INTERFACE Anwenderhandbuch SYS POWER SUPPLY UM Art.-Nr.
INTERFACE Anwenderhandbuch Stromversorgungen 07/2005 Bezeichnung: SYS POWER SUPPLY UM Revision: 03 Art.-Nr.
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Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines ............................................................................................................................1-1 2 Grundlagen .............................................................................................................................2-1 3 2.1 Mechanischer Aufbau ........................................................................................ 2-1 2.1.1 Open-Frame-Geräte ............................................................
SYS POWER SUPPLY UM 4 3.18 Oberwellen .......................................................................................................3-47 3.18.1 Oberwellenfilter (Spule) ....................................................................3-51 3.18.2 PFC ..................................................................................................3-52 3.19 Zulassungen.....................................................................................................
Allgemeines 1 Allgemeines Eine Stromversorgung hat entscheidenden Einfluss auf die Verfügbarkeit und Betriebssicherheit elektrischer Anlagen. Daher sollte die Auswahl einer passenden Stromversorgung genauso kritisch und sorgfältig erfolgen wie die der übrigen Anlagenkomponenten. Die immer kürzer werdenden Innovationszyklen in der Automatisierungstechnik erfordern die Konzentration des Planers auf wesentliche Aufgaben. Universelle Stromversorgungen müssen daher allen Anforderungen gerecht werden.
SYS POWER SUPPLY UM 1-2 PHOENIX CONTACT 5598_de_03
Grundlagen 2 Grundlagen In diesem Kapitel lernen Sie die wichtigsten Grundbegriffe zum Thema „Stromversorgung“ kennen. Diese Informationen ermöglichen es Ihnen, eine Stromversorgung auszuwählen, die Ihre Anforderungen bestmöglich erfüllt. 2.
SYS POWER SUPPLY UM 2.1.1 Open-Frame-Geräte 5598A406 Bild 2-1 Open-Frame-Gerät Stromversorgungen, die in 19"-Technik oder als Open-Frame-Module aufgebaut sind, werden hauptsächlich zur Versorgung von Einzelkomponenten innerhalb eines bestehenden Gehäuses eingesetzt (z. B. eine interne Stromversorgung eines Oszilloskops). Geräte in Open-Frame-Bauweise entsprechen der Schutzart IP00. Diese Geräte sind weder gegen das Eindringen von festen Fremdkörpern noch gegen Wasser geschützt.
Grundlagen 2.1.2 Gehäuse-Geräte OK D C O u tp u t D C 2 4 V 2 0 A DC In p u t 3 A L C 1 4 0 L 02 5 0 0 L V 3 T IN U Q 2 Ad 2 ,5 ju -2 st 8 ,5 V P 1 3 W O 1 4 E R OK 5598C407 Bild 2-2 Gehäuse-Geräte (Beispiel: QUINT POWER 20A/3-phasig) Stromversorgungen, die in einem eigenen Gehäuse untergebracht sind, werden als Gehäuse-Geräte bezeichnet.
SYS POWER SUPPLY UM 2.2 Elektrischer Aufbau Bei Stromversorgungen unterscheidet man zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen. Um Missverständnissen vorzubeugen, werden diese Größen in Bild 2-3 dargestellt.
Grundlagen Schutzklasse Elektrische Verbrauchsmittel, zu denen auch Stromversorgungen zählen, werden nach DIN VDE 0106 Teil 1 in die Schutzklassen 0, I, II und III eingeteilt. Geräte der Schutzklasse 0 sind in Deutschland nicht zugelassen. Bei Kompakt-Stromversorgungen ist der Geräteaufbau nach Schutzklasse I oder II üblich. Die Schutzklassen beziehen sich jeweils auf das Einzelgerät.
SYS POWER SUPPLY UM Sichere Trennung Zwei Stromkreise gelten nach DIN VDE 0106 Teil 101 als sicher getrennt, wenn die Spannung des einen Stromkreises mit hinreichender Sicherheit nicht in den anderen Stromkreis übertreten kann. Dazu gehört eine sorgfältige Auswahl der Isolierung, der Einsatz von Sicherheitstransformatoren und die vollständige galvanische Trennung einschließlich der Trennung der Regelkreise durch Optokoppler.
Grundlagen Sekundärseitige Erdung Sekundärseitige Erdung ermöglicht den zuverlässigen Schutz bei Erdschlüssen in Gleichspannungskreisen von elektrischen Anlagen. Erdschlüsse können zu gefährlichen Zuständen für Mensch und Maschine führen. Ein Erdschluss ist die unzulässig leitende Verbindung nach PE, z. B. wenn infolge einer Beschädigung der Isolierung das blanke Kabel ein geerdetes Gehäuse berührt.
SYS POWER SUPPLY UM Zuverlässiger Schutz wird durch die sekundärseitige Erdung der Kleinspannung nach PE an definierter Stelle erreicht. Idealerweise wird, wie in Bild 2-5 gezeigt, die sekundärseitige Erdung direkt an der Ausgangsklemme der Stromversorgung ausgeführt. Wird auf diese Weise der erste Erdschluss bewusst und an definierter Stelle erzeugt, verursacht jeder weitere ungewollte Erdschluss unweigerlich im kritischen Bereich zwischen Sicherung und Verbraucher den Kurzschluss der Ausgangsspannung.
Grundlagen Bild 2-6 zeigt, wie die sekundärseitige Erdung der Kleinspannung nach PE nach VDE 0100-410 erfolgen kann.
SYS POWER SUPPLY UM 2.3 Regelarten Neben dem mechanischen und elektrischen Aufbau ist für die Auswahl einer Stromversorgung die Art der Regelung von zentraler Bedeutung. Grundsätzlich muss hierbei zwischen geregelten und ungeregelten Geräten unterschieden werden. 2.3.1 Spannungsschwankungen am Ausgang, guter Wirkungsgrad Ungeregelte Geräte Bei ungeregelten Geräten wird die netzseitige Wechselspannung über einen 50-Hz-Transformator übertragen und anschließend gleichgerichtet.
Grundlagen 2.3.2 Längsregler Primärschaltregler Geregelte Geräte Bei geregelten Stromversorgungen haben sich in der Praxis zwei Varianten durchgesetzt: Zum einen das weit verbreitete Prinzip der längsgeregelten Geräte und zum anderen das Prinzip der primär getakteten Stromversorgungen. Entwicklungserfolge im Bereich der Leistungselektronik haben dazu beigetragen, dass die primär getakteten Stromversorgungen zunehmend an Bedeutung gewinnen.
SYS POWER SUPPLY UM Geregelte primär getaktete Geräte Konstante Ausgangsspannung, guter Wirkungsgrad In primär getakteten Schaltnetzteilen wird die Netzwechselspannung zunächst gleichgerichtet. Die so erzeugte Gleichspannung wird geglättet und zerhackt oder getastet. Das geschieht periodisch durch einen Leistungstransistor bei Frequenzen von 40 kHz bis 180 kHz. Die entstehende Rechteckspannung wird mit Hilfe eines Hochfrequenz-Übertragers transformiert.
Grundlagen U teinschalt tausschalt t 5598D007 Bild 2-10 Diagramm zum Tastverhältnis Der Wirkungsgrad von primär getakteten Geräten liegt mit 80 % bis 90 % deutlich über dem der linear geregelten Geräte. Dadurch entsteht bei einem primär getakteten Gerät weniger Verlustwärme und der ohnehin relativ kleine Übertrager muss nur wenig Verlustleistung bereitstellen. Leicht und kompakt Schaltungen nach dem Prinzip der Primärschaltregler ermöglichen den Aufbau von besonders leichten und kompakten Geräten.
SYS POWER SUPPLY UM 2.4 Wandlerprinzipien Für den Einsatz in primär getakteten Stromversorgungen haben sich die unterschiedlichsten Wandlerprinzipien bewährt. Dabei wird grundsätzlich zwischen Eintaktwandlern und Gegentaktwandlern unterschieden. Der Eintaktwandler stellt die einfachste Realisierung eines primär getakteten Schaltnetzteils dar. Nachfolgend werden in Bild 2-11 die wichtigsten Wandlerprinzipien beschrieben.
Grundlagen 2.4.1 Sperrwandler Die größte Verbreitung für „kleinere“ Leistungen findet der Sperrwandler. Bislang wurden Sperrwandler nur in Stromversorgungen mit Leistungen bis ca. 200 W verwendet. Leistungsfähigere Bauteile mit geringeren Verlustleistungen ermöglichten die Weiterentwicklung des Sperrwandlers, so dass dieser inzwischen für Stromversorgungen mit Ausgangsleistungen bis ca. 1000 W eingesetzt werden kann. Unterschieden werden Sperrwandler nach der Anzahl der eingesetzten Leistungsschalter.
SYS POWER SUPPLY UM + ü I1 Ua D1 Ue U1 U2 C1 C2 Tr USt - S1 5598D412 Bild 2-12 Sperrwandler mit geschlossenem Leistungsschalter S1 Am Eingang des Sperrwandlers liegt die gleichgerichtete Netzspannung Ue an. Die Kapazität C1 dient als Zwischenspeicher, da dort während der Sperrphase die Energie gespeichert wird. Bei geschlossenem Leistungsschalter S1 ist die Primärspannung der Übertragers U1 gleich der Eingangsspannung Ue.
Grundlagen Wird der Leistungsschalter S1 geöffnet, polen sich die Spannungen U1 und U2 am Übertrager Tr entsprechend dem Induktionsgesetz um. Der Übertrager wirkt nun wie eine Stromquelle. Die Diode D1 wird leitend und gibt die gespeicherte Energie an die Kapazität C2 weiter. Bei diesem Wandlerprinzip erfolgt kein kontinuierlicher Energietransport. Nur bei geöffnetem Leistungsschalter S1 wird Energie in den Ausgangskreis übertragen. Daher nennt man diesen Wandler Sperrwandler.
SYS POWER SUPPLY UM Sperrwandler mit zwei Leistungstransistoren Für Leistungen zwischen 200 W und 1000 W werden Sperrwandler mit zwei Leistungstransistoren eingesetzt, die parallel angesteuert werden. Das Funktionsprinzip dieses Sperrwandlers ist dem bereits vorgestellten Grundprinzip sehr ähnlich. Im Primärkreis werden mit den zwei Leistungsschaltern zwei Dioden erforderlich, der Sekundärkreis ist gegenüber dem Grundprinzip des Sperrwandlers unverändert.
Grundlagen 2.4.2 Durchflusswandler Primär getaktete Stromversorgungen mit Ausgangsleistungen über 200 W wurden bislang mit Durchflusswandlern aufgebaut. Inzwischen können für Leistungen bis 1000 W auch Sperrwandler eingesetzt werden. Der platzsparende und zuverlässige Sperrwandler ersetzt daher zunehmend den Durchflusswandler in höheren Leistungsklassen. Im nachfolgenden Kapitel wird das Schaltungsprinzip des Durchflusswandlers vorgestellt.
SYS POWER SUPPLY UM Ist der Schalter S1 geschlossen, fließt der Strom I1 durch die Primärwicklung N1 des Übertragers Tr. Ein Teil des Stroms I1 wird im Übertrager Tr wie beim Sperrwandler als magnetische Energie gespeichert. Die Wicklungen N1 und N2 haben anders als beim Sperrwandler den gleichen Wicklungssinn. Dadurch induziert der Strom I1 in der Sekundärwicklung N2 eine Rechteckspannung U2 mit gleicher Polarität.
Grundlagen Damit beim erneuten Schließen des Leistungsschalters S1 der Übertrager Tr wieder für den maximalen Energiefluss vom Primär- in den Sekundärkreis zur Verfügung steht, muss die während des geöffneten Leistungsschalter S1 im Übertrager Tr verbliebene magnetische Restenergie wieder abgebaut werden. Der Sekundärkreis steht dabei durch die sperrende Diode D1 nicht zur Verfügung. Daher wird primärseitig eine zusätzliche Wicklung N1' benötigt, über die die magnetische Energie abgebaut wird.
SYS POWER SUPPLY UM USt S1 geöffnet S1 geschlossen t t1 T Ue U1 t -Ue U3 Ue .
Grundlagen 2.4.3 Gegentaktwandler Gegentaktwandler werden für sehr große Leistungen ab 1000 W eingesetzt. Im Prinzip bestehen Gegentaktwandler aus zwei Durchflusswandlern und sind daher immer mit zwei Leistungsschaltern aufgebaut. Beim Gegentaktwandler wird jeder Takt zur Energieübertragung genutzt, daher können am Ausgang viel höhere Ausgangsleistungen bereitgestellt werden als beim Durchflusswandler.
SYS POWER SUPPLY UM 2-24 PHOENIX CONTACT 5598_de_03
Wissenswertes aus der Praxis 3 Wissenswertes aus der Praxis In diesem Kapitel werden Fragen beantwortet, die in der Praxis auftreten können. Die Fragen sind nach Themenschwerpunkten sortiert und dienen dem Anwender als Nachschlagewerk sowohl im Planungsstadium als auch in der Wartung und Erweiterung bestehender Anlagen. 3.1 Parallelschaltbarkeit Prinzipiell können nur dafür ausgelegte Stromversorgungen parallel geschaltet werden.
SYS POWER SUPPLY UM Geräteabgleich 1. Stromversorgung 1 ist in Betrieb und befindet sich im Leerlauf. Über das Potentiometer wird mit Hilfe des Voltmeters die gewünschte Ausgangsspannung eingestellt (siehe Bild 3-1). Output 24 V DC Output 24 V DC 13 14 DC OK 13 14 DC OK V 5598D008 Bild 3-2 2. 3-2 PHOENIX CONTACT Spannungsabgleich (2. Schritt) Beide Stromversorgungen und das Voltmeter werden gemäß Bild 3-2 miteinander verschaltet.
Wissenswertes aus der Praxis 3.1.1 Anwendungsgebiet Anlagenerweiterung Parallelschaltung zur Leistungserhöhung Die Parallelschaltung zur Leistungserhöhung findet ihren Einsatz bei der Erweiterung bestehender Anlagen. Hierbei ist die Parallelschaltung nur dann erforderlich, wenn der leistungsstärkste Verbraucher einen größeren Strombedarf hat, als durch eine vorhandene Stromversorgung abgedeckt werden kann.
SYS POWER SUPPLY UM Bei der in Problemstellung 1 beschriebenen Anlage soll der vorhandene 5-A-Verbraucher durch einen 25-A-Verbraucher ersetzt werden. 20 A 25 A Austausch 25 A 20 A 8A 20 A 8A SOLL: 5A 5A IST: 5A Problemstellung 2 5598D022 Bild 3-4 Lösung Beispiel mit 25-A-Verbraucher Ein 20-A-Einzelgerät kann diesen Verbraucher nicht als Einzelgerät mit elektrischer Energie versorgen.
Wissenswertes aus der Praxis Tipps für die Realisierung Stromversorgung 1 Stromversorgung 2 24 V DC 24 V DC Last 5598D009 Bild 3-5 Parallelschaltung sekundärseitig richtig Alle Kabelverbindungen müssen von der Stromversorgung zur Sammelschiene gleich lang und mit gleich großem Querschnitt ausgeführt werden! 5598_de_03 PHOENIX CONTACT 3-5
SYS POWER SUPPLY UM Die Geräte dürfen niemals wie in Bild 3-6 dargestellt angeschlossen werden, weil dann die Anschlussklemmen überlastet werden könnten. Alle Geräte mit COMBICON-Anschlusssteckern dürfen mit maximal 20 A je Klemmstelle belastet werden.
Wissenswertes aus der Praxis 3.1.2 Parallelschaltung zum Aufbau redundanter Schaltungen Anwendungsgebiete Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit Redundante Schaltungen sind zur Versorgung von Anlagen gedacht, die besonders hohe Anforderungen an die Betriebssicherheit stellen. Kommt es im Primärkreis der ersten Stromversorgung zu einem Defekt, so übernimmt automatisch das zweite Gerät unterbrechungsfrei die vollständige Stromversorgung und umgekehrt.
SYS POWER SUPPLY UM Um die Geräte unabhängig vom Ausfall einer Phase betreiben zu können, sollte - wenn möglich - jedes Einzelgerät an eine unterschiedliche Phase angeschlossen werden (siehe Bild 3-7). ~ 400 V AC Anschluss an L1 Anschluss an L2 L1 L2 L3 N PE L N PE L N PE 24 V DC Last Bild 3-7 5598D011 Redundanzbetrieb einphasig Bei dreiphasigen Geräten mit externer Absicherung ist für jedes Gerät eine einzelne Absicherung vorzusehen.
Wissenswertes aus der Praxis ~ 400 V AC L1 L2 L3 N PE L1 L2 L3 PE L1 L2 L3 PE 24 V DC Last Bild 3-8 5598_de_03 Last 5598D012 Redundanzbetrieb dreiphasig PHOENIX CONTACT 3-9
SYS POWER SUPPLY UM Ausgangsseitige Entkoppeldioden überflüssig Alle parallelschaltbaren Stromversorgungen von Phoenix Contact sind so großzügig dimensioniert, dass ein geräteinterner, sekundärseitiger Kurzschluss nahezu ausgeschlossen werden kann. Daher werden für die Parallelschaltung von mehreren Stromversorgungen keine ausgangsseitigen Entkoppeldioden benötigt. Lediglich zur 100 %-igen Redundanz und bei Verwendung von mehr als zwei Geräten werden externe Dioden benötigt.
Wissenswertes aus der Praxis 3.2 Spannungsverdopplung 48 V DC Reihenschaltung zur Spannungserhöhung (48 V DC) Von den dafür ausgelegten Geräten können zwei Stück zur Spannungsverdopplung in Reihe geschaltet werden (48 V DC). Phoenix Contact hat alle Stromversorgungen vom Typ QUINT POWER für Reihenschaltung ausgelegt. Zur Reihenschaltung sollten nur Geräte gleicher Leistungsklasse verwendet werden.
SYS POWER SUPPLY UM 3.3 Präventive Funktionsüberwachung DC-OK Die Kombination aus Funktionsüberwachung und Fehlerfrüherkennung heißt bei Phoenix Contact „Präventive Funktionsüberwachung“. Mit dieser Technik wird die Ausgangsspannung zuverlässig überwacht und ein Fehler am Verbraucher frühzeitig signalisiert. Die Funktionsüberwachung ist eine separate elektronische Schaltung in der Stromversorgung, die ständig die eingestellte Ausgangsspannung überwacht.
Wissenswertes aus der Praxis Bild 3-10 zeigt den Verlauf der Spannung U über der Zeit t. Die Ausgangsspannung beträgt mehr als 90 % des eingestellten Werts. Dieser Zustand wird durch dauerhaftes Leuchten der LED, durch einen Spannungspegel von 24 V DC am Schaltausgang und durch den geschlossenen Relaiskontakt signalisiert.
SYS POWER SUPPLY UM Bild 3-11 zeigt den Verlauf der Spannung U über der Zeit t. Zum Zeitpunkt t1 sinkt die Ausgangsspannung ab und unterschreitet die Meldeschwelle. Dies wird durch eine blinkende LED, einen Spannungspegel von 0 V am Schaltausgang und den geöffneten Relaiskontakt signalisiert. Ein Absinken der Ausgangsspannung wird häufig durch einen Fehler des Verbrauchers verursacht. Typische Fehler sind Kurzschluss oder Überlast.
Wissenswertes aus der Praxis In Bild 3-12 und Bild 3-13 wird gezeigt, wie die Beschaltung der Signalausgänge zur Auswertung mit Signalleuchten erfolgen kann. Beide Signalausgänge können auch mit einer übergeordneten Steuerung, z. B. einer SPS, direkt ausgelesen werden. Output 24 V DC 13 14 DC OK 24 V DC 40 mA DC OK 5598D302 Bild 3-12 DC-OK-Schaltausgang Output 24 V DC 13 14 DC OK DC OK max.
SYS POWER SUPPLY UM Fehlerfrüherkennung Stromversorgungen mit Funktionsüberwachung werden überall dort eingesetzt, wo es auf höchste Verfügbarkeit und minimale Stillstandszeiten einer Anlage ankommt. Fehler eines Verbrauchers, die zur Überlastung der Stromversorgung führen können, sind oft nur schwer oder gar nicht zu lokalisieren. Auf lange Sicht kann dies zu kostspieligen und wartungsintensiven Anlagenausfällen führen. Abhilfe schafft hier eine Fehlerfrüherkennung, die präventive Funktionsüberwachung.
Wissenswertes aus der Praxis Signalisierung im Parallelbetrieb Die Anlagenverfügbarkeit wird zusätzlich erhöht, wenn zwei Stromversorgungen zur Redundanz parallel geschaltet werden. Zur sofortigen Signalisierung eines Geräteausfalls und zur Aufrechterhaltung der Redundanz zu jedem Zeitpunkt wird die Fernüberwachung jeder einzelnen Stromversorgung empfohlen. Mehrere Stromversorgungen können einzeln oder mit einem gemeinsamen Signal überwacht werden.
SYS POWER SUPPLY UM Die folgenden Tabellen geben einen Überblick darüber, welches Signal welche Bedeutung hat: Tabelle 3-2 QUINT POWER Grüne LED „DC OK“ LED leuchtet Transistorschaltausgang U = 24 V U=0V U=0V Potenzialfreier Kontakt Geschlossen Geöffnet Geöffnet Bedeutung Ausgangsspannung größer als 90 % der eingestellten Spannung Ausgangsspannung geringer als 90 % der eingestellten Spannung Keine Spannung am Ausgang Zustandsbeschreibung – – – – QUINT POWER in Betrieb Ausgangsspannung u
Wissenswertes aus der Praxis Tabelle 3-4 STEP POWER Grüne LED „POWER“ LED leuchtet Rote LED „OVERLOAD“ LED ist aus LED leuchtet LED ist aus Bedeutung – – – – STEP POWER in Betrieb Ausgangsspannung ist OK LED leuchtet – – Am Verbraucher liegt ein Fehler vor STEP POWER in Betrieb Thermisch oder elektrisch überlastet LED ist aus – – – Abhilfe – – – 5598_de_03 Fehler am Verbraucher – beseitigen – Typgleiche STEP POWER zum vorhande- – nen Gerät parallel schalten STEP POWER durch kurzzeitig
SYS POWER SUPPLY UM 3.4 Einstellbereich: +22,5 bis +28,5 V DC Einstellbarkeit der Ausgangsspannung Bei Phoenix Contact gibt es Stromversorgungen mit Festspannungsausgang und mit einstellbarer Ausgangsspannung. Stromversorgungen vom Typ QUINT POWER haben eine Nennausgangsspannung von 24 V, die im Bereich von 22,5 V bis 28,5 V stufenlos eingestellt werden kann. Werkseitig sind diese Geräte auf exakt 24 V DC eingestellt.
Wissenswertes aus der Praxis Tabelle 3-5 l I Lastspannung UL in Abhängigkeit von Ausgangsstrom I und Kabellänge l bei Kupferkabeln mit einem Querschnitt von 1,5 mm2 2,5 A 5A 10 A 20 A 30 A 40 A 0m 24,0 V 28,5 V 24,0 V 28,5 V 24,0 V 28,5 V 24,0 V 28,5 V 24,0 V 28,5 V 24,0 V 28,5 V 10 m 23,42 27,92 22,83 27,33 21,66 26,16 19,32 23,82 16,98 21,48 14,64 19,14 20 m 22,83 27,33 21,66 26,16 19,32 23,82 14,64 19,14 9,96 14,46 5,29 9,79 30 m 22,25 26,75 20,49 24,9
SYS POWER SUPPLY UM Tabelle 3-8 Lastspannung UL in Abhängigkeit von Ausgangsstrom I und Kabellänge l bei Kupferkabeln mit einem Querschnitt von 6 mm2 l I 30 A 40 A 0m 24,0 V 10 m 22,25 26,75 21,66 26,16 20 m 20,49 24,99 19,32 23,82 30 m 18,74 23,24 16,98 21,48 40 m 16,98 21,48 14,64 19,14 50 m 15,23 19,73 12,30 16,80 60 m 13,47 17,97 9,96 14,46 Tabelle 3-9 28,5 V 24,0 V 28,5 V Lastspannung UL in Abhängigkeit von Ausgangsstrom I und Kabellänge l bei Kupferkabeln mi
Wissenswertes aus der Praxis 3.5 Weitbereichseingang Alle Stromversorgungen vom Typ QUINT POWER, MINI POWER und STEP POWER verfügen über einen Weitbereichseingang. So können alle einphasigen Stromversorgungen an Netzen mit Spannungen von 85 bis 264 V AC und alle dreiphasigen Stromversorgungen an Netzen mit Spannungen von 320 bis 575 V AC betrieben werden. Mit diesen Spannungsbereichen sind die wichtigsten weltweiten Versorgungsnetze abgedeckt.
SYS POWER SUPPLY UM 3.
Wissenswertes aus der Praxis Die Anschlussweise einer dreiphasigen Stromversorgung an die unterschiedlichen Netzformen sind in den folgenden Abbildungen dargestellt: Netzformen: TN-S-Netz TN-C-Netz L1 L2 L3 N PE L 1 L 2 L 3 PE L1 L2 L3 PEN L 1 L 2 L 3 PE TT-Netz iT-Netz L1 L2 L3 N L 1 L 2 L 3 PE L1 L2 L3 L 1 L 2 L 3 PE 5598D016 Bild 3-18 5598_de_03 Anschluss dreiphasige Stromversorgung PHOENIX CONTACT 3-25
SYS POWER SUPPLY UM 120 V, einphasig (2-Leiter) Phase 1 120 V AC Nullleiter Erde PE 24 V DC 120 V AC QUINT PS 120/240 V getrennt, einphasig (3-Leiter) Phase 1 240 V AC Nullleiter Phase 2 Erde PE 240 V AC 24 V DC QUINT PS 5598D321 Bild 3-19 3-26 PHOENIX CONTACT US-Netzformen (einphasig) 5598_de_03
Wissenswertes aus der Praxis 480/277 V, dreiphasig (4-Leiter) Phase 1 480 V AC Phase 2 480 V AC Nullleiter PE 480 V AC Phase 3 24 V DC 480 V AC QUINT PS 5598D322 Bild 3-20 US-Netzformen (dreiphasig) Stromversorgungen von Phoenix Contact sind für den Anschluss an alle oben dargestellten Netzformen geeignet.
SYS POWER SUPPLY UM 3.7 Selektive Absicherung mit sekundärseitigen Sicherungen Hochwertige Stromversorgungen sind elektronisch gegen Kurzschluss und Überlastung geschützt. Für den Geräteschutz sind daher bei diesen Stromversorgungen keine externen sekundärseitigen Sicherungen erforderlich. Strompfad n Strompfad 2 Strompfad 1 Wird der Ausgangsstrom einer zentralen 24-V-Stromversorgung auf mehrere Verbraucher aufgeteilt, so empfehlen wir, jeden Strompfad einzeln abzusichern.
Wissenswertes aus der Praxis Ungeregelt Den größten Kurzschlussstrom stellen ungeregelte Stromversorgungen zur Verfügung. Bei diesen Geräten wird der maximale Kurzschlussstrom praktisch nur durch die Sicherung am Geräteausgang begrenzt und kann kurzzeitig typischerweise das Zehnfache des Nenn-Ausgangsstroms betragen. Linear geregelt Bei linear geregelten Geräten wird der Kurzschlussstrom durch die Ausgangssicherung und durch die Reglertemperatur begrenzt und kann kurzzeitig den ca.
SYS POWER SUPPLY UM Sekundärseitige Sicherungen Sekundärseitige Sicherungen NEOZED X X* X X X X X X 10 A QUINT 5 A dreiphasig 6A X 2A X X 6A X X 4A 2A X 4A X QUINT 2,5 A einphasig 2A X 6A X* 4A X 2A QUINT 5 A einphasig 6A 10 A M (mittelträge) 6A F1 (flink) 10 A C 10 A B Typ TMC 4A Leitungsschutzschalter 10 A Tabelle 3-10 Für den Einsatz von sekundärseitigen Sicherungen stellt sich immer wieder die Frage nach dem richtigen Typ.
Wissenswertes aus der Praxis 3.8 Auslegung primärseitiger externer Sicherungen Alle einphasigen Stromversorgungen der Firma Phoenix Contact sind primärseitig mit internen Schmelzsicherungen ausgestattet. Löst diese Sicherung aus, liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Gerätedefekt vor. In diesem Fall ist eine Überprüfung des Gerätes im Werk erforderlich. Dreiphasige Stromversorgungen vom Typ QUINT POWER werden primärseitig extern über dreiphasige thermomagnetische Leitungsschutzschalter abgesichert.
SYS POWER SUPPLY UM 3.9 Auslegung der 24-V-Gleichstromversorgungsleitungen (Leitungsquerschnitt) Die Auslegung von Leitungen erfolgt nach VDE 0100 Teil 523 (Strombelastbarkeit von Leitungen und Kabeln).
Wissenswertes aus der Praxis Beispiel Eine Stromversorgung mit den Ausgangswerten Ia = 5 A und Ua = 24 V versorgt einen Verbraucher, der über ein 5 m langes Kupferkabel mit einem Querschnitt von A = 2,5 mm2 angeschlossen ist.
SYS POWER SUPPLY UM 3.10 Bemessung der AC-Niederspannungszuleitung Nach Formel [2] gilt für einphasige Systeme (mit p = U · I · cos ϕ): 1~ u [%] = 200 p U2 A 200 I U = cos A [3] Nach Formel [2] gilt für dreiphasige Systeme (mit p = √3 U · I · cos ϕ): 3~ u [%] = 100 p U2 A 3 I 100 = U cos [4] A Alle Formelzeichen sind in Kapitel 3.9, „Auslegung der 24-V-Gleichstromversorgungsleitungen (Leitungsquerschnitt)“ definiert.
Wissenswertes aus der Praxis 3.11 Elektro-Magnetische Verträglichkeit Fragen zur EMV In der nachfolgenden Tabelle sind die wichtigsten EMV-Normen (Elektro-Magnetische Verträglichkeit) für die EG-Konformität von Kompakt-Stromversorgungen aufgeführt. Grundsätzlich dürfen Stromversorgungen, die das CE-Konformitätszeichen tragen, andere Geräte nicht in unzulässiger Weise stören und dürfen in ihrer Funktion selbst nicht unzulässig durch andere Geräte gestört werden.
SYS POWER SUPPLY UM Oberwellen Für die Unterdrückung von hochfrequenten Netzrückströmen gilt die Norm EN 61000-3-2. Diese Norm ist am 01.01.2001 in Kraft getreten und basiert auf der Vorgängernorm EN 60555-2. Die EN 61000-3-2 ist Bestandteil der EMV-Fachgrundnorm EN 61000-6-3 (Störaussendung) (siehe auch Kapitel 3.18, „Oberwellen“).
Wissenswertes aus der Praxis 3.13 Überbrückung kurzzeitiger Netzausfälle Für viele Anwendungen ist es erforderlich, dass die Stromversorgung auch bei kurzzeitigen Unterbrechungen der versorgenden Wechselspannung die Gleichspannung puffert. Bei primär getakteten Stromversorgungen kann die Eigenschaft mit geringem geräteinternen Aufwand realisiert werden, indem die im Zwischenkreis zur Verfügung stehende 600-V-Gleichspannung in Kondensatoren gepuffert wird.
SYS POWER SUPPLY UM 3.14 Aktive Einschaltstrombegrenzung statt NTC Einschaltverhalten der Stromversorgung Ein besonderes Augenmerk sollte auf das Einschaltverhalten der Stromversorgungen im warmen Betriebszustand gelegt werden. Die kostengünstigste Schaltungsvariante schützt den Eingang der Stromversorgungen über eine Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstand und NTC (Warmleiter) vor zu hohen Eingangsströmen.
Wissenswertes aus der Praxis 3.15 Ausgangskennlinien von Stromversorgungen Schon beim ersten Einschalten einer Stromversorgung zeigt sich ein gutes Schaltungskonzept. Charakteristisch für das Verhalten der Stromversorgung ist dabei die verwendete Ausgangskennlinie. Die Kennlinie bestimmt den Verlauf der Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom. Hierzu muss beachtet werden, dass kapazitive Lasten (z. B.
SYS POWER SUPPLY UM 3.15.1 Fold-Back-Kennlinie Stromversorgungen mit Fold-Back-Kennlinie sind elektronisch vor Überlast und Kurzschluss geschützt. Der maximale Ausgangsstrom beträgt typischerweise das 1,1-fache des Nennstroms. Bei Überlast durchläuft der Arbeitspunkt die in Bild 3-26 dargestellte Kurve. In Abhängigkeit der Reglertemperatur und bei Kurzschluss schaltet das Gerät den Ausgang ab, um sich vor zu hohen Strömen zu schützen.
Wissenswertes aus der Praxis 3.15.2 U/I-Kennlinie Stromversorgungen mit U/I-Kennlinie sind elektronisch vor Überlast und Kurzschluss geschützt. Der maximale Ausgangsstrom beträgt in der Regel das 1,1-fache des Nennstroms bei einer Gleichspannung von 24 V. Bei höherer Belastung oder Kurzschluss steht weiter der volle Ausgangsstrom von 1,1 · IN bei gleichzeitig abgesenkter Ausgangsspannung zur Verfügung.
SYS POWER SUPPLY UM 3.15.3 U/I-Kennlinie mit Power-Boost Stromversorgungen mit U/I-Kennlinie und Power-Boost sind elektronisch vor Überlast und Kurzschluss geschützt. Bei Nennspannung beträgt der maximale Ausgangsstrom dieser Geräte je nach Typ und Umgebungstemperatur bis zum Zweifachen des Nennstroms. Damit ist die Überlastung einzelner Stromversorgungen von bis zu 100 % zulässig. Bei stärkerer Belastung durchläuft der Arbeitspunkt die in Bild 3-28 dargestellte U/I-Kennlinie.
Wissenswertes aus der Praxis 3.16 Montage und Anschluss Für eine schnelle und sichere Montage industrieller Stromversorgungen ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Stromversorgung tragschienenmontabel und mit einer zuverlässigen Anschlusstechnik bestückt ist. Alle Stromversorgungen von Phoenix Contact sind tragschienenmontabel. Das gilt auch für die leistungsstärksten Geräte mit Ausgangsströmen bis zu 40 A.
SYS POWER SUPPLY UM 1 3 1 4 O K DC QUINT POWER 13 14 Ou V DC OK tp ut DC 24 DC 22 , A 10 OK t jus Ad ,5V 8 5-2 5598C402 Bild 3-30 Sekundäranschluss mit COMBICON Bei diesen Steckersystemen werden die Zuleitungen bei der Erstmontage im Stecker verschraubt. Im Bedarfsfall kann der Stecker werkzeuglos von der Stromversorgung abgetrennt werden. Das Abziehen des Steckers darf nicht unter Spannung erfolgen. Alle COMBICON-Stecker sind bereits bei der Geräteauslieferung beschriftet.
Q U IN T P O W E R Wissenswertes aus der Praxis Inp ut 1 L 3A C 2 L 40 0-5 00 V 3 L 22 Ad ,5- jus 28 t ,5V DC 13 14 C D OK Ou tp ut DC 24 V 20 OK A 5598C401 Bild 3-31 Anschluss mit Printklemme Bei QUINT POWER werden die Printklemmen ab 20 A Ausgangsstrom eingesetzt, um die hohen Ausgangsströme sicher zu beherrschen und den Anschluss von Kabelquerschnitten bis zu 10 mm² zu ermöglichen.
SYS POWER SUPPLY UM 90° gedrehte Montage Der bereits bei Auslieferung fest montierte Tragschienenadapter ermöglicht das einfache Aufschnappen der Stromversorgung auf die Hutschiene und bietet somit optimale Voraussetzungen für die Installation auf NS-35-Normschienen. QUINT POWER kann den geometrischen Anforderungen unterschiedlichster Anwendungen angepasst werden.
Wissenswertes aus der Praxis 3.18 Oberwellen Als unerwünschter Nebeneffekt werden Oberwellen durch jede Stromversorgung produziert, die zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern eine (Netz)-Wechselspannung in ein Gleichspannung wandelt. Das Wirkprinzip der verwendeten Stromversorgung ist für die Entstehung von Oberwellen nicht relevant.
SYS POWER SUPPLY UM Alle periodischen Funktionen lassen sich in eine Fourier-Reihe entwickeln, d. h. in sinusförmige Anteile zerlegen. Der pulsförmige Strom Iin kann daher als Überlagerung eines sinusförmigen Stroms mit der Netzfrequenz als Grundfrequenz und mehreren sinusförmigen Strömen mit ganzzahligen Vielfachen dieser Grundfrequenz aufgefasst werden. Diese Ströme werden als Oberwellen(-ströme) bezeichnet. Blindleistung Die Summe aller Oberwellenströme stellt eine Blindleistung dar.
Wissenswertes aus der Praxis Verschiebungsblindleistung Die häufigste in der elektrischen Energietechnik anzutreffende Blindleistung ist die Verschiebungsblindleistung. Diese entsteht in Wechselstromkreisen bei linearen kapazitiven oder induktiven Lasten. Bei ohmschen Lasten verläuft die Stromaufnahme phasengleich zur sinusförmigen Spannung. Die aufgenommene Scheinleistung S wird komplett im Verbraucher in Wirkleistung P umgesetzt.
SYS POWER SUPPLY UM Verzerrungsblindleistung Bei nicht linearen Lasten, z. B. Gleichrichtern mit Glättungskondensatoren oder primär getakteten Schaltnetzteilen, verläuft die Stromaufnahme oft nicht sinusförmig. Bei diesen Verbrauchern entsteht Blindleistung Q durch verzerrte Stromaufnahme und Oberwellenströme. Diese Blindleistung wird als Verzerrungsblindleistung bezeichnet. Bei nicht linearen Lasten wird für die Berechnung der Scheinleistung S die Summe aller Oberwellenströme berücksichtigt.
Wissenswertes aus der Praxis 3.18.1 Oberwellenfilter (Spule) Oberwellenfilter verhindern die Rückkopplung von Oberwellen in das elektrische Versorgungsnetz. Mit Hilfe der Spule L1, die im Eingangskreis der Stromversorgung liegt, wird der Anteil an Oberwellen gefiltert. Bild 3-37 zeigt als Beispiel den einfachen Gleichrichter mit Spule L1. Durch den Einsatz eines Filters wird diese Art der Begrenzung häufig auch als passive Oberwellenbegrenzung bezeichnet.
SYS POWER SUPPLY UM 3.18.2 PFC Idealerweise wird beim Betrieb von primär getakteten Schaltnetzteilen bereits die Entstehung von Oberwellen verhindert. Bei sinusförmiger Stromaufnahme verhält sich das Schaltnetzteil wie ein linearer Verbraucher. Es entstehen keine Oberwellen und Verzerrungsblindleistung. Mit der Verringerung der Blindleistung vergrößert sich der Leistungsfaktor. Im Idealfall wird die Scheinleistung komplett in Wirkleistung umgesetzt. In diesem Fall beträgt der Leistungsfaktor genau eins.
Wissenswertes aus der Praxis U, I Ue Iin mit PFC t 5598D319 Bild 3-39 Oberwellenbegrenzung mit PFC Alle Stromversorgungen von Phoenix Contact vom Typ QUINT POWER, MINI POWER und STEP POWER unterschreiten die geforderten Grenzwerte für Oberwellen und erfüllen die EN 61000-3-2.
SYS POWER SUPPLY UM 3.19 Zulassungen Jedes Gerät muss den Sicherheitsrichtlinien desjenigen Landes entsprechen, in dem das Gerät zum Einsatz kommen soll. Für Stromversorgungen betrifft dieses u. a. die Gerätesicherheit, die in Europa durch die EN 60950, in den USA durch die UL 60950 und in Kanada durch die CSA-C22.2 definiert wird. Im Industriebereich werden häufig in Europa die Einhaltung der EN 50178 und in den USA die Einhaltung der UL 508 gefordert.
Wissenswertes aus der Praxis Geprüfte Sicherheit (GS) Das GS Zeichen steht für Geprüfte Sicherheit. Dieses Zeichen bescheinigt den Geräten eine Europäische Zertifizierung nach dem deutschen Sicherheitsgesetz „GS“. Es wird für Produkte vergeben, die unter den Anwendungsbereich des Gerätesicherheitsgesetzes fallen. Stromversorgungen gehören zu diesem Anwendungsbereich, da u. a. der einzuhaltende Mindestabstand zwischen Netzspannung und Ausgangsspannung ein sicherheitskritischer Aspekt ist.
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Auswahl einer Stromversorgung 4 Auswahl einer Stromversorgung Im folgenden Kapitel soll die Auswahl einer Stromversorgung bei vorgegebener Applikation besprochen werden. Hierbei wird die Stromversorgung sukzessive entsprechend der beiden nachfolgenden Fragenkataloge „mechanischer Aufbau“ und „elektrischer Aufbau“ ausgewählt. Alle verwendeten Begriffe sind im Kapitel 2, „Grundlagen“ ausführlich erklärt.
SYS POWER SUPPLY UM Tabelle 4-1 Gegenüberstellung der Geräte ungeregelt, gesiebt linear geregelt primär getaktet Gewichte für gleiche Leistungsklassen (normiert) 5 7 1 Volumen für gleiche Leistungsklassen (normiert) 2,1 2,2 1 Wirkungsgrad ca. 80 % ca. 40 % bis 60 % > 90 % Verlustleistung bei Pa = 1000 W ca. 200 W ca. 600 W < 75 W Eingangsbereich -10 % < Un < +6 % -10 % < Un < +6 % ca.
Auswahl einer Stromversorgung 4.1 Versorgung von elektromechanischen Komponenten Für industrielle Anwendungen empfehlen wir generell den Einsatz von Gehäuse-Geräten, da diese einen besonders hohen Personen- und Anlagenschutz sicherstellen. Für die Versorgung von elektromechanischen Komponenten wie Ventilen, Relais oder Magnetschaltern ist im Allgemeinen keine geregelte Ausgangsspannung erforderlich. Aus versorgungstechnischer Sicht ist daher eine ungeregelte Stromversorgung ausreichend.
SYS POWER SUPPLY UM 4.3 Versorgungen an stark schwankenden Speisenetzen Stark schwankende Eingangsnetze kommen zum einen in Ländern vor, die kein stabiles Verbundnetz zur Verfügung haben und zum anderen beim Anlaufen und Abbremsen großer Elektromotoren. Der Einsatz von ungeregelten Geräten ist hier unzweckmäßig, da sich die Schwankungen der Eingangsspannung direkt auf die Ausgangsspannung übertragen. Wir empfehlen für instabile Netze den Einsatz primär getakteter Stromversorgungen.
Auswahl einer Stromversorgung 4.5 Anwendungen in der Gebäudeautomatisierung/Facility Management Die elektrische Energieversorgung von Gebäuden erfolgt hauptsächlich aus dem öffentlichen Niederspannungsnetz. Für die Ausrüstung im Gewerbe-, Geschäfts- und Wohnbereich ist dringend die Einhaltung der EN 55022 Klasse B erforderlich. Außerdem müssen alle Stromversorgungen, die am öffentlichen Netz angeschlossen werden, die Europäische Norm zur Begrenzung der Oberwellenströme EN 61000-3-2 erfüllen.
SYS POWER SUPPLY UM 4.6 Ausblick Im gleichen Maße wie der Grad der Innovation, also die ständigen Neuerungen, im Bereich der Elektrotechnik in rasantem Tempo ansteigt, werden die Produkt-Lebenszyklen stetig kürzer. Dabei lässt sich die technische Entwicklung elektrotechnischer Systeme und Komponenten in zwei Hauptrichtungen fassen: – Kostspielige mechanische und elektromechanische Komponenten werden zunehmend durch elektronische Lösungen verdrängt.
Produktübersicht 5 Produktübersicht ER OW IP MIN AL RI ST L T DU IN NTROEN COUIPM EQKA 43 S AL AP OV PR U F D TE LIS A C In 1 put L 00-24 0 N B 4 0° C F 0 7 -1 95 602048-2 0 EN 6 55 1 EN 6 -2 N -6 E 0 0 0 1-1 1 6 08 N 50 E N E NC AC N 10 024 0V 1 NC 5 AC Ê° + É+ É - 25 3 1 - OK www.interface.phoenixcontact.com ° DC 22 Ad .5-2 ju 8.5 st V NC NC L ) V N(- Ð 40 Ð A 0-2 10 O PR V P O ER OW T E LO E C A R TI D O D N C + +Ð V 24 5 V+ DC + C L(+) Ð + OUT- 5.
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Abbildungsverzeichnis A Verzeichnisanhang A1 Abbildungsverzeichnis Kapitel 2 Bild 2-1: Open-Frame-Gerät ............................................................................ 2-2 Bild 2-2: Gehäuse-Geräte (Beispiel: QUINT POWER 20A/3-phasig) .............. 2-3 Bild 2-3: Zuordnung technischer Daten ........................................................... 2-4 Bild 2-4: Ohne sekundärseitige Erdung ...........................................................
SYS POWER SUPPLY UM Bild 3-11: Ausgangsspannung nicht in Ordnung .............................................3-14 Bild 3-12: DC-OK-Schaltausgang ....................................................................3-15 Bild 3-13: Potenzialfreier Kontakt ....................................................................3-15 Bild 3-14: Fehlerfrüherkennung mit Power-Boost und DC-OK ........................3-16 Bild 3-15: Überwachung mehrerer Stromversorgungen mit nur einem Signal ...................
Erklärung der Abkürzungen A2 Erklärung der Abkürzungen Allgemeine Abkürzungen: CE Communauté Européenne (Konformitätskennzeichen) CSA Canadian Standards Association COMBICON Combined Connection (Schraubsteckverbinder) DIN Deutsche Industrie-Norm ELV Extra Low Voltage (Kleinspannung) EMV Elektro-Magnetische Verträglichkeit EN Europäische Norm EVU Elektrizitäts-Versorgungs-Unternehmen GS Geprüfte Sicherheit IEC International Electrotechnical Commission ISO International Organization fo
SYS POWER SUPPLY UM Technische Abkürzungen: AC Alternating Current (Wechselstrom) DC Direct Current (Gleichstrom) f Frequenz I Elektrischer Strom IP-Code International Protection Code Zweistellige Angabe über den Schutzgrad, jeweils von 0 bis 6, wobei die erste Ziffer aufsteigend den Berührungsschutz und die zweite aufsteigend den Fremdkörperschutz wiedergibt. l Länge LED Light Emitting Diode L1, L2, L3 Außenleiter bei Wechselstrom N Neutralleiter N.N.
Erklärung der Abkürzungen Einheiten A Ampere (Einheit des elektrischen Stromes) Ah Amperestunden (Einheit der Elektrizitätsmenge) °C Grad Celsius (Einheit der Temperatur) g Erdbeschleunigung Hz Hertz (Einheit für die Frequenz) m Meter (Einheit der Länge) ms Millisekunde (1/1000-Sekunde) Ω Ohm (Einheit für den elektrischen Widerstand) s Sekunde (Einheit für die Zeit) V Volt (Einheit der Elektrischen Spannung) VSS Volt Spitze-Spitze (Spitzenspannung) 5598_de_03 PHOENIX CONTACT A-5
SYS POWER SUPPLY UM A-6 PHOENIX CONTACT 5598_de_03
Stichwortverzeichnis A3 Stichwortverzeichnis A I Aufstellungshöhen ..................................................... 2-5 Ausgangsgrößen ....................................................... 2-4 Automatisierungstechnik............................................ 4-4 IEC 60068-2-27 ......................................................... 2-1 IEC 60068-2-6 ........................................................... 2-1 Industriebereich .......................................................
SYS POWER SUPPLY UM S Schaltschrank, dezentral ........................................... 4-4 Scheinleistung ......................................................... 3-48 Schmelzsicherungen ............................................... 3-31 Schock ....................................................................... 2-1 Schutzart.................................................................... 2-1 Schütze.................................................................... 2-10 Schutzklasse I......
