DE29713804U1 - Leistungsversorgungs- bzw. Energieverteilungsgerät für Industrieanlagen - Google Patents

Description

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Beschreibung

Geschlossenes , steuerbares Leistungsversorgungs- bzw. Energieverteilungsgerät

für Industrieanwendungen

Im industriellen Anlagenbau wird die Leistungsversorgung elektrischer Antriebe und Motoren üblicherweise durch Drehstromnetze von 380 VAC bis 690VAC vollzogen. Vereinzelt wird auch einphasiger Strom angewendet. Im Folgendem als Kraftstrom bezeichnet.

Der Kraftstrom ist die berührgefährliche Netzspannung und ist nach den Richtlinien der einschlägigen Sicherheitsnormen gegen direktes Berühren abgesichert.

Dieser Leistungsstrom wird den Verbrauchern (z. B. Elektromotoren) über Leistungsschütze (Leistungsschalter zur Luftspalttrennung) zugeführt. Diesen Leistungsschaltern sind Sicherungseinrichtungen, z. B. Motorschutzschalter, zur Überlastsicherung vorgeschaltet.

Die Steuerung der Leistungsverbraucher erfolgt durch eine entsprechende Steuerungselektronik. Diese wird durch eine SELV-Spannung versorgt. Diese SELV-Spannung ist nach den Richtlinien der Sicherheitsnormen vom Netz getrennt und ist berührbar. Am stärksten verbreitet ist die Spannung 24 VDC (Gleichspannung). Es werden auch niedrigere Spannungen (z. B. 12VDC) und auch höhere Spannungen (z. B. 48VDC) eingesetzt.

Die Steuerungselektronik ist üblicherweise kommunikationsfähig mit Fremdprodukten, anschließbar an ein Feldbussystem (z. B. INTERBUS, PROFIBUS, etc.)

Um die Gesamtinstallation vor zufälliger Berührung zu schützen (Unfallverhütung), wird alles in verschließbare Schaltschränke eingebaut.

Die Nachteile dieser Art von industriellem Anlagenbau sind:

• aufwendige Installation und Zusammenbau der Schaltschränke durch Fachpersonal

• relativ großer Platzbedarf am Aufstellungsort

• Reparaturen sind nur durch besonders geschultes Fachpersonal möglich und zusätzlich zeitaufwendig

• Reparatur ist nur vorort möglich und behindert in der Regel den Betrieb der Anlage

• relativ geringer Schutz gegen Umwelteinflüsse (Staub, Feuchte, Temperatur)

• die verwendeten Leistungstrenner (Schütze) erzeugen übermäßige Verlustleistung durch frei einstellbare (variable) Versorgungsspannungen (z. B. 24VDC bis 30VDC)

• optimaler Arbeitspunkt für die Leistungstrenner kann nicht gewährleistet werden,

• Anlagendimensionen werden immer für den ungünstigsten Fall der thermischen Entwicklung ausgelegt

Variable (schwankende) Versorgungsspannungen für Leistungstrenner (Schütze) verursachen je nach Spannungshöhe unterschiedliche Verlustleistungen in den Anzugsspulen der Schütze. Herkömmliche Installationen müssen auf den ungünstigsten Fall (maximal auftretende Verlustleistung) dimensioniert werden und benötigen Aufwendungen für den Wärmeabtransport/-verteilung. Dies geschieht

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durch Ventilatoren die kalte Luft ansaugen oder die erhitzte Luft aus dem Schaltschrank heraus transportieren. Oft wird durch große Schaltanlagen/Schaltschränke die Wärme ausreichend verteilt und großflächig an die Umgebung abgegeben.

Die verwendeten Leistungselemente benötigen zur Kühlung immer einen freiströmenden Luftstrom. Dieser wird erreicht, indem die an der Montagewand des stehenden Schaltschrankes befestigten Leistungsteile (Netzteile, Schütze, Relais, Steuergeräte, usw.) einer freien Konvektionskühlung ausgesetzt sind. Die erwärmte Luft strömt nach oben, die Leistungskomponenten müssen immer so installiert werden, daß sie in diesem Luftstrom durchströmt werden. Dabei ist darauf zu achten, das die horizontalen Montagereihen im Schaltschrank nicht zu dicht zusammen liegen, da sonst benachbarte Leistungsteile sich gegenseitig durch abgegebene Verlustwärme beeinflussen.

Die im industriellen Anlagenbau verwendeten Schaltzentralen (Schaltschränke im allgemeinen) werden in der Regel nicht zwangsgekühlt. Die Anlagen werden ausreichen groß dimensioniert, so daß die erzeugte Verlustwärme an die Umgebung über die Oberfläche des Schaltschrankes abgegeben werden kann. Werden Lüfter zur Kühlung verwendet, so wird im unteren Teil des stehenden Schaltschrankes kalte Luft von außen angesaugt und durch eine geeignete Öffnung im oberen Teil des stehenden Schaltschrankes die erwärmte Luft nach außen gedrückt oder im oberen Teil warme Luft aus dem Schaltschrank herausgesaugt die durch geeignete Öffnungen im unteren Teil des Schaltschrankes in denselben eingesaugt wird.

Die Nachteile sind insbesondere im Austausch der innenluft zu sehen, da dadurch eine Einlagerung von Staub- und Schmutzpartikeln stattfindet. Bei der Kühlung über die Oberfläche wird nur ein Bruchteil der zur Verfügung stehenden Fläche genutzt. Die aufsteigende erwärmte Luft staut sich im oberen Teil der Schaltanlage und wird nur in diesem Bereich an die Umgebung abgegeben.

Seile 2

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Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Stromversorgung/Energieverteilung zu schaffen, die auf engstem Raum alle sicherheitsrelevanten Schutzfunktionen einer Elektroinstallation beinhaltet, als Bauteil bzw. Eigenkomponente betrachtet werden kann, von außen steuerbar und überwachbar ist, unabhängig von externen Leitungsiängen ausreichende Spannungswerte liefert und somit alle angeschlossenen Sensoren, Aktoren und Steuersysteme versorgt, geringen Platzbedarf benötigt, höchsten Schutz vor Umwelteinflüssen (Staub, Feuchte, Temperaturen) bietet, keine Wartung erfordert, kein geschultes Fachpersonal für Reparaturen an der automatisierten Anlage benötigt, modular innerhalb kürzester Zeit austauschbar ist, in kurzer Zeit installiert ist und Standzeiten der automatisierten Anlage im Störfall durch schnellen Austausch des steckbaren Gerätes minimiert.

Der im Schutzanspruch 2 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Stromversorgung/Energieverteilung zu schaffen, die auf engstem Raum alle sicherheitsrelevanten Schutzfunktionen einer Elektroinstallation beinhaltet und einen Miniaturaufbau aufgrund konstant minimaler Verlustleistung (thermische Grenze des Systems erweitert) erlaubt und unabhängig von variablen Versorgungsspannungen für die Leistungstrenner sicher arbeitet.

Der im Schutzanspruch 3 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Stromversorgung/Energieverteilung zu schaffen, die auf engstem Raum alle sicherheitsrelevanten Schutzfunktionen einer Elektroinstallation beinhaltet und einen Aufbau erlaubt, der lageunabhängig eingebaut werden kann. Das bedeutet, das alle verwendeten Leitungskomponenten in jeder beliebigen Einbaulage betrieben werden können und das das Stromversorgungsgerät in hängender, stehender, horizontaler und vertikaler Lage an jedem beliebigen Ort der zu automatisierenden/steuernden Anlage angebracht/installiert werden kann.

Der im Schutzanspruch 4 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Stromversorgung/Energieverteilung zu schaffen, die auf engstem Raum alle sicherheitsrelevanten Schutzfunktionen einer Elektroinstallation beinhaltet und durch gezielte Umwälzung der Innenluft des geschlossenen Gerätes mittels eines Innenlüfters und geeignete Anordnung der verwendeten Komponenten eine homogene Wärmeverteilung im Gerät schafft, so optimierte Kühlung über die Oberfläche des gesamten Gehäuses ermöglicht und die Entstehung von Stauwärme verhindert.

Der im Schutzanspruch 5 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Stromversorgung/Energieverteilung zu schaffen, die auf engstem Raum alle sicherheitsrelevanten Schutzfunktionen einer Elektroinstallation beinhaltet und Ihren kompakten Aufbau durch einen Montageschlitten, auf dem sich sämtliche verwendeten Komponenten befinden, ermöglichen.

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Probleme werden mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Gewährleistet werden diese Lösungen durch den Einsatz einer Stromversorgung, die folgende Merkmale besitzt:

• oben beschriebene Leistungstrenner (Schütze)

• Überlast-Sicherungselemente (Motorschutzschalter)

• sichere Netztrennung gewährleistet

• Aufbereitung (Stabilisierung/Begrenzung) der SELV-Spannung (Netzteil)

• notwendige Sicherheits- und Überwachungsschaltungen wie sie im Schaltschrank- und industriellem Anlagenbau vorgeschrieben sind

• elektronische Sicherungen auf der SELV-Spannungsseite, die ohne Austausch von defekten Sicherungselementen und ohne das Gerät öffnen zu müssen nach Beseitigung des Fehlers (z. B. Kurzschluß) zum einen automatisch anlaufen oder durch Resetfunktionen eine erneute Freigabe erhalten

• kleinste Bauform besitzt, leicht austauschbar und tragbar ist

• steckbar mittels geeigneter Steckverbinder bequem angeschlossen und getrennt werden kann

• Schutz gegen Feuchte, Staub und Temperatureinflüssen bietet

• Anschluß- und Steuermöglichkeiten für die gängigen Feldbus- und Steuerungssystem bietet und zur Erhaltung der Anlage notwendige Informationen zur Verfügung stellt

Probleme werden mit den im Schutzanspruch 2 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Gewährleistet werden diese Lösungen durch den Einsatz einer Ansteuerung der Schütze, die folgende Merkmale besitzt.

• unabhängig von der Versorgungsspannung (SELV) der Schütze wird dem Leistungstrenner gerade die Energiemenge zur Verfügung gestellt, die er für ein sicheres schalten benötigt

• die Ansteuerung erfolgt über eine Pulsweitenmodulierte getaktete Schaltung

• gemessen wird der Strom in der Spule, der so bemessen ist, daß ein ausreichend starkes Magnetfeld erzeugt wird

• der Stromwert wird nicht durch die ohmsche Impedanz der Spule sondern durch das Magnetfeld, die Spule mit ihrem induktivem Anteil und die PWM-Ansteuerung begrenzt

• es können Schütze mit sehr geringer ohmscher Impedanz verwendet werden die geringere Verlustleistungen erzeugen

• aus der SELV-Spannung heraus können mit einer geeigneten Schaltung sowohl Gleichspannungs (DC) als auch Wechselspannungs (AC)- Schütze angesteuert werden

• die Betriebsfrequenz ist zur anliegenden Versorgungsspannung proportional, da dadurch der Induktionshub in den Schützspulen auf angenähert gleichem Niveau gehalten wird

• die Höhe des Induktionshubes ist an die verwendeten Schützspulen angepaßt und optimiert auf Anzugsleistung und niedrige Verluste

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• bei Verwendung von Wechselstromschützen werden diese durch eine Vollbrückenschaltung angesteuert, welche aus der vorhandenen SELV-Spannung eine angenäherte rechteckförmige Wechselspannung erzeugt

• die Schaltung ist so dimensioniert, daß der sehr hohe Anzugsstrom für die Schützspulen für eine ausreichend lange Zeit bereitgestellt wird

Probleme werden mit den im Schutzanspruch 3 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Gewährleistet werden diese Lösungen durch den Einsatz einer Stromverteilungssystems das folgende Merkmaie besitzt,

• spezifizierten lageunabhängigen Betrieb aller verwendeten Komponenten

• geeignete Befestigungsmöglichkeiten die eine hängende, stehende, horizontale und vertikale Montage erlauben

• lageunabhängige Kühlwirkung des Gehäuses

Probleme werden mit den im Schutzanspruch 4 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Gewährleistet werden diese Lösungen durch den Einsatz einer Stromverteilungssystems das folgende Merkmaie besitzt,

• einen Innenlüfter, der das eingeschlossene Medium (z. B. Luft) derart umwälzt, das eine homogene Wärmeverteilung in den Gerät vorliegt und Stauwärme an den Leistungskomponenten verhindert wird

• alle Komponenten die Verlustleistung erzeugen müssen im Gerät so angeordnet sein, daß sie direkt dem internen Luftstrom ausgesetzt sind und ein Wärmeabtransport stattfinden kann

• ein gut wärmeleitfähiges Gehäuse besitzt, daß in der Lage ist die homogene Verlustwärme im Inneren an die Umgebung abzugeben

• alle Komponenten im Geräte müssen so angeordnet sein, daß sich der Luftstrom im gesamten Gerät homogen ausbreiten kann.

Probleme werden mit den im Schutzanspruch 5 aufgeführten Merkmaien gelöst.

Gewährleistet werden diese Lösungen durch den Einsatz einer Stromverteilungssystems das folgende Merkmale besitzt,

• einen Montageschlitten der für alle verwendeten Komponenten eine Befestigungsmöglichkeit bietet

• einen Montageschlitten der den Einbau aller Komponenten in das Gehäuse ermöglicht und eingeschoben werden kann

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der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung wird erreicht, daß es bei einem Stromversorgungs-/Energieverteilungssystem möglich ist, auf engstem Raum alle Sicherheitsrelevanten Schutzfunktionen einer Elektroinstallation zu integrierten, das dieses Gerät von außen gesteuert und überwacht werden kann, dieses ais vollständige Einheit (Modul) zu betrachten und es als ein wesentliches Bauteil einer zur automatisierenden Anlage gesehen werden kann, unabhängig von externen Leitungslängen Spannungswerte zu liefern und somit alle angeschlossenen Sensoren, Aktoren und Steuersysteme ausreichend zu versorgen, geringsten Platzbedarf zu benötigen, höchsten Schutz vor Umwelteinflüssen (Staub, Feuchte, Temperaturen) zu bieten, auf kosten- und zeitintensive Wartungen zu verzichten, kein geschultes Fachpersonal für Reparaturen an der automatisierten Anlage zu benötigen, diese problemlos innerhalb kürzester Zeit im Fehlerfall modular auszutauschen, sehr kurze Installationszeiten zu gewährleisten, die Stromversorgung/Energieverteilung in kurzer Zeit installieren zu können und Standzeiten der automatisierten Anlage im Störfall durch schnellen Austausch des steckbaren Gerätes zu minimieren.

Mit der im Schutzanspruch 2 angegebenen Erfindung wird erreicht, daß es bei einem Stromversorgungs-/Energieverteiiungssystem möglich ist, im Gegensatz zu herkömmlichen Schaltanlagen/Schaltschränken, unabhängig von der eingestellten Versorgungsspannung (SELV) für die Leistungstrennelemente (Schütze) immer mit konstant minimaler Verlustleistung zu operieren. Die Baugrößen des geschlossenen Stromversorgungs-/Energieverteilungssystem kann auf die konstante Minimalverlustleistung der Schütze dimensioniert werden.

Mit der im Schutzanspruch 3 angegebenen Erfindung wird erreicht, daß es bei einem Stromversorgungs-/Energieverteilungssystem möglich ist, im Gegensatz zu herkömmlichen Schaltanlagen/Schaitschränken, unabhängig der Einbaulage und des Einbauortes eine Installation derselben vorzunehmen.

Mit der im Schutzanspruch 4 angegebenen Erfindung wird erreicht, daß es bei einem Stromversorgungs-/Energieverteilungssystem möglich ist, im Gegensatz zu herkömmlichen Schaltanlagen/Schaltschränken, optimal die Oberfläche des Gerätes zum Wärmeabtransport zu nutzten ohne das dabei Hitzefelder entstehen, sondern eine homogene Wärmeverteilung des gesamten Systems mit einer Schutzart von mindestens IP54 vorliegt.

Mit der im Schutzanspruch 5 angegebenen Erfindung wird erreicht, daß es bei einem Stromversorgungs-/Energieverteilungssystem möglich ist, im Gegensatz zu herkömmlichen Schaltanlagen/Schaltschränken, in modulbauweise alle notwendigen Komponenten zu installieren und in ein schützendes Gehäuse einzuschieben.

Claims (5)

Schutzansprüche . · Schutzansprüche

1. Geschlossenes, steuerbares Leistungsversorgungs- bzw.

Energieverteilungsgerät (z. B. Schaltschrank, Minischaltschrank, Schaltschrankmodul, usw.) für Industrieanwendungen, das auf der Netzanschlußseite einen Drehstromeingang zur Speisung der Stromversorgung aufweist, 3phasige Komponenten betreiben kann und auf der Niederspannungsseite überwachte Ausgänge besitzt, wobei die Stromversorgung

• für den weltweiten Betrieb an Industriedrehstromnetzen (nominal 400VAC bis 500VAC) geeignet ist und eine entsprechende 3phasige Anschlußmöglichkeit (1a) bietet,

• eine sichere Netztrennung und Aufbereitung (Stabilisierung/ Begrenzung) der Sicherheitskleinspannung (im Folgendem SELV-Spannung genannt) beinhaltet, wobei das verwendete Netzteil (7) einen Drehstromeingang von 340VAC bis 575VAC (Toieranzbereich) und eine einstellbare Ausgangsspannung von 24VDC bis 30VDC besitzt,

• einen Hauptschalter (2) besitzt, mit dem die gesamte Anlage spannungsfrei geschaltet wird,

• zur Absicherung des berührgefährlichen 340VAC bis 575VAC - Bereiches einen Motorschutzschalter (3) besitzt, mit dem die angeschlossenen Komponenten spannungsfrei geschalten werden,

• dem Anlagentyp angepaßte Stückzahl an Ausgänge (9) besitzt, welche über eine Sicherheitsschaltung/Schaltmatrix (8) stromüberwacht werden und im Kurzschlußfall den jeweiligen Ausgang abschalten,

• eine Schutzart von mindestens IP54 aufweist, also ein gegen Staub, Feuchtigkeits- und Temperatureinflüsse resistentes Gehäuse (11, 12) besitzt,

• in der Lage ist, mehrere Drehstrommotoren mit notwendiger Anschlußleistung durch interne Leistungsschütze (5) zu betreiben,

• durch aile BUS-Steuerungssysteme / SPS - Steuerungssysteme der Automationstechnik mittels der integrierten Sicherheitsschaltung/Schaltmatrix gesteuert (8) und überwacht und gesteuert werden kann,

• unabhängig von der Leistungsaufnahme der internen Schütze (5) dem Anlagentyp eine angepaßte Ausgangsleistung durch ein entsprechend dimensioniertes Netzteil (7) liefert,

• primär- (netz-) und sekundär- (sicherheitskleinspannungs-) seitig durch geeignete Steckverbindungssystem (1a, 1b, 9) steckbar ist.

2. Geschlossenes, steuerbares Leistungsversorgungs- bzw.

Energieverteilungsgerät (z. B. Schaltschrank, Minischaitschrank, Schaltschrankmodul, usw.) für Industrieanwendungen, das auf der Netzanschlußseite einen Drehstromeingang zur Speisung der Stromversorgung aufweist, 3phasige Komponenten betreiben kann und auf der Niederspannungsseite überwachte Ausgänge nach Schutzanspruch 1 besitzt, wobei die Stromversorgung

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Schutzansprüche ; i ***· * I &Idigr; ·**· * *·#&iacgr; ·*

• interne Leistungstrenner (Schütze) der Stromversorgung mit einer Wechselspannung versorgt, die aus der SELV-Spannung des integrierten Netzteiles gewonnen wird,

• eine interne Schützansteuerungen (4) besitzt, die ohne externe Hilfsspannung betrieben werden kann und sich Schütze somit wie herkömmliche Schütze ohne Ansteuerungen als Zweipoie verhalten,

• unnötige Verlustleistung durch eine von der Vorsorgungsspannung unabhängige (24 bis 30VDC) frequenzvariable Ansteuerung (4) der Schütze verhindert,

• eine Schützansteuerung (4) besitzt, die unabhängig von den angeschlossenen Signalleitungslängen und damit verbundenen Spannungsabfällen über die Leitungen optimiert die Schütze (5) angesteuert und diese immer im richtigen Arbeitspunkt betreibt,

• durch internen Leistungsschütze (5) mit AC - Betrieb gekennzeichnet ist,

• eine Schützansteuerung (4) besitzt, die unabhängig vom Drehstromeingangsspannungsbereich und eingestelltem Ausgangsspannungsbereich auf der Sicherheitsspannungsseite den Schützen (5) bedarfsgerecht für die Anzugs- und Halteleistung Energie zur Verfügung stellt,

3. Geschlossenes , steuerbares Leistungsversorgungs- bzw.

Energieverteilungsgerät (z. B. Schaltschrank, Minischaltschrank) für Industrieanwendungen, das auf der Netzanschlußseite einen Drehstromseingang aufweist und auf der Niederspannungsseite überwachte (mit Hilfe von Sicherungselementen) Ausgänge nach Schutzanspruch 1 und Schutzanspruch 2 besitzt, wobei die Stromversorgung

• im Bezug auf Installation und Aufbau an der mit Energie zu versorgenden Anlage unabhängig ihrer Einbaulage (horizontal, vertikal, hängend und stehend) verwendet werden kann.

4. Geschlossenes , steuerbares Leistungsversorgungs- ■ bzw.

Energieverteilungsgerät (z. B. Schaltschrank, Minischaltschrank) für Industrieanwendungen, das auf der Netzanschlußseite einen Drehstromseingang aufweist und auf der Niederspannungsseite überwachte (mit Hilfe von Sicherungselementen) Ausgänge nach Schutzanspruch 1, Schutzanspruch 2 und Schutzanspruch 3 besitzt, wobei die Stromversorgung

• einen Innenlüfter besitzt, der die eingeschlossene Luft umwälzt, für eine homogene Wärmeverteilung sorgt und Stauwärme (Wärmenester) an den internen Komponenten vermeidet,

• das eingeschlossene Medium (z. B. Luft) als Wärmeübertrager an das alles umschließende Gehäuse nutzt ohne das den Leistungsteil umgebende Medium auszutauschen,

• die Gehäuseoberfläche nutzt, um intern entstandene Verlustwärme an die Umgebung abzugeben,

• eine Anordnung der internen Komponenten aufweist, die einen Luftstrom nach (FIG. 3) ermöglicht.

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5. Geschlossenes , steuerbares Leistungsversorgungs- bzw.

Energieverteilungsgerät (z. B. Schaltschrank, Minischaltschrank) für Industrieanwendungen, das auf der Netzanschlußseite einen Drehstromseingang aufweist und auf der Niederspannungsseite überwachte (mit Hilfe von Sicherungselementen) Ausgänge nach Schutzanspruch 1, Schutzanspruch 2 und Schutzanspruch 3 und Schutzanspruch 4 besitzt, wobei die Stromversorgung

• einen Montageschlitten (13) besitzt, auf dem alle für die Anlage notwendigen Komponenten installiert werden können,

• einen Montageschlitten (13) besitzt, der in eine Schutzröhre (11) eingeschoben wird und mit Seitenflanschen (12), die geeignete Ausbrüche für die Steckverbinder besitzen, verschlossen wird,

• ihren modularen Aufbau durch den Einschub aller Komponenten mittels dem Montageschlitten in ein schützendes Gehäuse (11, 12) gewährleistet.

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