Kostenersparnis durch Einschaltstrom-Begrenzer

Die Anzahl möglicher Schaltnetzteile (SMPS), die an einem Leitungsschutzschalter (LS) betrieben werden können, ist begrenzt. Es bestimmt nicht die Summe der Nennstromaufnahme die Menge an anschließbaren SMPS, sondern die Summe der Einschaltströme. Die Lebensdauer von Relais in Multiplexer und von Schützen ist begrenzt. Die Anlaufströme belasten die Kontakte stark. Das Resultat sind verklebte Kontakte. Durch das Einschleifen elektronischer Einschaltstrom-Begrenzer (ESB) zwischen LS, Schütz und Verbraucher, werden hohe Einschaltströme völlig unterdrückt. Durch die deutlich geringere Anzahl an LS und Schütze, die effektive Reduktion an Kupferleitung und die höhere Verfügbarkeit einer Anlage, ist eine sehr hohe Kosteneinsparung möglich. Applikation und technische Hintergründe Die Nennstromaufnahme eines 100W-Netzteils ist bei Volllast mit rund 0,6A zu beziffern. Der Einschaltstrom liegt bei einem Fernost-Produkt fast durchgehend bei mehr als 40A. Die Ströme werden in der Regel bei einer Temperatur von 25°C angegeben. Diese Angabe bezieht sich nur auf den Kaltstart des Netzteils, nicht auf den Warmstart. Die meisten Netzteile besitzen einen internen Heißleiter (NTC) als Begrenzer. Deshalb verändert sich der Einschaltstrom beim laufenden Betrieb. Die Erwärmung eines NTC reduziert seinen Innenwiderstand derart, dass der Anlaufstrom noch deutlich ansteigt. Ein LS B16A mit Kennlinie B und 16A Nennstrom verträgt grob gesagt einen Einschaltstrom von 5xInenn (magnetischer Kurzschlussauslöser oder Mehrfaches des Nennstromes), also rund 80A. Ein Automat mit C16A Charakteristik verträgt den maximal 10fachen Nennstrom. Rechnerisch können an einen B16A lediglich zwei Stück 100W-Netzteile angeschlossen werden. An einen C16A-Automaten vier Stück 100W Netzteile. Nehmen wir an, Sie könnten so viele Netzteile anschließen, wie es die Nennstromaufnahme der Verbraucher bei einer Allgemeinstrom Versorgung (AV) mit 230V und 16A zulässt. An einen B16A könnten 26 Stück 100W-SMPS angeschlossen werden. Beispielsweise ein Camtec Einschaltstrombegrenzer ESB101 begrenzt den Anlaufstrom auf genau 16A. Die Genauigkeit beträgt hierbei ±6%. Es ist unerheblich, wie oft der ESB bereits betätigt wurde oder ob Sie -40 oder +70°C Betriebstemperatur am Einbauort vorfinden. Die Genauigkeit eines ESB101 wird hierdurch nicht beeinflusst. Ein Netzteil ist eine rein kapazitive Last. Weder ein Nulldurchgangsschalter, noch eine NTC-Bypass-Schaltung dürfen aus sicherheitstechnischen Gründen ohne weiteres an kapazitiven Lasten betrieben werden, ausgenommen der Hersteller garantiert diesen Einsatz explizit. Sollte das im Gerät verbaute Relais im Fehlerfall in der Begrenzungsschaltung hängen bleiben, erwärmt sich die verbaute Widerstandskette derart, dass es zu einer Entflammung der Bauteile kommen kann. Ein professioneller ESB wird daher intern temperaturüberwacht. Die Produkt-Anforderungen an ein ESB sind hoch. Kommt es zu einem Ausfall, ist in der Regel ein ganzes Gewerk betroffen. Der Einsatz hochwertigster Markenbauteile in einem ESB erklärt sich daher zwingend. Ein Camtec ESB101 hat z.B. einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis +70°C ohne Leistungsreduktion. Neben einem guten Temperaturverhalten ist es sehr wichtig, dass ein ESB Stoß, Schock und Vibration verträgt. Installationen an Bahnlinien, Verkehrsadern, in Masten oder an hohen Gebäuden geben Anlass zu einer genauen Betrachtung. Dimensionierung von ESB in AC-Netzen Bei der Dimensionierung eines für kapazitive Lasten zugelassenen Einschaltstrom-Begrenzers, spielt die Summe der Anlaufströme der angeschlossenen Verbraucher keine Rolle, selbst wenn die angeschlossenen Verbraucher z.B. 10kA Inrush verursachen. Die Begrenzung erfolgt nach dem physikalischen Ohmschen Gesetz. Der Spitzenstrom wird erzwungen im Toleranzbereich des ESB liegen. Bei einem Camtec-ESB sind dies ±6% des Nennwertes, inklusive Temperaturdrift in der Schaltung. Der wichtigste Faktor beim Design-In eines ESB ist dessen maximal verträgliche Lastkapazität. Diese reicht bei einem ESB101.16 mit 16A Peak von 1500uF bis 10.000uF/Phase bei einem ESB00323 mit 3AC 400V und 32A Begrenzung. Die Lastkapazität von einem Schaltnetzteil wird durch dessen Eingangs-Kondensatoren bestimmt. Die Ausgangs-Elkos spielen keine Rolle. Die Summe aller Eingangskapazitäten im AC-Netzwerk, ergibt die gesamte Lastkapazität. Bei der Auswahl eines ESB kommt es also auf drei Größen an: die maximal anschließbare Lastkapazität, die Summe der Nennströme der Verbraucher und die Charakteristik der vorgeschalteten Leitungsschutzschalter (LS). Ein ESB begrenzt immer den Spitzenstrom in Moment des Einschaltens, in dem Schaltkreis, in dem es sich befindet. Das Gerät muss immer zwischen Vorsicherung und Verbraucher installiert sein. Die Begrenzungs-Zeit wurde bei den ESB der Camtec immer so gewählt, bis die Eingangskondensatoren der angeschlossenen Vorschaltgeräte derart aufgeladen sind, dass deren Ladestrom die Vorsicherung nicht auslöst. Diese Zeitspanne bezeichnet man als Ton. Fällt das Netz aus oder wird es gezielt abgeschaltet, misst der ESB mit einem Messkreis die verstrichene Zeitspanne Toff. Erst nach Ablauf dieser definierten Zeit Toff wird der Bypass der Begrenzungsschaltung aufgehoben und der ESB begrenzt den Anlaufstrom bei wiederkehrendem Netz erneut. Es soll verhindert werden, dass der ESB bei kurzen Drops auslöst. Beispielsweise können solche Drops durch lange Leitungen und einem Antrieb nach dem ohmschen Gesetzt entstehen. Dabei handelt es sich aber nicht um einen Netzausfall. Würde nun der Anlaufstrom begrenzt, würde ein Antrieb unter Umständen ein zu geringes Kraftmoment entwickeln, um vernünftig anzulaufen. Aus diesem Grund sind in den ESB101 beispielsweise Relais verbaut, die selbst im Schaltmoment 160A bei 230Vac für eine Zeit von mindestens 10ms verkraften. Dimensionierung von ESB in Verkehrsleitsystemen und im Anlagenbau Bei der Auslegung der Vorsicherungen einer Anlage und der Dimensionierung einer Verkabelung mit großen Längen wird der ambitionierte Einsatz eines ESB zum Kostenkiller. Die Querschnitt-Dimensionierung einer Netzleitung erfolgt unter Berechnung des Nennstromes (Effektivwert RMS), der Temperaturbedingungen und des ohmschen Widerstandes. Betrachtet man ein ESB unter Berechnung des Effektivstromes RMS, tut sich einem das tatsächliche Potential einer solchen Begrenzung auf. Für eine einfache Betrachtung genügt die Berechnung des Effektivstromes mit der Daumenformel 0,707 x Ipeak[A]. Am Beispiel eines Camtec ESB101.16 lässt sich errechnen, dass die Spitzenstrombegrenzung von 16A einen Effektwert von 0,707 x 16A, also 11,3A besitzt. Die Begrenzungszeit ist 300ms. Es stehen also 11,3A für 300ms am vorgeschalteten LS an. Zur Erinnerung: ein B-Automat verträgt 3 bis 5xInenn. Die Kennlinien der einschlägigen Hersteller verraten uns, dass der Automat bei immer kleineren Strömen zunehmend später auslösen wird. Man rechnet die Kennlinie des Automaten nun auf den durchgelassenen Effektivstrom des ESB101.16 um. Aus dem Auslösestrom von 2xInenn=12A ergibt sich der Einsatz eines kleinen und schnellen Automaten mit 6A. An einen solchen Automaten lassen sich dennoch insgesamt 10 Stück 100W-Netzteile mit 0,6A Nennstromaufnahme/Volllast anschließen. Der Effekt ist, dass die Querschnittdimensionierung der Netzleitung viel geringer ausfallen darf, als bei einer konventionellen Auslegung. Mehrfache Kompensation durch Kupferersparnis