Gerätedesign: Vorteile von NEC-Stromverteilungsgeräten der Klasse 2

May 31, 2023

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Die Konstruktion industrieller Maschinen- und Anlagensysteme basiert in der Regel auf bewährten Materialien und Methoden, um zuverlässige und effektive Endergebnisse zu gewährleisten. Dies gilt insbesondere, wenn es um Stromverteilungs- und Steuerkreise für Stromabzweige geht, bei denen die auf dem Markt erhältlichen Produkte ausgereift sind und die Designpraktiken weitgehend von Vorschriften geleitet werden. Doch hin und wieder steht eine neue Option zur Verfügung, um die Leistung zu verbessern, die Kosten zu senken und die Sicherheit zu erhöhen.

Dies ist bei einem relativ neuen Typ von Stromverteilungsgerät der Fall, der eine spezielle Klassifizierung nach dem National Electrical Code (NEC) nutzt, die als „Klasse 2“-Stromkreis bezeichnet wird. Für automatisierte Geräte und Systeme, die für den nordamerikanischen Markt bestimmt sind, bietet Klasse 2 viele Vorteile für Niederspannungssteuerkreise.

Herkömmliche Stromverteilungskonstruktionen für Steuerkreise verwenden Sicherungen, Leistungsschalter und Leiter, um Standards und Anforderungen zu erfüllen. Obwohl die Einhaltung aller Vorschriften unerlässlich ist, ist dieser klassische Ansatz zum Schutz von Stromkreisen in mancher Hinsicht ineffizient, wenn es um die relativ geringen Strommengen geht.

Klasse 2 erkennt die niedrigen Energieniveaus an, die mit vielen Steuerungs- und Signalanwendungen einhergehen, und bietet Designern eine verbesserte Möglichkeit, spezielle Materialien und Methoden für diese Situationen zu verwenden. Die Umsetzung der Klasse-2-Prinzipien mit den richtigen Geräten bringt funktionale Vorteile, senkt die Gesamtinstallationskosten und verbessert die Sicherheit für Benutzer und Geräte.

Verschiedene Regionen auf der Welt erlassen spezifische Richtlinien, Vorschriften und Standards, die für elektrisches Design, Produkte und Installationen beachtet werden müssen. Dementsprechend werden elektrische Produkte typischerweise so hergestellt, dass sie eine oder mehrere dieser Anforderungen erfüllen. Im Folgenden finden Sie einige relevante Dokumente für Stromversorgungen in Industrieanlagen:

Designer und Ingenieure müssen mit den geltenden Richtlinien für den endgültigen Standort vertraut sein, an dem die Ausrüstung installiert und überprüft wird. Europäische und nordamerikanische Standards sind nicht unbedingt harmonisiert, was die Komplexität erhöht.

Normen im Zusammenhang mit der Stromversorgung und -verteilung dienen im Allgemeinen dem Schutz des Personals und der Verhinderung von Bränden oder anderen unsicheren oder schädlichen Bedingungen. Die Designprinzipien und anwendbaren Produkte sind gut verstanden, aber manchmal werden die Standards aktualisiert oder es werden neuere Produkte verfügbar, die Möglichkeiten für Verbesserungen bieten.

Vereinfacht ausgedrückt weist ein Stromkreis der Klasse 2 eine so niedrige Spannung und einen so geringen Strom auf, dass er keine Brand- oder Stromschlaggefahr für das Personal darstellt. Designs, die sicherstellen, dass die verfügbare Energie begrenzt ist, bieten viele technische, regulatorische, Installations- und Betriebsvorteile.

Herkömmliche festverdrahtete Geräte wie Motorstarter verbrauchen oft zu viel Strom, als dass Stromkreise der Klasse 2 praktisch wären. Aber digitale Geräte mit geringem Stromverbrauch, die immer häufiger vorkommen – wie speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs) und andere intelligente Komponenten – funktionieren gut, wenn sie mit Schaltkreisen der Klasse 2 betrieben werden. Außerdem kann ein Großteil der damit verbundenen Kommunikations-, Netzwerk- und Eingangs-/Ausgangssignalisierung durch Schaltkreise der Klasse 2 bereitgestellt werden.

In Nordamerika ist der NEC der wichtigste Standard für Elektroinstallationen. Für Schalttafeln und die darin enthaltenen Schaltkreise gilt UL 508A, während UL 1077 und 2367 auf den Schutz von Abzweigstromkreisen abzielen.

Der NEC definiert einen energiebegrenzten Steuerstromkreis der Klasse 2 in Artikel 725-121 ausdrücklich als:

Diese Bedingungen müssen auch im Kurzschluss- oder Fehlerfall aufrechterhalten werden. Es gibt auch Einschränkungen hinsichtlich der Klassen von Stromkreisen, die gemeinsam geroutet werden dürfen. Im Allgemeinen müssen Stromkreise der Klasse 2 getrennt von Stromkreisen anderer Klassen in Schalttafeln und Kabelkanälen verlegt werden. Beachten Sie, dass Klasse 2 nur innerhalb Nordamerikas gilt.

Es bietet viele Vorteile, wenn Produktlieferanten und Designer die Anforderungen der Klasse 2 erfüllen. Stromkreise und nachgeschaltete Geräte, die unter Klasse 2 betrieben werden, erfordern keinen weiteren Schutz vor Stromschlägen oder Brandgefahren. Aus praktischer Sicht bedeutet dies, dass Geräte und Leiter der Klasse 2 kleiner sein können und die Schaltung aus diesen Gründen häufig vereinfacht wird. Die Methoden der Feldverkabelung sind weniger anspruchsvoll, da die Materialien einfacher zu beschaffen, zu installieren und zu warten sind. Diese Vorteile führen zu einer Reduzierung der Kosten für Design, Materialien, Installation und Support.

Hersteller reichen ihre Geräte zur Prüfung bei UL ein, um die NEC-Klasse-2-Zertifizierung zu erhalten. Sobald ein Gerät nach Klasse 2 zertifiziert ist, ist es für Entwickler einfacher zu verwenden als die meisten anderen Arten elektrischer Komponenten. Beispielsweise müssen in UL 508A-gelisteten Schalttafeln alle Schaltkreise der Klasse 2 und die damit verbundenen Komponenten nicht auf UL-Konformität geprüft werden, wodurch der Aufwand für die Schalttafelkonstruktion erheblich minimiert wird.

Für die ordnungsgemäße Umsetzung von Klasse-2-Designs sind einige Punkte zu beachten. Für einige nachgeschaltete Geräte ist möglicherweise eine Stromquelle der Klasse 2 erforderlich. Entwickler müssen sich dessen bewusst sein und sicherstellen, dass sie die richtige Stromquelle der Klasse 2 bereitstellen. Auch wenn Verkabelungsmethoden der Klasse 2 im Allgemeinen einfacher zu verwenden sind, müssen die Stromkreise der Klasse 2 unabhängig von anderen Stromkreisen verlegt werden, sowohl innerhalb eines Steuergehäuses als auch in Feldkanälen. Das vielleicht größte Problem bei Designs der Klasse 2 ist die begrenzte Menge an Strom, die für jeden Stromkreis zur Verfügung steht, wodurch die Anzahl der nachgeschalteten Geräte, die versorgt werden können, eingeschränkt wird.

Es gibt einige Möglichkeiten, Stromquellen der Klasse 2 zu implementieren. Kleine Transformatoren können so ausgelegt werden, dass sie 120 VAC strombegrenzt in 24 VAC umwandeln, um die Anforderungen der Klasse 2 zu erfüllen. Diese werden häufig für Signalanwendungen im privaten und gewerblichen Bereich verwendet, z. B. Thermostate für Heizungen und Klimaanlagen oder andere Gebäudeautomatisierungen. Typische industrielle Steuerungssysteme verwenden jedoch üblicherweise 24 VDC.

Einige Komponentenlieferanten haben ursprünglich Netzteile speziell für Anwendungen der Klasse 2 entwickelt. Diese Netzteile wurden so entwickelt, getestet und zertifiziert, dass sie die Anforderungen der Klasse 2 erfüllen (Abbildung 1). Dies ist ein praktikabler Ansatz, allerdings waren diese Netzteile oft auf einen nominalen Ausgangsstrom von 4 A oder weniger bei 24 VDC beschränkt. Viele Schalttafeln benötigten einen größeren Steuerkreisstrom und erforderten daher mehrere Netzteile. Oder es könnten mehrere Netzteile der Klasse 2 verwendet werden, die jedoch nicht vollständig genutzt würden. Beide Situationen haben einige der erwarteten Vorteile zunichte gemacht.

Einige Lieferanten reagierten auf die Bedürfnisse der Kunden nach einer besseren Möglichkeit, Designs der Klasse 2 einzusetzen, indem sie eine neue Gerätekategorie namens „Electronic Circuit Protector“ (ECP) schufen. ECPs sind eine intelligentere Familie von Geräten der Klasse 2, die eine intelligente Stromverteilung durchführen und es viel einfacher machen, die Vorteile zu nutzen, während sie gleichzeitig viele eigenständige und modulare Optionen für die Verteilung von 24-V-Gleichstrom in großen Mengen aus Standardnetzteilen bieten (Abbildungen 2 und 3).

Mit ECPs ist es möglich, bis zu 40 A großen Upstream-Strom auf viele einzelne Downstream-Stromkreise der Klasse 2 zu verteilen. Designer können daher je nach Bedarf weniger, dafür aber größere vorgeschaltete Netzteile wählen, vielleicht sogar mit Redundanz oder einer unterbrechungsfreien Stromversorgung. ECPs bieten darüber hinaus viele weitere Vorteile.

Da intelligente Stromverteilungsgeräte ihre ECP-Funktion mithilfe digitaler Methoden ausführen, reagiert der Schutz schneller als andere physikalische Methoden wie Sicherungen oder herkömmliche Leistungsschalter. Die Reaktion ist zuverlässiger als die Auslösekurve eines Standardschalters oder einer Standardsicherung und kommt der gewünschten Schutzstufe viel näher. Wenn beispielsweise ein 2-A-Schutz gewünscht wird, beträgt die ECP-Auslösekurve nahezu 2,1–2,2 A, während sie bei einem Leistungsschalter bis zu 6 A betragen kann. Diese ECP-Reaktionsfähigkeit sorgt für eine genaue Überstromselektivität gegenüber anderen Schaltkreisen und trägt dazu bei, Spannungsabfälle und sogar Kabelbrände zu verhindern.

Ein ECP überwacht den Strom auf jedem einzelnen Ausgangskanal und bietet Benutzern die Möglichkeit, jeden Ausgangskanal einzeln ein- und auszuschalten, beispielsweise über eine Fernsignalisierung von Steuersystemen. Beim Start werden die Ausgangskanäle automatisch kaskadenartig gestartet, um den Einschaltstrom des Systems zu reduzieren und die Wahrscheinlichkeit vorgeschalteter Überstromauslösungen zu minimieren.

Einige ECPs verfügen über eine visuelle Anzeige der Kanalauslastung, z. B. eine dauerhaft grüne LED bei weniger als 90 Prozent, grünes Blinken bei 90 bis 100 Prozent und rotes Blinken bei mehr als 100 Prozent. Darüber hinaus ermöglicht ein Gruppenalarmkontakt die Überwachung des ECP durch übergeordnete SPS. Bei Bedarf können Steuerungsmaßnahmen ergriffen und HMI-Alarme ausgelöst werden. Die Kontroll- und Diagnosefunktionen übertreffen bei weitem die Möglichkeiten, die ein ausgelöster Schutzschalter oder eine durchgebrannte Sicherung bieten kann, und erleichtern so die Inbetriebnahme, die Werksabnahmeprüfung und den Fehlerbehebungsaufwand erheblich.

Viele ECPs bieten kompakte Formfaktoren und Versionen, die eine höhere Kanalzahl unterstützen, können weniger Platz auf der DIN-Schiene beanspruchen als Sicherungen oder Leistungsschalter. Ein leitungsseitiges Überbrückungssystem erleichtert die Stromverteilung in großen Mengen, während kompakte Formfaktoren und eine klare Beschriftung die Entwicklung, Herstellung und Wartung von Schalttafeln erleichtern.

Beachten Sie, dass ECPs nicht nur für Installationen der Klasse 2 gelten. Einige allgemeine ECP-Modelle ermöglichen möglicherweise einstellbare Stromgrenzen pro Kanal, während für echte Klasse-2-Installationen bestimmte Klasse-2-Modelle erforderlich sind. Daher können ECPs für viele Steuerkreisanwendungen verwendet werden, bei denen Klasse 2 nicht erforderlich ist, aber andere Vorteile einer intelligenten Stromverteilung gewünscht sind.

Moderne ECPs sind die beste Wahl für die Verteilung großer 24-V-Gleichstrom-Schalttafeln auf Schaltkreise der Klasse 2 in Schalttafeln und bieten auch erhebliche Vorteile für die Verteilung von Standard-24-V-Gleichstromkreisen. Die Implementierung von ECPs ermöglicht eine proaktive Überwachung, macht es oft überflüssig, dass Personal Schaltschränke öffnen muss, und erfordert im Gegensatz zu einer Sicherung keinen Austausch nach einer Fahrt.

Stromkreise der Klasse 2 sind eine sehr spezifische Konfiguration, die einzigartig auf dem nordamerikanischen Markt ist und vom NEC definiert wird. Mit der Implementierung von Steuerschaltkreisen der Klasse 2 sind viele Sicherheits-, Leistungs-, Regulierungs- und Wirtschaftsvorteile verbunden.

Bestimmte Netzteile sind für die Bereitstellung von Stromkreisen der Klasse 2 ausgelegt, es gibt jedoch Leistungsbeschränkungen, sodass manchmal viele solcher Geräte benötigt werden. ECPs sind die beste und flexibelste Möglichkeit, mehrere Stromkreise der Klasse 2 von den 24-V-Gleichstrom-Großstromversorgungen zu verteilen, die typischerweise in Schalttafeln verwendet werden. ECPs bieten auch viele Vorteile für die Verteilung allgemeiner Stromkreise.

Bei Projekten und Geräten, die für Nordamerika bestimmt sind, sollten sich Designer mit den Anforderungen, Produkten, Designmethoden und Installationspraktiken im Zusammenhang mit Steuerstromkreisen der Klasse 2 vertraut machen, damit sie von dieser kompakten, wirtschaftlichen und funktionsreichen Lösung profitieren können.

Bilder mit freundlicher Genehmigung von Murrelektronik

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Aaron Henry ist Vizepräsident für strategische Entwicklung bei Murrelektronik und dort für die Produkt-Roadmap des Unternehmens verantwortlich. Henry verfügt über umfangreiche Branchenerfahrung mit Elektro- und Automatisierungsprodukten und war außerdem vier Jahre lang als Unteroffizier bei der US-Küstenwache tätig. Er hat einen Associate-Abschluss vom Georgia Perimeter College, einen Bachelor-Abschluss von der University of Georgia – Terry College of Business und einen Master-Abschluss in Industrievertrieb von der Texas A&M University.