Stromregler für Elektrosysteme

Stromreglerkarte zum Schalten von Magnetsystemen

Die Stromreglerkarte ist speziell zum Schalten von induktiven Lasten vorgesehen, wie z. B. von elektrisch schaltbaren Magnetsystemen - nach dem Prinzip der Feldverdrängung - oder reinen Elektromagnetsystemen. Steuerungstechnisch liegt das Prinzip einer "Tiefsetzschaltung" vor.

Der Regler besitzt die CE- Zulassung gemäß der Normen EN 50081-2 und EN 50082-2 entsprechend der Richtlinien für Störeinstrahlung und Störausstrahlung. Notwendige Voraussetzung dafür ist, daß die Verdrahtung vom Stromregler zum Magnetsystem mit geschirmten Leitungen ausgeführt wird. Ein dreiphasiger Eingangsfilter zur Reduzierung der Netzrückwirkung ist bereits integriert. Ebenso wurde ein entsprechender Ausgangsfilter vorgesehen. Es kann auch jede andere kompatible Type anderer Hersteller verwendet werden.

Zur Ansteuerung von Elektrosystemen kann prinzipiell jede stromgeregelte 1Q-Steuerung verwendet werden. Da in aller Regel nur 2Q- bzw. 4Q- Regelungen am Markt angeboten werden und diese in ihrer Regelgenauigkeit nicht universell einsetzbar sind, wurde eine preisgünstige 1Q- Stromregelung mit einer hohen Regelgenauigkeit und zusätzlichen Überwachungsfunktionen entwickelt:

Prinzip der Feldverdrängung:

Hierbei handelt es sich um monostabile Magnetsysteme, die bei Stromfluß magnetisch neutral sind. Um diese Feldverdrängung während des Stromflusses zu erreichen, bedarf es eines - über die Temperatur gesehen – konstant geregelten Stromes, so daß die Erwärmung der Spule ohne Belang ist. Ein wohldefinierter Temperaturgang, der die Erwärmung der Permanentmagnete berücksichtigt, wäre von Vorteil, jedoch nicht zwingend notwendig.

Elektromagnetsystem:

Damit bei einem reinen Elektromagnetsystem die Haftkraft nicht von der Spulentemperatur abhängig wird, ist auch hier die Forderung nach einem konstanten Spulenstrom gegeben. Dies ist um so notwendiger, wenn es sich um Sicherheitsanwendungen handelt, bei denen eine gewisse Mindesthaftkraft garantiert werden muß. Damit dies möglichst energiesparend geschieht, d.h. die Verlustenergie minimiert wird, entwickelte TMK eine Stromreglerkarte, die nach dem Prinzip der Pulsbreitenmodulation arbeitet. Da bei der Stromregelung im Einschaltmoment eine deutlich höhere Spannung an das System angelegt werden kann, wird auf diese Weise auch die Einschaltzeitkonstante deutlich reduziert, so daß die Wirkung des Elektrosystem früher zur Verfügung steht.

1. Funktionsbeschreibung

Besonderer Wert wurde auf die Potentialtrennung zwischen Eingangs- und Ausgangskreisen gelegt. Über Optokoppler im Eingangskreis wird die Ansteuerung getrennt. Durch den Mehrbereichseingang in der Leistungsversorgung kann der Stromregler an einen weiten Eingangsspannungsbereich angeschlossen werden. Durch die integrierte B6-Brückenschaltung kann eine dreiphasige Wechselspannung von 100 bis 480 VAC, genauso wie eine Gleichspannung zwischen 130 bis 500 VDC angeschlossen werden. Der Ausgansstrom kann kontinuierlich zwischen 1,5 und 15 A eingestellt werden.

Der Stromfluß erfolgt solange mit dem eingestellten Stromwert bis das Eingangssignal wieder verschwindet. Der Stromistwert wird über ein Hallelement potentialgetrennt dem Pulsbreitenmodulator zum Vergleich mit dem Sollwert zugeführt. Durch die vollständige Potentialtrennung zwischen Ansteuerungs-, Regel- und Leistungskreis wird eine rückkopplungsfreie und störsichere Funktion erreicht.

Sollten dennoch Störungen durch unzulässige Betriebszustände auftreten, wird die o.K. Meldung (24 VDC Signal) während der Ansteuerung zurückgenommen. Liegt auch bei der nächsten Ansteuerung noch ein Fehler vor, so wird am gleichen Ausgang keine Bereit-Meldung mehr erzeugt. Dieser Fehler kann durch eine SPS erfaßt und ausgewertet werden.

2. Ansteuerung

Es stehen verschiedene Möglichkeiten der Ansteuerung zur Verfügung. Festgelegt ist lediglich der 24 Volt Pegel. Es steht dem Anwender frei, die Ansteuerung über einen potentialfreien Relaiskontakt oder über einen potentialgebundenen Ausgang einer frei programmierbaren Steuerung zu realisieren. In jedem Fall ist ein zusätzlicher Tiefpaß vorgesehen, der höherfrequente Störungen eliminiert.

2.1 Eingänge

Der Stromfluß wird für die Zeitdauer der Ansteuerung konstant geregelt. Es steht ein Signaleingang (24 VDC) zur Verfügung, der den voreingestellten Strom freigibt. Dieser Strom kann durch ein internes Potentiometer eingestellt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der flexiblen Vorgabe des Stromsollwertes durch den analogen Eingang. Durch eine Spannung zwischen 2 bis 10 V an diesem Eingang wird ein Strom von 1,5 bis 15 A eingestellt.

2.2 Stromeinstellung

Der Sollwert des konstant zu regelnden Stroms kann unabhängig von der Ansteuerung der Eingänge eingestellt werden. Hierfür ist ein Taster vorgesehen. Durch Betätigen des Tasters wird ein Trimmpotentiometer selektiert, an welchem nun der Stromsollwert eingestellt werden kann. Zur Ablesung des Stromwertes kann ein Strommeßgerät in den Ausgangskreis gelegt werden.

3. Überwachungen und Fehlermeldungen

Die Stromreglerkarte beinhaltet verschiedene Regel- und Überwachungsfunktionen, die allesamt ein sicheres Arbeiten mit ihr gewährleisten und eine sichere Funktion ermöglichen. Eine genauere Beschreibung des Regelverhaltens und der Sicherheitsfunktionen wird im Folgenden gegeben.

3.1 Die Stromsollwertüberwachung

Der Stromsollwert wird durch den Pulsbreitenmodulator konstant geregelt. Die aus-gangsseitige Pulsbreite stellt sich automatisch, je nach Stromsollwert, im Bereich von 5 % bis 95 % ein, wodurch eine Stromkonstanz von ca. 2 % erreicht wird. Ein Hallelement im Leistungskreis dient zum einen zur Rückführung des Stromistwertes und zum anderen zur Feststellung eines Überstromes oder Kurzschlusses.

3.2 Elektronischer Kurzschlußschutz

Überschreitet eine am Meßwiderstand abfallende Spannung ein Limit, so wird die weitere Ansteuerung des Ausgangskreises verhindert und das minimale Tastverhältnis eingestellt. Die Funktionskontrolle Klemme 4 wird zurückgesetzt und meldet dadurch „Fehler Magnetstrom“. Kurzschluß oder unzulässiger Überstrom können diese Funktion auslösen. Die Elektronik ist gegen Kurzschlüsse dieser Art geschützt. Ein Erdschluß in der Masseleitung wird ebenfalls erkannt und führt zu keinem Ausfall des Reglers. Lediglich ein Erdschluß in der pos. Leistungsversorgung würde zu einem Fehler führen, der eine Reparatur notwendig macht.

3.3 Drahtbruch- und Sicherungsüberwachung

Tritt ein minimaler Stromfluß von 1,5 A - festgelegt durch ein Widerstandsverhältnis - nicht innerhalb von ca. 100 ms nach der externen Ansteuerung auf, so muß die stromführende Leitung unterbrochen sein oder eine ähnliche Funktionsstörung (Sicherung im Leistungsteil) vorliegen. Diese Funktion wirkt ebenso wie der elektronische Kurzschlußschutz auf die Klemme 4. Die Bereitschaft wird also nicht erzeugt – kein 24 V Signal -, so daß eine SPS diesen Fehler erkennen und entsprechende Maßnahmen einleiten kann.

4. Störmeldung nach außen

An der Klemme 4 – siehe Anschlußplan – wird die ordnungsgemäße Funktion der Stromreglerkarte gemeldet. Ein 24V Signal ca. 100 ms nach der Ansteuerung wird während der gesamten Ansteuerung gehalten. Die Meldung wird gesetzt, wenn die Regelung begonnen hat und somit der Stromsollwert erreicht wurde. In Abhängigkeit von der Induktivität des Magnetsystems tritt dies früher oder später ein. Spätestens jedoch nach 100ms sollte die Regelung einsetzen. Dieses kann von einer vorgeschalteten SPS abgefragt werden und ist ein Zeichen dafür, daß der Sollstrom erreicht ist. Eine weitere Strommessung zu Überwachungszwecken ist deshalb nicht nötig. Werden mehrere Stromregler eingesetzt, so sollte jede Funktionsmeldung einzeln von der SPS aufgenommen werden, um im Störungsfall sofort eine Meldung auf dem Monitor anzuzeigen (z.B.: "Magnetspalte 3: Störung"). Eine weitere Aufschlüsselung über die Art des Fehlers ist nicht notwendig, da im Falle einer Störung sowieso die Anlage stillgesetzt werden muß.

5. Technische Daten

Die Leistungsversorgung kann prinzipiell im Bereich von 130 VDC bis 500 VDC oder direkt dreiphasig aus dem Drehstromnetz von 100 VAC bis 480 VAC erfolgen. Um einen großen Regelbereich zu ermöglichen, sollte die Anschlußspannung etwa doppelt so groß gewählt werden wie die notwendige Systemspannung. Benötigt z.B. ein Magnetsystem eine Spannung von 100 VDC, um eine bestimmte Haftkraft aufzubringen, so sollte die Anschlußspannung 200 VDC betragen. Durch diese Auslegung halbiert sich ebenfalls die Zeitkonstante des Magnetsystems. Wird besonders schnelles Schalten erforderlich, so kann der Faktor auch größer gewählt werden.

Im folgenden eine tabellarische Zusammenstellung der wesentlichen technischen Daten:

Versorgung des Stromreglers:
Anschlußspannung:	130 VDC bis 500 VDC
alternativ:	100 VAC bis 480 VAC
Steuerspannung:	24 VDC +- 10 %
Strom der Steuerspannung :	ca. 200 mA
Regelfrequenz :	ca. 19 kHz
Eingänge:
Eingangsspannung:	12 bis 24 VDC
Eingangsstrom:	10 mA
Ausgang:	Type 192 011
Maximaler Ausgangsstrom bei ED = 100%:	15 A
minimaler Ausgangsstrom (voreingestellt):	1,5 A
Meldung: Magnetstrom o.k.
Schaltspannung:	max. 24 VDC
Strom bei 24 V:	max. 300 mA
Abmessungen:	Länge	* Breite	* Tiefe(mm)
Type 192 011:	220	* 143	* 240
Regelbereich:	1,5 A bis 15 A

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