Geräteverdrahtung: Energiebus-Systeme mit Leiterplatten-Steckverbindern

| Autor / Redakteur: Michael Nordholz * / Kristin Rinortner

Geräteverdrahtung im Schaltschrank: Bussysteme erlauben hohe Freiheitsgrade – auch in der Energieverteilung.
Geräteverdrahtung im Schaltschrank: Bussysteme erlauben hohe Freiheitsgrade – auch in der Energieverteilung. (Bild: Phoenix Contact)

Energiebusse vereinfachen die Geräteverdrahtung. Allerdings müssen sie jeweils individuell umgesetzt werden. Wir stellen eine Möglichkeit vor, wie Sie eine höhere Flexibilität mit Standardkomponenten wie Leiterplatten-Steckverbindern erreichen.

Ob Werkzeugmaschinen, Förderbänder oder Roboterarme – elektrische Antriebe sind aus der Automatisierungs- und Anlagentechnik nicht mehr wegzudenken. Je zahlreicher und leistungsfähiger die Maschinen und Anlagen werden, desto leistungsfähiger müssen auch ihre elektronischen Baugruppen wie Wechselrichter oder Frequenzumrichter werden. Mit der Anzahl dieser dezentralen Geräte im Schaltschrank steigen jedoch auch der Verdrahtungsaufwand, die Zeit für die Inbetriebnahme und schließlich die Wahrscheinlichkeit von Betriebsverzögerungen im Wartungsfall.

Bussysteme als gute Lösung bei der Geräteverdrahtung

Energiebus-Systeme bieten ein hohes Potenzial, die Geräteverdrahtung zu vereinfachen und zu beschleunigen. Das Prinzip ist denkbar einfach: Ähnlich wie bei einem Feldbus sind mehrere Automatisierungsteilnehmer über die gleiche Leitung miteinander verbunden und in die vor- oder nachgelagerten Automatisierungsebenen integriert. Die für jedes Gerät notwendige Leistung wird in einer seriellen Topologie durchgeschleift – also von der Stromquelle über die gleiche Leitung an alle Teilnehmer übertragen.

Unabhängig davon, ob die Zwischenkreise mehrerer Antriebsregler synchronisiert oder ob unterschiedliche Batterielademodule mit dem Versorgungsnetz verbunden werden sollen, lassen sich auf diese Weise der Verdrahtungsaufwand sowie die Fehleranfälligkeit während der Inbetriebnahme und im Wartungsfall deutlich reduzieren. Hinzu kommt, dass die serielle Verdrahtung nur einen Bruchteil des Materials und des Bauraumes der konventionellen parallelen Verdrahtung benötigt (Bild 1).

Wegen ihrer hohen Effizienz sind Bussysteme zur Energieverteilung schon seit langem etabliert und weit verbreitet. Die technische Umsetzung erfolgt jeweils individuell, da die Anforderungen an ein solches System stark von den Umgebungsbedingungen und nicht zuletzt von den Leistungsklassen der Geräte abhängen.

Stromschienen: nicht neu aber auch nicht standardisiert

Ein Beispiel dafür ist die DC-Zwischenkreisverbindung von Umrichtermodulen eines Mehrachsantriebsreglers. In dieser Anwendung sind so genannte Stromschienen weit verbreitet – einfache Kupferschienen, über die die Leistung ebenfalls seriell von Modul zu Modul übertragen wird.

Da sich die Gerätebaubreiten und damit auch die Längen der erforderlichen Stromschienen von Hersteller zu Hersteller unterscheiden, werden diese Kupferschienen für jedes Projekt individuell konstruiert und angefertigt. Ebenso individuell sind die Anschlüsse zur Stromschiene, die Verbindungen der Schienenenden zwischen den Geräten sowie die elektrische Isolation der Stromschienen.

So viel Individualität fordert ihren Preis: Die konstruktive Auslegung dieser Baugruppen bindet schon in der Entwicklungsphase Ressourcen. Zudem müssen entweder eigene Werkzeuge angeschafft oder Dritthersteller beauftragt werden, um die notwendigen Komponenten verfügbar zu halten. Und je höher der Individualisierungsgrad, desto geringer ist in der Regel die produzierte Stückzahl. Skaleneffekte der automatisierten Produktion können daher ebenfalls nicht optimal ausgeschöpft werden.

Bild 1: Leiterplatten-Steckverbinder und flexible Leiter ermöglichen die freie Anordnung von Geräten innerhalb eines Energiebus-Systems.
Bild 1: Leiterplatten-Steckverbinder und flexible Leiter ermöglichen die freie Anordnung von Geräten innerhalb eines Energiebus-Systems. (Bild: Phoenix Contact)

Auch bei der späteren Anwendung im Schaltschrank zeigen sich die Nachteile starrer Stromschienen. Die Kupferschienen und ihre Verbindungselemente lassen in der Regel nur die horizontale Anordnung der zu verbindenden Geräte zu. Und auch dabei muss das Installationspersonal enge Einbautoleranzen einhalten. Nur wenige Hersteller bieten flexiblere Lösungen etwa für die vertikale Anordnung der Geräte – und auch dies nur unter dem Einsatz von weiterem Zubehör.

Verdrahtungsaufwand bei der Daisy-Chain-Verdrahtung

Eine flexiblere Alternative bietet die so genannte Daisy-Chain-Verdrahtung. Die Leistungsversorgung der Geräte ist hier mit konventionellen Leiterplattenanschlüssen umgesetzt, Potenziale werden mittels Einzeladerbrücken von Gerät zu Gerät verteilt. Dies erlaubt zwar eine deutlich freiere Anordnung der Geräte – allerdings steigt der Verdrahtungsaufwand, da jeder Ein- und Ausgang separat verbunden werden muss. Mit der Anzahl manueller Arbeitsschritte steigt jedoch auch das Risiko von Verdrahtungsfehlern oder Fehlkontaktierungen.

Bild 2: Die flexible Energieverteilung kann auf einfache Weise gesteckt und erweitert werden.
Bild 2: Die flexible Energieverteilung kann auf einfache Weise gesteckt und erweitert werden. (Bild: Phoenix Contact)

Die Herausforderung besteht nun darin, ein wirtschaftlich attraktives Energiebus-System aufzusetzen, das sowohl universell nutzbar als auch unabhängig von Gerätebaubreiten oder der räumlichen Geräteanordnung im Schaltschrank ist. Die Basis dafür bilden etablierte Leiterplattenanschlüsse und handelsübliche 16 mm²-Leiter (Bild 2).

Einfach steckbare Lösung mit hoher Design-Flexibilität

Auf der Grundlage des Leiterplatten-Steckverbinders PC 6 hat Phoenix Contact eine Lösung entwickelt, die einfach steckbar ist und eine hohe Flexibilität im Geräte-Design sowie bei der Ausrichtung im Schaltschrank bieten soll. Der so genannte PC 6/..-ST-Bus eignet sich für herkömmliche flexible Leiter mit einem Querschnitt von 4 mm x 4 mm – oder alternativ AWG 6 – und ist steckkompatibel zur bestehenden Grundleiste der gleichen Familie. Der Vorteil für Gerätehersteller liegt darin, dass sie keine individuelle Konstruktion entwickeln müssen, um die Stromschiene anzubinden. Darüber hinaus können Gerätehersteller die Leiterplatte im automatisierten Fertigungsverfahren mit allen Bauteilen bestücken.

Anders als bei Stromschienen sind bei dieser Lösung sämtliche spannungsführenden Teile wie Leiter und Kontaktstellen konstruktiv isoliert. Damit entfällt der entwicklungsseitige Aufwand für die Isolationskoordination und für zusätzliche Abdeckungen, die die Stromschienen vor unbeabsichtigter Berührung schützen. Da der PC-6-Energiebus den Einsatz flexibler Leiter ermöglicht, können beliebig viele Geräte in nahezu beliebiger Anordnung in den Geräteverbund integriert werden. Dazu werden die mit den Grundleisten versehenen Geräte an den vorgesehenen Positionen im Schaltschrank montiert und die PC-6-Steckverbinder eingesteckt.

„Einfädeln“ bringt Zeitersparnis von 60 Prozent

Die Leiter können im Anschluss durch die einzelnen Klemmstellen der Steckverbinder „eingefädelt“ und durch Anziehen der Schraubanschlüsse verbunden werden. Die Zeitersparnis im Vergleich zur Daisy-Chain-Verdrahtung beträgt bis zu 60%. Bei diesem Vorgang durchdringt die Schraube die Leiterisolierung und drückt einen Teil der feinen Litzen in den unteren Bereich des Klemmraums beziehungsweise der Scherhülse. So wird die Isolation auch auf der Unterseite des Leiters durchbrochen, und die nun unisolierten Litzen werden zwischen der speziell geformten Schraubenspitze und den beiden Flanken der Scherhülse geklemmt.

Bild 3: Pierce-Schraube und Scherhülse sorgen für eine stabile Kontaktierung auf lange Sicht.
Bild 3: Pierce-Schraube und Scherhülse sorgen für eine stabile Kontaktierung auf lange Sicht. (Bild: Phoenix Contact)

Das Anschlussprinzip kombiniert die Funktionsweisen des Pierce-Anschlusses, des Schneidklemmanschlusses (IDC-Anschluss, insulation displacement connection) und der herkömmlichen Schraubverbindung (Bild 3). Der rote Indikator des Steckverbinders liefert jederzeit eine verlässliche Rückmeldung zur Schraubenposition – was besonders während der Verdrahtung von Vorteil ist. Sollte die Arbeit unterbrochen werden, sind offene Klemmstellen nach Wiederaufnahme der Tätigkeit einfach zu erkennen.

Eine spezielle Endkappe erlaubt zudem die einfache Isolation der Leitungsenden am letzten Gerät innerhalb eines Bussystems. Nach dem Ablängen der Leiter lässt sie sich einfach auf den Steckverbinder aufrasten. Sollen einzelne Leiter weitergeführt werden, können die entsprechenden Isolierkappen separat geöffnet werden.

Vereinfachter Marktzugang durch UL-Konformität

Die Leiterplatten-Steckverbinder der Serie PC 6/..-ST-Bus sind nach dem Standard UL 1059 uneingeschränkt für Spannungen bis zu 600 V geeignet. Damit ist eine universelle Anwendung als sogenannter „field wiring terminal block“ in allen Bereichen gestattet. Die Normkonformität vereinfacht den internationalen Zulassungsprozess und beschleunigt die Einsatzfähigkeit neuer Geräte auf den diversifizierten Märkten in Amerika, Europa und Asien.

Fazit: Auf den ersten Blick scheint es widersprüchlich zu sein, dass eine höhere Flexibilität bei der Geräte- und Schaltschrank-Konstruktion mit Standardkomponenten erzielt wird. Doch gerade der Einsatz herkömmlicher, flexibler Leiter ermöglicht es, die Geräte beliebig im Schaltschrank zu positionieren.

Leiterplatten-Steckverbinder bieten darüber hinaus eine etablierte Schnittstelle zur leistungselektronischen Baugruppe. Diese Kombination spart Ressourcen im Entwicklungsprozess und erlaubt den weltweiten Einsatz der Komponenten und Geräte. Da die Leiter nicht vorbehandelt werden müssen und ohne Spezialwerkzeug angeschlossen werden können, sparen Installateure wertvolle Zeit bei der Inbetriebnahme.

Dieser Beitrag ist erschienen im Sonderheft Elektromechanik III der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF)

* Dipl.-Ing. Michael Nordholz ist Produktmanager PCB Connectors bei Phoenix Contact in Blomberg.

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