und Konsumgüterindustrie an die häufig wechselnden Anforderungen. So ändert sich einerseits das Konsumverhalten der Käufer sehr häufig, während andererseits die Hersteller immer neue Verpackungen entwickeln, die die Kaufentscheidung positiv beeinflussen sollen. Moderne Verpackungsmaschinen müssen sich deshalb sehr flexibel und ohne aufwendigen Umbau der Mechanik schnell an die neuen Anforderungen anpassen lassen. Maschinen und Werkzeuge sind daher in der Regel modular aufgebaut und durchgängig automatisiert, vom zentralen Leitrechner bis zu den dezentralen Steuerungen. Eventuell nötige Änderungen des Programmablaufs sowie die Anpassung der Betriebsparameter lassen sich so schnell und Kosten sparend direkt am Bildschirm umsetzen.

Die Versorgung der Steuerungs- und Feldebene mit 24 Volt DC geschieht dabei üblicherweise über primär getaktete Schaltnetzteile mit Nennströmen von 10, 20 oder 40 Ampere. Zum Schutz der Automatisierungs-Komponenten und der Sicherheitsschaltgeräte dienen in vielen Maschinen elektronische Sicherungsautomaten vom Typ ESX10-T des Überspannungsschutzspezialisten E-T-A aus Altdorf bei Nürnberg, die den Kurzschlussstrom auf das 1,8-Fache begrenzen und dann nach 100 Millisekunden die fehlerhaften Stromkreise selektiv abschalten. Im Gegensatz zu einer Absicherung mit normalen Leitungsschutzschaltern mit B- oder C-Charakteristik ist bei diesen Geräten gewährleistet, dass eine Überlast oder ein Kurzschluss in einem Lastkreis keine Rückwirkungen auf die übrigen Stromkreise hat. Zugleich sendet das Gerät ein entsprechendes Meldesignal an die Steuerung und ermöglicht so eine zielgerichtete Behebung des Fehlers. Da die DC-24-Volt-Ausgangsspannung der Schaltnetzteile trotz des Fehlers im Lastkreis stabil bleibt, kann die Produktion zeitnah und unverzögert wieder aufgenommen werden.

Extraschutz für Motoren

Eine interessante Aufgabenstellung für den Elektrokonstrukteur ergibt sich, wenn in der 24-Volt-Ebene zusätzlich auch motorisch angetriebene Verbraucher und deren Regelelektroniken vor Überlastung geschützt werden müssen. In diesem Falle ist neben den Nenndaten des Motors und seinem Einschalt- und Betriebsverhalten zugleich auch die Einbindung in das Gesamtsystem zu berücksichtigen. Bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor mit integrierter Regelelektronik zum Beispiel bewirkt der Eingangs-Elko normalerweise beim Einschalten einen starken Stromstoß, der durch die integrierte Strombegrenzung des elektronischen Schutzschalters ESX10-T limitiert wird. Danach startet die interne Regelelektronik des Motors und bringt den Motorstrom auf seinen Drehzahl-Sollwert. Abhängig von der Belastung des Motors erreicht der Strom dann seinen Betriebswert, der hier meist von einem deutlichen Wechselanteil überlagert ist.

Angepasster Nennstrom

Eine solche Konfiguration erfordert neben einer berechenbaren und selektiven Auslegung des Überstromschutzes auch die Kenntnis des Einschalt- und Überlastverhaltens des Motors bei den vorliegenden Belastungszuständen. Zum Beispiel wird bei einer maximal zulässigen Last des Motors von 5,6Ampere ein elektronischer Sicherungsautomat mit einem Nennstrom von 6 Ampere ausgewählt, damit im Normalbetrieb keine Abschaltung erfolgt. Der Einschaltstrom wird auf ca. 11 Ampere begrenzt, dies entspricht dem typischen 1,8-Fachen des Nennstromes. Oberhalb dieses Wertes wird innerhalb von drei Sekunden abgeschaltet. Dies schützt den Motor, die integrierte Regelelektronik und die Zuleitungen bei Überlastung zuverlässig.

Andere Ansprüche stellt dagegen zum Beispiel die Absicherung der Lüfterbaugruppe im Zusammenspiel mit den motorisch angetriebenen Klappen am Schaltschrank eines Maschinenmoduls: Hier werden zwei höchst unterschiedliche Verbraucher abwechselnd betrieben, die aber gemeinsam über einen elektronischen Sicherungsautomaten ESX10-T abgesichert sind. So ist der Lüfter im Normalfall permanent in Betrieb. Dabei ist der Betriebsstrom der Lüfterbaugruppe auch hier mit einem hohen Wechselanteil überlagert. Wenn die Schaltschrankklappe betätigt wird und sich motorisch öffnet, werden die Lüftermotoren dieses Maschinenmoduls jedoch sofort abgeschaltet und starten sofort wieder nach dem Schließen der Klappe. Die optimale Konfiguration der Absicherung erfordert hier deshalb nicht nur eine theoretische Berechnung des Gesamtsystems, bei dem neben der Auslastung des Schaltnetzteils auch die Leitungsdämpfung berücksichtigt wird, sondern auch eine messtechnische Erfassung der unterschiedlichen Betriebszustände beim Testlauf der Maschine.

Schutz für die Anlage

Ein weiteres Einsatzgebiet von DC-Motoren in der Verpackungsindustrie bietet die Etikettiertechnik, die die Beschriftungsetiketten über eine Vorrichtung zuführt. Hier muss der Motor bei einer Überlast oder bei einer Blockade der Etiketten in der Zuführung relativ schnell abgeschaltet werden, da sonst der Seilzug für den Antrieb herausspringt und der Motor blockiert, bis der Schutzschalter den Stromkreis trennt. Der Maschinenbediener kann dann die verklemmten Etiketten zügig entfernen und die Maschine relativ schnell wieder für den Neustart vorbereiten. Bei geringeren Nennströmen bis drei Ampere können in diesem Fall für den Überstromschutz auch normale Leitungsschutzschalter zum Einsatz kommen, allerdings muss der Maschinenbediener für den Neustart dann einen Betriebselektriker oder Instandhalter hinzuziehen, der den Schaltschrank öffnen und den ausgelösten Schutzschalter wieder einschalten darf. Damit offensichtliche Fehler nicht zu einem längeren Maschinenstillstand führen, sollten in solchen Anwendungen besser elektronische Schutzschalter vom Typ ESS20-124 eingesetzt werden, die über einen elektronischen Reset-Eingang verfügen. Damit lassen sich vorher festgelegte Steuerstromkreise über einen Taster an der Maschine oder im Touch Screen des Bedientableaus ohne lange Wartezeit wieder flott machen.bt z

Auf einen Blick

- Die E-T-A GmbH in Altdorf bei Nürnberg ist ein weltweit führendes Unternehmen im Bereich der Geräteschutzschalter und Sicherungsautomaten.

- Das Angebot reicht von thermi-schen Schutzschaltern bis zu komplexen Stromverteilern.

Erschienen in Ausgabe: 02/2013