Anlagenverfügbarkeit auf höchstem Niveau Der zunehmende Anspruch an hohe Qualität und Effizienz im Produktionsbereich zieht den Aufbau immer komplexerer Anlagen nach sich. Gleichzeitig steigen die Anforde- rungen an die Sicherheit und Verfügbarkeit, denn der Ausfall einer Maschine oder grö- ßerer Anlagenteile kann erhebliche Kosten verursachen. Einen nennenswerten Beitrag zur Betriebssicherheit leistet ein gut geplantes Sicherungskonzept für die einzelnen Stromkreise und Endgeräte der gesamten Anlage. Dazu gehört auch die Auswahl einer ausreichend leistungsstarken Stromversorgung und geeigneter Schutzgeräte. Selektive Stromverteilung Die Betriebsmittel sollten möglichst selektiv abgesichert werden. So werden nur die Stromkreise abgeschaltet, die tatsächlich von einer Überlastung betroffen sind. Lesen Sie auf den folgenden Seiten, wie Schutzgeräte arbeiten und für welche Anwendungen die verschiedenen Varianten geeignet sind. 2 PhoENix CoNtACt

Grundlagen Geräteschutzschalter | Warum Geräteschutzschalter? 1 Warum Geräteschutzschalter? Der Anspruch an moderne Maschinen und Anlagen ist in den vergangenen Jahren immer höher geworden. Um die Anlagenverfügbarkeit sicherzustellen, sind die Versorgungs- spannung sowie die Absicherung ein sehr wichtiger Bestandteil. Denn ein Fehler kann die gesamte Anlage beeinflussen. Mit der richtigen Kombination aus Stromversorgung und Schutzschalter sind Maschinen und Anlagen zuverlässig geschützt. 1.1 Nutzen und Vorteile von Geräteschutzschaltern Eine elektrische Anlage besteht aus vielen Komponenten, die im Verbund zu- sammen arbeiten müssen. Viele Verbrau- cher werden dabei von derselben Strom- versorgung gespeist. Dadurch entstehen Abhängigkeiten, die wiederum wichtig und entscheidend für die Anlagenverfüg- barkeit sind. Ein ungeplanter Stillstand einer Maschine sollte vermieden werden. Daher ist es besonders wichtig, dass im Fehlerfall nicht betroffene Verbraucher und Stromkreise unbeeinflusst bleiben. Ebenfalls muss die Versorgungsspannung auch im Fehlerfall aufrecht erhalten blei- ben. Nur so ist ein reibungsloser Betrieb haupteigenschaften Stromversorgungen Schaltnetzteile erzeugen eine konstante Spannung und sind in der Regel kurzschlussfest. Darüber hinaus haben sie einen hohen Wirkungsgrad. Viele Schaltnetzteile bieten mehr als nur eine konstante Spannung: Funktionen wie den stati- schen oder dynamischen Power Boost (Quint Power) für kurzfristige Stromanstiege oder den SFB-impuls, um einen Leitungsschutzschalter magnetisch auszulösen. Darüber hinaus unterstützen Monitoring-Funktionen, wie eine DC oK-Überwachung dabei die Anlagenverfügbarkeit auf einen hohen Level zu steigern. Außerdem sind viele Einstellungen und Konfigurationen über NFC oder direkt bei der Bestel- lung möglich. Wird das Netzteil jedoch überlastet, kommt es zum Spannungseinbruch, die Folge ist der Ausfall angeschlos- sener Geräte. 4 PhoENix CoNtACt

Grundlagen Geräteschutzschalter | Warum Geräteschutzschalter? zu 15-fache Strom fließen. Steht dieser Strom nicht zur Verfügung, hat dies Ein- fluss auf das Gesamtsystem. hinter einem Schaltnetzteil oder bei zu hoher Leitungs- impedanz kann der erforderliche Strom begrenzt werden. Somit kann der benö- tigte höhere Auslösestrom nicht erreicht werden, wodurch die Systemspannung einbricht. Die Folge ist, dass parallele Verbraucher ausfallen. Der MCB ist konzipiert für das AC-Netz (ohne Leistungsbegrenzung): Leitungsschutzschalter wurden für die installation in Gebäuden entwickelt, ge- nau dafür sind die Ströme und Kennlinien auch ausgelegt. Daher fehlen Nennstrom- werte im unteren Ampere-Bereich oder es muss eine träge Kennlinie gewählt werden, um den passenden Nennstrom zu bekommen. Grundsätzlich sind die Kennlinien erst einmal nur für AC-Span- nungen ausgewiesen. Werden diese Sicherungen bei DC-Spannung eingesetzt, ist ein Korrekturfaktor von etwa 1,4 im Kurzschlussauslösebereich zu berücksich- tigen. Die Auslösung erfolgt also noch später, nicht selten erst beim 15-fachen Strom. Bei einem C6-Automaten muss also ein Strom von bis zu 90 A für den 1.3 Was ist ein Fehler? Überlast- und Kurzschlussströme treten meist unerwartet auf. Sie verursachen Störungen und Unterbrechungen des laufenden Betriebs einer Anlage. oft sind Produktionsausfall und Reparaturkosten die unangenehmen Folgen. Derartige Auswirkungen lassen sich mit einer getrennten Absicherung einzelner Geräte oder sinnvoll zusam- mengefassten Gerätegruppen minimie- ren. Da verschiedene Verbraucher auch unterschiedliche Nennströme haben (Abb. 1), ist es sinnvoll eine jeweils separate Absicherung der einzelnen Stromkreise zu realisieren. idealerweise liegt der gewählte Nennstrom nahe am Verbrauchernennstrom. Auf diese Weise sind Endgeräte vor Schäden oder Zerstö- rung optimal geschützt. Anlagenbereiche, die nicht in dem betroffenen Stromkreis liegen, können ohne Unterbrechung wei- terarbeiten, soweit es der Gesamtprozess zulässt. So wird eine hohe Anlagenverfüg- barkeit erreicht. Spannungseinbruch in Maschinen und Anlagen gibt es meist verschiedene Versorgungsspannungen. Steuerungen 1 bis 8 A Sensoren 0,5 bis 2 A Ventile 0,5 bis 4 A Motoren 1 bis 12 A Relais 0,5 bis 5 A Abb. 1: typische Nennströme elektrischer Verbraucher 6 PhoENix CoNtACt Ernstfall vorgehalten werden. Steht dieser Auslösestrom hinter einem Schaltnetz- teil nicht zur Verfügung, kommt es zum Spannungseinbruch am Gesamtsystem. Gleiches gilt für eine zu lange Leitung, diese kann dafür sorgen, dass der Strom begrenzt wird und somit keine zeitnahe Auslösung erfolgt, auch hier kann es zum Spannungseinbruch kommen. Diese bewegen sich größtenteils zwischen 12 und 48 V DC. Für die hauptanwen- dungen hat sich als Steuerspannung be- reits seit vielen Jahren 24 V DC durchge- setzt. Getaktete Netzteile gelten in den meisten Branchen bei Steuerspannungen als Standard. Die Spannung ist konstant begleitet von einem hohen Wirkungsgrad. Außerdem wird der Ausgangsstrom be- grenzt. Über DC/DC-Wandler kann die Spannung auch über längere Distanzen aufrecht gehalten werden. Stromversorgungen bieten, wie Si- cherungen und Schutzschalter, ebenfalls verschiedene Kennlinien und erfüllen dadurch verschiedene Ansprüche an die Anlagenverfügbarkeit. Viele Stromver- sorgungen nutzen z. B. die U/i-Kennlinie (Abb. 2). Die Spannung ist konstant, der Strom ist variabel. Überschreitet der Strom den Nennbereich, kommt es bei einer Überlastung zum Spannungsein- bruch, angeschlossene Verbraucher fallen aus. Fällt die SPS (Speicherprogrammierba- re Steuerung) aus, kann der vorliegende Fehler nur durch eine sehr aufwändige Suche identifiziert und behoben werden.

Grundlagen Geräteschutzschalter | Warum Geräteschutzschalter? + F1 10A F10 1A F11 1A F12 1A A B Abb. 5: A entspricht der Backup-Sicherung und B den Schutzeinrichtungen der jeweiligen Stromkreise Serielle Selektivität Auch in Serie kann eine Selektivität aufge- baut werden. Diese Anforderung kommt jedoch hauptsächlich aus dem Schmelz- sicherungsbereich beziehungsweise auch aus der Gebäudetechnik. Dabei muss die überlagerte Sicherung einen so hohen Wert aufweisen, dass nur die nächst- höhergelegene Sicherung im Strompfad auslöst. Dies dient der besseren Fehler- eingrenzung und erhöht die Absicherung des Leitungsschutzes. Der überlagerte Wert muss mindestens das 1,6-fache betragen. Als Faustformel wird die Siche- rung um zwei Sicherungsstufen größer ausgelegt, da die normativen Werte einer Schmelzsicherung dann den Faktor von 1,6 erfüllen. Wichtig hierbei ist, dass die Kennlinien selektiv zueinander sind. die absolute. Nur so kann sichergestellt werden, dass die Auslösebereiche zweier Schutzeinrichtungen sich im gesamten Verlauf nicht überschneiden und bei ei- nem Fehler nur die direkt vorgeschaltete Sicherung auslöst. Bei einer bedingten Selektivität gibt es Überschneidungen in den Kennlinien. So kann es dazu kommen, dass die Schut- zeinrichtung und die vorgeschaltete Backup-Sicherung auslösen, oder sogar nur die vorgeschaltete Backup-Sicherung (Abb. 5). Parallele Selektivität Die parallele Selektivität beschreibt den Einfluss paralleler Stromkreise unterei- nander. Liegt ein Fehler vor, soll dieser abgeschaltet werden. Andere Anlagen- teile hingegen sollen unbeeinträchtigt weiterlaufen, soweit es der Prozess zu- lässt. Da sich ein Spannungseinbruch auf alle parallelen Stromkreise bezieht, muss die Abschaltung entsprechend selektiv erfolgen. Werden parallele Verbraucher- stromkreise beeinflusst, ist keine Selekti- vität gegeben. 1.4 Anlagenverfügbarkeit Die Anlagenverfügbarkeit spiegelt die tatsächliche gegenüber der geplanten Produktionszeit einer Maschine oder Anlage in Prozent wieder. Durch den Still- stand oder Ausfall einer Anlage wird die Verfügbarkeit direkt negativ beeinträch- tigt. Fertigungsprozesse werden immer wieder optimiert, denn jede Sekunde, die man einsparen kann, zählt. in einem Fertigungsprozess wiederholen sich alle Schritte zyklisch. Somit summiert sich die optimierung idealerweise rund um die Uhr. Es ist besonders wichtig, den Anlagen- zustand permanent zu beobachten, um alle relevanten Werte im Blick zu haben. Kündigt sich ein Fehler bereits vor einem Ausfall an, kann rechtzeitig reagiert wer- den. Denn eine geplante Wartung spart Zeit und Geld. Auch die richtige Absicherung in einer Anlage spielt eine wichtige Rolle, um die Anlagenverfügbarkeit maximal zu er- höhen. Wenn ein Fehler vorliegt, sei es eine Überlast oder ein Kurzschluss, muss dieser schnell erkannt und möglichweise in wenigen Millisekunden abgeschaltet werden. Parallel angeschlossene Geräte werden mit abgeschaltet. Daher ist es wichtig die Absicherung möglichst filigran aufzubauen, um parallele Verbraucher nicht zu beeinträchtigen. Man spricht auch von paralleler Selektivität. Selektivität Es wird zwischen der absoluten und der bedingten Selektivität unterschieden. Die sicherste Form der Selektivität ist 8 PhoENix CoNtACt

Grundlagen Geräteschutzschalter | Unterschiede der technologien 1 2 Funktionsschaltbild Ein-/Ausschalter Federgespannte Schaltstange Schaltkontakt Bimetall Einstellung Vorspannung Abb. 7: Aufbau und Funktionsbeschreibung thermischer Schutzschalter Schaltbild Auslösekennlinien Der Auslösezeitpunkt thermischer Ge- räteschutzschalter hängt vom fließenden Überlaststrom und der Umgebungstem- peratur ab. Die Kennlinien zeigen, dass mit steigender Überlast der Auslösezeit- punkt schneller erreicht ist. Bei kleineren Überlastströmen dauert es entsprechend länger, bis der angeschlossene Verbrau- cher vom Netz getrennt wird (Abb. 8). Für Schutzschalter mit unterschiedlichen Nennströmen, aber gleichartiger Auslö- secharakteristik kann das Auslöseverhal- ten auch in Kennlinienfeldern dargestellt werden (Abb. 9). thermische Geräte- schutzschalter reagieren naturgemäß auf den Einfluss von Wärme. Auch die Umge- bungstemperatur beeinflusst den Auslö- 2.2 thermomagnetische Schutzschalter Abb. 8: typische Auslösekennlinie eines thermischen Schutzschalters: t Schaltzeit (in Sekunden) xi Vielfache des Nennstroms/Auslösefaktor 1 Strombereiche des Kennlinienfelds 2 Auslösekennlinie unterer temperaturbereich (blau) 3 Auslösekennlinien Gruppe 1 4 Auslösekennlinien Gruppe 2 5 Auslösekennlinie oberer temperaturbereich (rot) sezeitpunkt. Der Schutzschalter löst bei einer hohen Umgebungstemperatur eher und bei einer niedrigen Umgebungstem- peratur später aus. Dieses Verhalten zeigen zusätzliche Kennlinien mit einem entsprechenden temperaturhinweis. thermomagnetische Geräteschutzschal- ter kommen u. a. in der informations- und Kommunikationstechnik sowie in der Prozesssteuerung zum Einsatz. Aufgrund der verschiedenen Varianten mit unter- schiedlichen Auslösekennlinien sind die Schutzschalter optimal für den Schutz von speicherprogrammierbaren Steuerungen, Ventilen, Motoren und Frequenzumrich- tern geeignet. Die Wiedereinschaltung und die sofortige Fernmeldung des Be- triebszustands sichern eine hohe Verfüg- barkeit. Die unterschiedlichen Kennlinien dieser Schutztechnologie können sogar kritische Verbraucher mit hohen Anlauf- strömen starten und gleichzeitig sicher im Nennbetrieb schützen. Funktionsbeschreibung thermomagnetische Schutzschalter sind mit zwei Auslösemechanismen ausge- stattet. Der temperaturabhängige teil des Mechanismus besteht aus einem Bi- metall mit einer heizwicklung (Abb. 10). Ströme, die den Nennstrom des Schutz- geräts übersteigen, erzeugen in dem heizdraht Wärme. Das Bimetall beugt sich und wirkt auf den Schaltmechanis- mus. Wenn der Grenzwert erreicht ist, schaltet das Schutzgerät ab. Die Reakti- on auf Überlastströme erfolgt zeitverzö- gert. Auch diese Schutzschaltertechno- logie ist durch den thermischen Anteil 10 PhoENix CoNtACt

Grundlagen Geräteschutzschalter | Unterschiede der technologien SFB-technologie Die QUiNt-Stromversorgungen von Phoenix Contact verfügen über die Selective Fuse Breaking- technologie, kurz SFB. Diese Stromversorgungen können für wenige Millisekunden den 6-fachen Nennstrom liefern. Damit stellen sie im Fehlerfall die notwendige Strom- reserve für ein sicheres Auslösen der Schutzgeräte bereit. chen des Nennstroms zur Auslösung des Schutzschalters. F1-Kennlinie Schutzschalter mit F1-Kennlinie (Abb. 14) lösen flink aus. Sie reagieren damit sehr schnell auf Überlastsituationen. im Betrieb kann das aber zu unnötigen Abschaltungen führen. Sie bieten somit optimalen Schutz für sensible Lasten mit sehr geringem Anlaufstrom und schützen somit auf weiten Distanzen. Endgeräte, die auch bei kurzzeitiger Überlastung und wenig erhöhten Betriebsströmen be- schädigt werden können, sind mit diesen Schutzschaltern gut abgesichert. Abb. 11: typische Auslösekennlinie eines thermomagnetischen Schutzschalters a Arbeitsbereich thermische Auslösung b Arbeitsbereich magnetische Auslösung t Schaltzeit (in Sekunden) xi Vielfache des Nennstroms/Auslösefaktor 1 Strombereich, für den die Kennlinie gilt 2 Auslösebereich DC (grau) 3 Auslösebereich AC (blau) 4 Auslösemaximum 5 Auslöseminimum manstiegen wie Anlaufströmen. Gleich- zeitig verhindern sie unerwünscht lang andauernde Überlastströme, die zu einer gefährlichen Wärmeentwicklung in den Betriebsmitteln führen können. M1-Kennlinie Schutzschalter mit M1-Kennlinie (Abb. 13) lösen später aus als solche mit SFB- oder F1-Kennlinie. Sie halten Anlauf- strömen etwas länger Stand, reagieren aber auf Fehlersituationen bewusst träger. im Vergleich zur Gleichstromkennlinie ist die Kennlinie für Wechselströme auf der Achse des vielfachen Nennstroms etwas nach vorne gezogen. Wechselströme füh- ren also schon bei einem kleineren Vielfa- Auslösekennlinien thermomagnetische Geräteschutzschal- ter sind mit verschiedenen Kennlinien erhältlich. Damit lassen sich unter- schiedlichste Anforderungen erfüllen, die sich aus den verschiedenen An- wendungsfällen ergeben. Die Kennlinie (Abb. 11) zeigt, dass die thermische Auslösung [a] deutlich später reagiert als die magnetische [b]. Das erklärt sich mit der erforderlichen Aufwärmzeit des temperaturabhängigen Auslösemechanis- mus. Aber auch Ströme, die geringfügig über dem Nennstrom liegen, werden als Überlastströme erkannt und abgeschal- tet. Die magnetische Auslösung reagiert in sehr kurzer Zeit auf schnell ansteigen- de Ströme, die den Nennstrom überstei- gen. Das ist besonders vorteilhaft für die Erkennung und Abschaltung von Kurz- schlussströmen. Wechselströme lösen bei gleichem Nennwert schneller aus als Gleichströme. Das ist mit dem blauen Bereich in der Kurve dargestellt. Prinzi- piell gilt dieses Verhalten für alle Kenn- linien. Praktische Anwendung findet das allerdings nur beim Einsatz von Schutz- schaltern mit M1-Kennlinie. Schutzschal- ter mit SFB- oder F1-Kennlinie lösen auch bei Gleichstrom bereits so schnell aus, dass sie beim Betrieb mit Wechsel- strom zu sensibel reagieren würden. SFB-Kennlinie Schutzschalter mit SFB-Auslösekennlinie (Abb. 12) bieten maximalen Überstrom- schutz, auch in ausgedehnten Anlagen mit langen Leitungswegen. SFB heißt Selective Fuse Breaking bzw. selektive Abschal- tung. Schutzgeräte mit dieser Kennlinie vermeiden ein unnötig frühes Abschalten bei betriebsbedingten kurzzeitigen Stro- 12 PhoENix CoNtACt

Grundlagen Geräteschutzschalter | Unterschiede der technologien an die übergeordnete Steuerung der Anlage übermittelt. Kommt es zu ei- nem Ereignis, wird dies direkt erkannt und gemeldet. Durch diese Vorgehensweise wird die Zeit eines Spannungseinbruchs auf einen minimalen Zeitraum begrenzt. Das System bleibt trotzdem spannungsstabil. im Fall eines Überlaststroms oder eines Kurzschlusses schalten die Geräte recht- zeitig ab. Elektronische Geräteschutzschal- ter verfügen teilweise über eine aktive Strombegrenzung. Diese Funktion be- grenzt Kurzschluss- und Überlastströme, je nach Produktreihe, auf einen Wert vom 1,25- bis 2-fachen des Nennstroms. Das schützt die Stromversorgung vor zu hohen Strömen und verhindert den Einbruch der Ausgangsspannung am Schaltnetzteil. Ein weiterer Vorteil der elekt- ronischen technologie ist, dass die Anschlussleistung einer Gleichspan- nungs-Stromversorgung nahezu kom- plett verplant werden kann. Zudem sind längere Leitungswege zwischen Strom- versorgung und Last möglich, ohne das Abschaltverhalten negativ zu beeinflus- sen. Auslösekennlinien und Dynamik Durch eine intelligente Stromanalyse können moderne elektronische Schutz- schalter zwischen vielen verschiedenen Betriebs- und Fehlerszenarien differen- zieren. Dadurch ergibt sich eine Dynamik in der Kennlinie. So wird der Fehler nicht nur abhängig von Strom und Zeit abgeschaltet. Last und Stromversorgung werden erkannt und so der Startvorgang optimiert. Somit wird die Funktion des elektronischen Schutzes in einer dynami- schen Kennlinie abgebildet. hierzu wird analog zu herkömmlichen Sicherungen ebenfalls ein Überlast- und Kurzschluss- schutzbereich definiert. Manche elektronischen Geräteschutz- schalter verfügen über unterschiedliche Kennlinien. Diese Unterschiede dienen in erster Linie dazu, dem Anwender 14 PhoENix CoNtACt s , t 100 10 1 0,1 0,01 0,001 1 2 4 8 x In 16 32 64 Abb. 16: Kurzschlussverhalten und dynamischer Überlasterkennungsbereich in Berücksichtigung der restlichen Ver- sorgung rechtzeitig abgeschaltet. Somit werden Lasten erkannt und lassen sich selbst bei hohen Anlaufströmen starten. Von Schmelzsicherungen und thermo- magnetischen Schutzschalter kennt man unterschiedliche Kennlinien wie u. a. flink, mittelträge oder träge. Ein moderner elektronischer Schutz mit intelligenter Kurzschlusserkennung und dynamischem Überlastverhalten ersetzt die genannte Vielfalt der Kennlinien. vertraute Auswahlmöglichkeiten zu bieten. Nötig ist die Differenzierung in verschiedenen Kennlinien jedoch nicht. im Gegensatz zu thermischen oder ther- momagnetischen Sicherungen reagiert die Elektronik bei modernen elektronischen Schutzschaltern dynamisch. in der Abbildung 16 sieht man die ver- schiedenen Bereiche: 1. Kurzschlussverhalten (grüne Linie): Wird der Kurzschluss erkannt, folgt ein umgehendes Abschalten des Feh- lers. Damit die parallelen Verbraucher nicht negativ beeinflusst werden, muss dies ohne zeitlichen Verzug geschehen. Denn speziell bei einer SPS muss eine Abschaltung innerhalb von 10 ms erfol- gen (siehe auch Steuerungsnorm S. 5). 2. Dynamischer Überlasterkennungs- bereich (blauer Bereich): Abhängig von höhe und Verlauf des fließenden Stroms sorgt die intelligente Erken- nung ebenfalls für die Abschaltung einer Überlast. Dabei wird zugelassen, dass der Überstrom abhängig von sei- nem Verlauf und der Stabilität der Ver- sorgungsspannung unterschiedlich lang zugelassen wird. Die Überlast wird abgeschaltet, bevor ein gefährlicher Zustand entsteht. Auch hier stellt die Dynamik eines elektronischen Schutz- schalters einen entscheidenden Vorteil dar. Wird ein Fehler erkannt, wird er

Grundlagen Geräteschutzschalter | Erweiterte Funktionen 3 Erweiterte Funktionen Die Auswahl des für die jeweilige Applikation am besten passenden Geräteschutzschalters richtet sich nicht nur nach der technologie und dem damit verbundenen Abschaltverhal- ten. Neben Eigenschaften wie mit oder ohne strombegrenzender technologie oder der Möglichkeit der Nennstromeinstellung spielt auch die Art der hilfskontakte bzw. der Mel- de- oder Steuersignale eine Rolle. 3.1 Fernsteuer- und Meldefunktion Reset- oder Steuereingang Mit einem Reset-Eingang kann der ausge- löste Geräteschutzschalter aus der Ferne wieder eingeschaltet werden. Mit einem Steuereingang kann der Geräteschutz- schalter nicht nur wieder eingeschaltet, sondern auch im Normalbetrieb aus- und eingeschaltet werden. Die Funktionalität ist somit ähnlich einem Relais, das ange- steuert wird. Statusausgang Bei einem Statusausgang wird ein Span- nungspegel an einem Anschlusspunkt ausgegeben, der z. B. auf einen digitalen Eingang einer SPS gegeben werden kann. Üblicherweise wird ein „hiGh“-Sig- nal ausgegeben, wenn alles oK, d.h. in Betrieb ist, und es wird ein „LoW“-Signal ausgegeben, wenn der Geräteschutz- schalter durch einen Fehler ausgelöst hat. Vorteil bei dieser Definition der Signal- pegel ist, dass eine Drahtbrucherkennung der Signalisierungsverbindung zur SPS mit abgedeckt ist. Um weniger SPS-Eingänge zu ver- wenden, müssen die Signalpegel genau gegensätzlich zur oben beschriebenen Definition sein. So kann man die ein- zelnen Statusausgangssignale mehrerer einkanaliger Geräteschutzschalter zu ei- 16 PhoENix CoNtACt ner Gruppensignalisierung zusammenfas- sen. in diesem Fall benötigt man Produkte mit einem invertierten Statusausgang. Bei diesen Produkten wird ein „LoW“-Signal ausgegeben, wenn alles oK, d.h. in Be- trieb ist. Es wird ein „hiGh“-Signal aus- gegeben, wenn einer oder auch mehrere Geräteschutzschalter durch einen Fehler ausgelöst haben. Eine Drahtbrucherken- nung der Signalisierungsverbindung ist bei diesen Geräten dann aber nicht mehr möglich. NO- oder NC-Meldekontakt Bei dieser Art von Meldekontakten handelt sich um 2-polige potenzialfreie Statuskontakte, die individuell be- und verschaltet werden können. Ein No(normally open)-Kontakt ist ein Schließer. Das heißt, der Kontakt ist geschlossen, wenn alles in ordnung ist. Wenn der Geräteschutzschalter durch einen Fehler ausgelöst hat, öffnet der Kontakt. Durch eine Reihenschaltung aller Kontakte lässt sich bei einer Gruppe von Geräteschutzschaltern leicht eine einfache Gruppensignalisierung aufbauen. Das eine Ende der Reihenschaltung ist dafür an eine +24-V-Quelle anzuschlie- ßen, dass andere muss auf einen digitalen SPS-Eingang aufgeschaltet sein. Ein NC(normally closed)-Kontakt ist ein Öffner. Das bedeutet, der Kontakt ist geöffnet, wenn alles in ordnung ist. Wenn der Geräteschutzschalter durch einen Fehler ausgelöst hat, schließt der Kontakt (Abb. 17). Einzelsignalisierung oder Gruppen- signalisierung Mehrkanalige Geräteschutzschalter ver- fügen in der Regel über eine Gruppensig- nalisierung in Form eines potenzial freien No-Kontakts. Einkanalige Geräteschutz- schalter verfügen meist ebenfalls über einen No-Kontakt zur Einzelkanalsig- nalisierung. Diese kann aber auch bei einer Gruppe von Einzelgeräten in Reihe geschaltet und so zu einer Gruppensigna- lisierung zusammengefasst werden. Dies spart unter Umständen mehrere digitale Eingänge an einer SPS gegenüber einer Einzelkanalsignalisierung.

Grundlagen Geräteschutzschalter | Erweiterte Funktionen 3.4 Mit oder ohne Strombegrenzung Je nach Anwendungsfall muss entschieden werden: Eine strombegrenzende technologie hat den Vorteil, dass niemals mehr Strom als bis zur definierten Grenze im Lastkreis fließt. Die Grenze liegt meist zwischen dem 1,25- bis 2,0-fachem Nennstrom. Dadurch wird auch die Stromversorgung nicht zu stark belastet. Für sie sieht dann selbst ein harter Kurzschluss nur wie eine leichte Überlast aus. Auch müssen keine überdimensionierten Leitungen gelegt werden. Unter Umständen lässt eine strombegrenzende technologie jedoch zu wenig Strom im Einschaltmoment durch. Dies ist aber für das einwandfreie Starten einer Last erforderlich, z. B. um das An- laufmoment eines Motors aufzubauen. Geräteschutzschalter ohne strombegren- zende technologie sorgen dafür, dass im Einschaltmoment der Strom in Richtung Last voll durchgelassen wird. Dadurch werden auch schwierige Lasten schnel- ler gestartet, z. B. Motoren mit hohen Anlaufmomenten oder kapazitive Lasten. hierbei werden intelligente Stromanaly- severfahren eingesetzt, die einen echten harten Kurzschluss von hohen Einschalt- strömen unterscheiden. So wird sicher abgeschaltet, bevor es zu kritischen Anlagenbetriebszuständen kommt. 3.5 Galvanische trennung in manchen Branchen, wie z. B. der Pro- zessindustrie, ist eine echte galvanische trennung gefordert. So wird z. B. beim Freischalten im Wartungsfall sicherge- stellt, dass keine physikalische Verbindung zur Stromversorgung mehr besteht. Der Strompfad wird im Fehlerfall komplett galvanisch isolierend aufgetrennt. Für thermische und thermomagne- tische Geräteschutzschalter ist diese Anforderung keine herausforderung. Ein MoSFEt als schaltendes Element in ei- nem elektronischen Geräteschutzschalter kann dies vom Wirkprinzip nicht leisten. Er wird in diesem Moment sehr hoch- ohmig und schnürt somit den Stromfluss nahezu vollständig ab, ohne ein echtes Öffnen eines Kontakts. Um zusätzlich eine galvanische trennung zu realisieren, bietet sich eine Kombination aus Relais und MoSFEt als Lösung an und macht die Sache robust und langlebig. im Abschalt- und Zu- schaltvorgang wird der Laststrom über den MoSFEt geführt. Die Kontakte des galvanischen trennelements (Relais) werden somit vor Kontaktbrand bzw. Festschweißen geschützt. im eingeschal- teten Betriebszustand wird der Laststrom dann jedoch nahezu verlustfrei über das Relais geführt. 18 PhoENix CoNtACt

> aus M1-Kennlinie > aus E-Kennlinie Werte für Beispielrechnung = 24 V DC U = 0,14 V DC UCB = 15 xi = 2 iCB = 1 A RCB1A = 1,1 ρ A typische innenwiderstände, Kapitel 4.3 = 0,01786 > Kupfer = 1,5 mm2 > angenommen > aus tabelle Grundlagen Geräteschutzschalter | Einflussfaktoren in der Applikation Schutzschalter als Schutzgerät einge- setzt werden. Denn ein elektronischer Schutzschalter reagiert bereits auf Ströme nahe des Nennstroms. Wird der fließen- de Strom als Fehler erkannt, folgt die Abschaltung kurzfristig. Der Leitungswi- derstand, der den Auslösestrom zu stark begrenzen würde, fällt plötzlich nicht mehr ins Gewicht (Abb. 19). Beim elektronischen Überstromschutz werden Ströme und Spannungen gemes- sen und analysiert, Fehlerströme werden erkannt und entsprechend abgeschaltet. Dadurch liegt der benötigte Fehlerstrom z. B. beim 1,2- bis 2,0-fachen und nicht wie beim mechanischen Schutzschalter beim bis zu 15-fachen. So kann viel prä- ziser geschützt werden. Jedoch wird bei langen Leitungen der Spannungsfall viel bedeutender, denn es nützt wenig, dass der Strom am Verbraucher ankommt, wenn nur noch eine geringe Restspannung vorliegt. Daher sollte der Spannungsfall ebenfalls in der Projektierung berücksich- tigt werden. Leitungsberechnung Damit im Kurzschlussfall oder bei einem Überlaststrom das Schutzgerät sicher abschaltet, sollte im Zweifel die maximal verwendbare Leitungslänge berechnet werden (Abb. 20 und 21). Für die Berechnung sind folgende Da- Nennspannung Spannungsabfall Geräte- schutzschalter Bemessungsstrom Geräte- schutzschalter Auslösefaktor gem. Stromkenn- linie/Vielfache des Nennstroms ten erforderlich: Rmax Maximaler Gesamtwiderstand U UCB iCB xi RLmax Leitungswiderstand maximal RCB1A Lmax A ρ innenwiderstand Geräteschutz - schalter 1 A Leitungslänge maximal Leitungsquerschnitt Spezifischer Leitungswiderstand Rho, (Cu 0,01786) U 24 V Rmax = = = 1,6 Ω ICB • xI 1 A • 15 RLmax = Rmax - RCB1A = 1,6 Ω - 1,1 Ω = 0,5 Ω RLmax • A 0,5 Ω • 1,5 mm2 Lmax = = = 42 m ρ Ω • mm2 0,01786 • m RLmax = = = 11,93 Ω U - UCB ICB • xI 24 V - 0,14 V 1 A • 2 RLmax • A 11,93 Ω • 1,5 mm2 Lmax = = = 1001 m ρ Ω • mm2 0,01786 • m Abb. 20: Berechnung in drei Schritten: 1. Gesamtwiderstand des Stromkreises 2. Maximaler Leitungswiderstand 3. Maximale Leitungslänge Abb. 21: Leitungsberechnung elektronische Schutzschalter Der errechnete Wert ist lediglich in der theorie möglich. in der Praxis muss zusätzlich der Spannungsabfall über die Leitung berücksichtigt werden. 20 PhoENix CoNtACt

Grundlagen Geräteschutzschalter | Kommunikation Steuerung Stromversorgung + – + – Output DC 24V 10 A – UOut 29.5V Signal 13 14 Rem SGnd Out 1 Out 2 24V > 100% Boost > 75% > 50% DC OK POut R E W O P T N U Q I ETH 1 ETH 2 LNK LNK ACT ACT X21 X22 RDY BF SF US UA PWR IN PWR OUT X31 X32 30 31 X01 X02 32 33 X03 X04 UA UA X05 X06 UA UA X07 X08 iP 67 io-Link-Master Sensoren Geräteschutz- schalter 1 1 2 2 3 3 4 4 + T U O – N I 1 2 3 4 1 2 L+ C/Q L– 1 2 + N I CBMC 1 -10 A Input AC 100-240V N/- L/+ Lasten ohne io-Link PE N L Abb. 22: Beispielapplikation io-Link IO-Device Description Die io-Device Description, kurz ioDD, hilft bei der Geräteinstallation und Parametrierung. Diese Datei liegt für jedes io-Link-Device vor und wird vom jeweiligen Device-hersteller bereitge- stellt. in ihr findet man die Artikel- bzw. Seriennummer, spezielle gerätespezifische informationen sowie informationen über den hersteller. Darüber hinaus enthält die ioDD alle einstell- und auslesbaren Funktionen des Device. Data Storage Das Kommunikationssystem io-Link bietet über die Grundfunktionalität hinaus noch einige hilfreiche Funktionen. Darunter auch den Data Storage. Diese Funktion ermöglicht die Konfiguration des io-Link-Devices im Master auf dem jeweilig genutzten Port zu speichern. Bei einem Gerätetausch, der z. B. durch einen Defekt notwendig wird, wird dieser Speicherstand auf das neu angeschlossene Gerät übertragen. Somit wird der Gerä- tetausch komfortabler und Stillstandzei- ten minimiert. 22 PhoENix CoNtACt

Grundlagen Geräteschutzschalter | herausforderungen in Applikationen Startverhalten Kleinsteuerung Nennstrom Anlaufstrom/Zeit 100 mA 2 x in = 200 mA / ca. 180 ms 10 x in = 2 A mA / ca. 5 ms Startverhalten Halogenlampe Nennstrom Anlaufstrom/Zeit 2 A 2 x in = 4 A / ca. 25 ms 6 x in = 12 A / ca. 5 ms Startverhalten Leistungsschütz Nennstrom Anlaufstrom/Zeit ca. 17 ms 2 x in = 400 mA / ca. 17 ms 30 x in = 6 A / ca. 10 ms Startverhalten Temperaturmessumformer Nennstrom Anlaufstrom/Zeit 100 mA 2 x in = 200 mA / ca. 2 ms 3 x in = 300 mA / ca. 1 ms 24 PhoENix CoNtACt

Grundlagen Geräteschutzschalter | Normen und Approbationen 7.3 Schiffszulassungen Die drei folgenden Zulassungen im Schiffsbau sind mit die wichtigsten in der Branche: • DNV-GL (Det Norske Veritas und Germani- scher Lloyd) • LR (Lloyd’s Register of Shipping) • ABS (American Bureau of Shipping) Die Umgebungsbedingungen und Einflüs- se auf einem Schiff sind deutlich rauer als in gewöhnlichen Maschinen und Anlagen. Daher ist es mit sehr hohem Aufwand verbunden, die erforderlichen Prüfungen zu bestehen. Vor allem Schock-, Vibra- tions- und EMV-Einflüsse werden auf einem sehr hohen Level abgeprüft. Somit gilt für alle Geräteschutzschalter, die über 7.4 EU-Konformität serklärung (CE-Kennzeichnung) Mit der EU-Konformitätserklärung bestä- tigt der hersteller, dass sein in Verkehr gebrachtes Produkt den geltenden euro- päischen Richtlinien entspricht und damit konform ist. Die elektronischen Schutz- schalter fallen unter die EMV-Richtlinie. Diese Richtlinie wird zugrunde gelegt, um die Erklärung zu erstellen. Die EMV-Prüf- normen werden hier angewandt, um alle Kriterien abzuprüfen. Kann das Produkt als sicher und konform eingestuft werden, erhält es die CE-Kennzeichnung. Die elektronischen Geräteschutzschal- ter fallen unter die Betriebsmittel, die in der Richtlinie 2014/30/EU (EMV-Richtli- nie) beschrieben werden. Die Artikel 2 und 3 im ersten Kapitel der genannten Richtlinie definieren den Geltungsbereich und die Begriffsbestimmungen. hier ein Ausschnitt aus der 2014/30/ EU: „Gerät: ein fertiger Apparat oder eine als Funktionseinheit auf dem Markt bereitgestellte Kombination solcher Apparate, der bzw. die für Endnutzer bestimmt ist und elektromagnetische Störungen verursachen kann, oder dessen bzw. deren Betrieb durch elektromagne- tische Störungen beeinträchtigt werden kann.“ Wesentliche Anforderungen dieser Richtlinie sind: Betriebsmittel müssen nach dem Stand der technik so entworfen und gefertigt sein, dass sie folgende Kriterien erfüllen: • Die von ihnen verursachten elektroma- gnetischen Störungen erreichen keinen Pegel, bei dem ein bestimmungsge- mäßer Betrieb von Funk- und tele- eine Schiffszulassung verfügen, dass diese in den meisten Umgebungen bedenkenlos eingesetzt werden können. kommunikationsgeräten oder anderen Betriebsmitteln nicht möglich ist. • Sie sind gegen die bei bestimmungsge- mäßem Betrieb zu erwartenden elekt- romagnetischen Störungen hinreichend unempfindlich, um ohne unzumutbare Beeinträchtigung bestimmungsgemäß arbeiten zu können. Für die EU-Konformitätserklärung muss die Übereinstimmung von Geräten mit den wesentlichen Anforderungen der 2014/30/EU-Richtlinie und die Einhaltung der konkreten EMV-Normen anhand eines Konformitätsbewertungsverfahrens nachweislich dokumentiert werden. 26 PhoENix CoNtACt

Grundlagen Geräteschutzschalter | Sicherer Anlagenbetrieb mit Produkten von Phoenix Contact 8 Sicherer Anlagenbetrieb mit Produkten von Phoenix Contact Zum Erreichen einer hohen Anlagenverfügbarkeit ist es wichtig, nicht nur einzelne Komponenten zu betrachten. Das gesamte System ist bei der Planung zu berücksichtigen. Von der Systemeingangsspannung bis zur Verbraucherspannung müssen die Komponenten aufeinander abgestimmt sein. Nur so ist die Verfügbarkeit sicher gestellt. Phoenix Contact bietet dafür die idealen Produkte. Überspannungsschutz • Die maßgeschneiderte Überspannungs- schutzlösung bietet optimalen Schutz für industrielle Stromversorgungen • Durch den potenzialfreien Fernmelde- kontakt wird der Schutzstatus an die Leitwarte übermittelt • Die steckbaren Überspannungsschutz- geräte können im Fall einer Überlas- tung einfach getestet und ausgetauscht werden Stromversorgung • Unterschiedliche Funktionalitäten, Leistungsklassen und Bauformen für unterschiedliche Anwendungsbereiche und Branchen • Die einzigartige SFB technology und die präventive Funktionsüberwachung erhöhen die Verfügbarkeit der Anwen- dung • Einfache Anlagenerweiterung durch statischen Boost, Starten schwieriger Lasten durch dynamischen Boost Geräteschutzschalter • Für jede Anforderung der ideale Gerä- teschutz dank vollständigem Portfolio • Anlagenzustände perfekt kontrolliert durch intelligente Analyse und Signali- sierung von Störungen • Einfache inbetriebnahme durch werkzeuglose Anschlusstechnik und intuitive Bedienung 28 PhoENix CoNtACt

Grundlagen Geräteschutzschalter | Glossar 9 Glossar Aktive Strombegrenzung Der fließende Strom wird in jedem Betriebszustand auf einen bestimmten, vom hersteller festgelegten Maximalwert begrenzt. Dies gilt sowohl für Fehlerströ- me als auch für Anlaufströme. Anschlussart Angabe zur Leiteranschlusstechnik, z. B. Schraubklemme oder schraubenloser Push-in-Anschluss. Anzahl der Pole Die Polzahl gibt an, wie viele Strompfade gleichzeitig geschützt und im Fehlerfall mehrpolig abgeschaltet werden. Die einzelnen Strompfade sind dabei zusam- men gekoppelt und müssen im Fehlerfall gemeinsam abschalten. Anzahl der Kanäle Es gibt einkanalige und mehrkanalige Ge- räteschutzschalter. Bei den mehrkanaligen Schutzschaltern sind die einzelnen Kanäle voneinander unabhängig und schützen unterschiedliche Pfade. Auslösebereich Das Auslöseverhalten kann nicht mittels einer einzigen exakten Kennlinie definiert werden. Die internen Bauteile unterliegen gewissen toleranzen. Deshalb ergibt sich ein Auslösebereich, in dem der Geräte- schutzschalter arbeitet. Auch elektroni- sche Schutzschalter haben toleranzen, die aber wesentlich geringer ausfallen und schützen somit wesentlich präziser. Auslösekennlinien Sie zeigen das Auslöseverhalten eines Geräteschutzschalters. in einem Diagramm sind die Schaltzeit und die Stromstärke dargestellt, bei der ein Schutzschalter auslöst. Backup-Fuse integriertes, zusätzliches Sicherungs- 30 PhoENix CoNtACt element, das den Geräteschutzschalter im seltenen Fall, in dem die Elektronik versagen kann, schützt. Bedingte Kurzschlussfestigkeit Die bedingte Kurzschlussfestigkeit inc beschreibt den maximalen Strom, den ein Schutzschalter oder eine Schutz- vorrichtung unterbrechen kann, wobei die Funktion des Schutzschalters für den weiteren Gebrauch nicht erhalten werden muss. Die bedingte Kurzschlussfestigkeit muss größer sein als der im Kreis maximal mögliche Kurzschlussstrom. Dabei ist der prospektive Kurzschluss- strom gemeint, der auf dem kürzesten Weg, ohne Schutzvorrichtung, im Kreis fließen würde. Bemessungswerte Werte, für die ein Betriebsmittel bemessen ist, z. B. Bemessungsstrom, -spannung, -frequenz. Betätigungsart Beschreibt die Art, wie ein Geräte- schutzschalter betätigt oder rückgestellt wird. Es gibt Varianten mit selbsttätiger Rückstellung oder solche für manuelle Betätigung. Diese sind mit einem Schalthebel für regelmäßige oder nicht regel mäßige Schalthandlung ausgestattet. Betriebskennlinien Kennlinien, die das Verhalten eines Geräteschutzschalters unter bestimmten Strom- und Spannungswerten beschreiben. Bemessungskurzschlussschaltver- mögen Das Bemessungskurzschlussschaltvermö- gen icn beschreibt den maximalen Strom, den ein Schutzschalter unter festgelegten Bedingungen einschalten, während der Öffnungszeit führen und abschalten soll. Dabei gilt die Regel, dass auch das zwei- malige wiederholte Einschalten auf einen Kurzschluss vom Schutzschalter erfolg- reich bewältigt wird. Bemessungsstrom Unter dem Bemessungsstrom iN versteht man bei den Schutzschaltern den Strom, der unter vom hersteller festge legten Bedingungen dauerhaft fließen darf und bei dem der Schutzschalter noch nicht auslösen darf. Zu den Bediengungen gehören z. B. die Nennspannung, die Umgebungstemperatur und die Einbaulage. Bemessungsspannung Unter der Bemessungsspannung UN versteht man bei den Schutzschaltern den Spannungswert, auf den sich die Betriebs- und Leistungsmerkmale beziehen. Elektronische Verriegelung Diese Verriegelung verhindert ein versehentliches Verstellen des einmal eingestellten Nennstroms pro Kanal. Freiauslösung Auslösung eines Geräteschutzschalters, ohne dass die Schaltstellung des Schalt- hebels geändert wird. Galvanische Trennung Der hauptlaststrom wird zusätzlich physikalisch über eine echte Luft strecke durch sich öffnende Kontakte getrennt. Geräteschutzschalter Schutzschalter, die vor möglichen Defekten infolge von Kurzschluss oder Überlast schützen. Sie sind speziell für den Schutz von Geräten und Aktoren in technischen Anlagen und Maschinen ausgelegt. Hauptkontakt Kontakt im hauptstromkreis, der den Strom in geschlossener Stellung führen soll.

8 1 0 2 t C A t N o C x N E o h P © i 4 0 / 1 0 - 0 1 - 8 1 0 2 / 9 3 5 3 0 0 2 5 R N M y n a m r e G n i d e t n i r P . . 3 L 0 0 0 8 1 - 5 0 t t Ihren lokalen Partner finden Sie auf phoenixcontact.comIhr Partner vor OrtPhoenix Contact ist ein weltweit agierender Marktführer mit Unternehmenszentrale in Deutschland. Die Unternehmensgruppe steht für zukunftsweisende Produkte und Lösungen für die umfassende Elektrifizierung, Vernetzung und Automatisierung aller Sektoren von Wirtschaft und Infrastruktur. Ein globales Netzwerk garantiert die wichtige Nähe zum Kunden.