Antriebstechnik

Elektronik ertüchtigt Elektromechanik

Schaltgeräte (Schütze, Schalter, Relais etc.) bestimmen funktionelle Eigenschaften von Anlagen und Maschinen, aber auch den Schutzumfang für Personen (Fehlerstrom) und Anlagen (Überbeanspruchung durch Strom, Spannung, Wärme etc.). Fortschritte bei Leistungs- und Informationselektronik führen zu einer Ertüchtigung der Elektromechanik, gar zu ihrem vorteilhafteren Ersatz.

Bild 1: Modulares Halbleiterschütz – Aufbauprinzip: 1 Eingangsglied (mit Verpolschutz, Schaltstellungsanzeige u.a.); 2 Galvanisch trennende Ansteuerung des Ausganges über Optokoppler; 3 Ausgangsglied mit Leistungshalbleitern und Schutzbeschaltung; 4 Stromversorgung

Vollelektronische Lösungen ersetzen die Kontaktbehaftung, Hybrid-Schaltungen kombinieren Elektronik und Elektromechanik. Veränderte Eigenschaften sichern generell die Kompatibilität zur realisierten Energieeffizienz im Großen wie im Kleinen, steigern Zuverlässigkeit und unterstützen die Wandlung zu vernetzbaren, intelligenten Hardware-Objekten (Cyber-Physische Systeme CPS) für die autonome, dezentrale Produktionssteuerung (Industrie 4.0). Die scharfe Abgrenzung dieser Technik von der Automatisierung verschwindet vor allem deshalb, weil die sich aus der engen Nachbarschaft zur Leistungstechnik ergebenden EMV-Probleme beherrscht werden.

Elektronikbedingte Eigenschaften
Durch neue Eigenschaften hinsichtlich Funktionalität, Kommunikations-, Schutz-, Diagnosefähigkeit u.a. qualifizieren sich Geräte bei Ansteuerung und Arbeitsgeschwindigkeit, hinsichtlich Überwachung und Kommunikation, bei Beanspruchungen und Lebensdauer. Höchste Effizienzklassen von Gesamtsystemen (≥ IE 3) lassen sich erreichen. Lebenszykluskosten bestätigen, dass sich so ertüchtigte Geräte für Neu- wie für Retrofitanlagen eignen,

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Bedingungen der Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichVer 1.6.2015) werden erfüllt ebenso wie die von Arbeitsstättenverordnung und Unfallversicherung DGVU (BGV A3).

Bild 2: Hybrides Leistungsteil des DC-Schalters

Repräsentative Anwendungsbeispiele
Neben dem Zwischenschritt Schütz mit elektronisch gesteuertem Magnetantrieb zählt dazu das vollelektronische Halbleiterschütz (Bild 1). Sein Optokoppler garantiert geringe Ansteuerleistung. Die Höhe der Schaltleistung bestimmen Leistungsventile auf der Ausgangsseite. Charakteristische Merkmale sind darüber hinaus

  • Arbeitsweise,
  • Ansteuerbarkeit,
  • beweglichen Teile, höhere Schalthäufigkeit (Steigerung Zuverlässigkeit),
  • Reaktionsgeschwindigkeit,
  • Erweiterbarkeit (etwa um Verbraucherschutzfunktionen bei Motorstartern) .

1- oder 3-phasige Halbleiterschütze schalten beispielsweise Heizungen, Motore o. ä. schnell, häufig und verschleißfrei. Zudem sind sie gegenüber harten Umgebungsbedingungen (Schock, Vibration, aggressive Medien, Schadstoff) unempfindlicher.

Bild 3: Hybrides Leistungsteil (mit integriertem Bypass) einer Starterschaltung.

Der Hybrid-DC-Schalter (Bild 2) verspricht das lichtbogenarme Schalten von Gleichspannungen wie sie bei Photovoltaik-Anlagen auftreten. Abschaltzeit und Zeitkonstante sinken vom sec- in den msec-Bereich.

Auch Motorschutzschalter (Direktstarter) und Softstarter für Schutz und Steuerung des Anlaufs von Asyn-chronmotoren stellen mit dem Bypass-Kontakt zum Überbrücken des Thyristors eine hybride Variante dar (Bild 3). Die Geräte erlauben Dauerbetrieb mit kurzzeitiger Überlastung während des Anlaufs. Längere Überlast und Kurzschluss schaltet das Gerät ab, es trennt den Motor sicher vom Netz. Zusätzlich schützt der Schalter gegen Überspannungen. Besonders vorteilhaft hinsichtlich Baugröße, Lebensdauer/Zuverlässigkeit sind Mikroprozessor-kontrollierte Hybridlösungen. Diese Kombination LEBE, die Ein- und Ausschaltstromstoß verschleißfrei führen, sowie elektromechanischen Kontakten für den eingeschwungenen Zustand vereint Rechts-, Linkslauf mit verbesserten Schutzfunktionen, Zustandsmeldekontakten, integrierter Strommessung. Sogar die Not-Aus-Funktion gemäß SIL wird realisiert (MSC-DE http://www.eaton.de.; Contactron www.phoenixcontact.de; PST-Baureihe http://www.abb.de).

Elektromechanische Relais (EMR) zum Koppeln oder Ein-/Ausschalten von Stromkreisen werden durch Halbleiterrelais (SSR Solid State Relay) substituiert (Bild 4). Den Magnetkreis ersetzten Schalttransistor, MOSFET oder vergleichbare Bauelemente. Immer werden sie potentialfrei über eine LED angesteuert, die im Gate-Kreis ein lichtempfindliches Bauelement (Fotowiderstand oder -transistor) durchschaltet. SSR arbeiten kontaktfrei, trennen Stromkreise galvanisch wie EMR. Bevorzugt erfüllen sie Aufgaben mit hohen Schaltfrequenzen (Schaltzeiten < 0,2 ms) in Stromkreisen, die Kontaktprellen oder -abbrand nicht vertragen. Nachteilig wirkt in dieser Leistungsklasse der höhere Spannungsabfall im Ausgangskreis. Dem kann ein paralleler Relaiskontakt entgegenwirken, der im stationären Zustand den Strom übernimmt. Gegenparallelschaltung von LEBE‘n beziehungsweise TRIAC-Strukturen erlauben beide Stromrichtungen. Infolge ihrer geringeren Baugröße eignen sie sich für direkte Leiterplattenmontage (Surface Mounted Device SMD).

Bild 4: Halbleiterrelais SSR – Prinzip (Leistungstransistor-Ansteuerung über LED beziehungsweise Optokoppler).

Neueste Versionen der wichtigen NS-Schutzkomponente Kompaktleistungsschalter (modulare Baureihe 3VA, http://www.siemens.de) lassen sich mit einer Vielzahl elektronischer Zubehörmodule flexibel an Anwendungen anpassen.

Erweiterte Leistungen
Komplexe Geräte wie Motorstarter, aber auch offene wie geschlossene Leistungsschalter werden mit zusätzlichen Bauteilen über Feldbusse kommunikationsfähig, um aus der Ferne bedient werden zu können. Ist eine Steuerung implementiert, können sie begrenzt eine Verarbeitung von Informationen vornehmen.

Ausblick
Zunehmend löst etwa im Logistikbereich, bei Ex-Gefährdungen die Wireless Verbindung die drahtgebundene Kommunikation mit Schaltgeräten ab (http://www.steute.de). Mit der zunehmenden Ausbreitung des Internets der Dinge IoT mutieren sie zu intelligenten, vernetzbaren CPS, die im Rahmen von Industrie 4.0 eine eigene IP-Adresse erhalten.

Dr.-Ing. habil. Joachim Krause

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