Modul Steuerungstechnik

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1 5. Auflage Juni 2014 Modul Steuerungstechnik Art. Nr Inhaltsverzeichnis Normen für Schaltgerätekombinationen 9 Sensorik 39 Elektrische Maschinen 59 Steuerungstechnik 95 Prüfungsfragen 111

2 Inhaltsverzeichnis Normen für Schaltgerätekombinationen...9 Übersicht der Normenreihe EN Beispiel eines Typenschildes nach EN Kurzschlussfestigkeit...11 Basisschutz...11 Instruierte Personen...12 Bestimmung des Bemessungsstromes einer Schaltgerätekombination (SK)...13 Schutzmassnahme mit Schutzleiter...14 Bauartnachweis / Stücknachweis...15 Bauartnachweisprotokoll (EN )...17 Stücknachweisprotokoll (EN )...18 Anordnung und Montage von SK in Fluchtwegen (NIN )...20 Ergänzende Weisungen für die Installation von Niederspannungsanlagen...20 Niederspannungs-SK für elektrische Maschinen gemäss EN Netz-Trenneinrichtung...21 Schutz gegen direktes Berühren (6.2.2 und 11.3)...21 Versorgung von Steuerstromkreisen (9.1.1)...21 Erdschlüsse in Steuerstromkreisen ( )...22 Beispiele...22 NOT-HALT und NOT-AUS ( )...23 NOT-AUS...23 NOT-HALT...23 Vorschriften/Normen...24 Netzarten...25 Nullung...26 Selektivität...27 Bau und Vertrieb einer Maschine...28 Maschinenrichtlinie 2006/42/EG...28 Wesentliche Merkmale zur CE-Kennzeichnung...30 Risikobeurteilung nach ISO Festlegung der Grenzen...31 Gefährdungen identifizieren...32 Risikoeinschätzung...32 Risikobewertung...33 Methoden zur Ermittlung der geforderten Sicherheitsintegrität (Performence-Level)...33 Risikominderung: Die 3-Stufen-Methode (EN ISO 12100)...34 EMV Elektromagnetische Verträglichkeit (Richtlinie 2004/108/EG)...35 Schutzanforderungen...35 Konformitätserklärung...36 Einbauerklärung...37 CE-Kennzeichnung nach Maschinenrichtline by SWISSMECHANIC 5

3 Sensorik...39 Allgemeines...39 Nicht normierte Werte...39 Normierte Werte...39 Ausgangssignal...40 Mechanische Sensoren...41 Endschalter, Microswitches, Grenztaster...41 Elektronische Sensoren...42 Induktive Sensoren (Näherungsschalter)...42 Kapazitive Sensoren (Näherungsschalter)...46 Hall-Sensoren...49 Optoelektronische Sensoren (optisch)...50 Ultraschall-Sensoren...54 Druck-Sensoren...55 Dehnungsmessstreifen (DMS Streifen)...56 Thermische Sensoren...57 Feuchtigkeits-Sensoren...57 Weitere Sensoren...58 Elektrische Maschinen...59 Drehstrom...59 Erzeugung von Gleichstrom...59 Erzeugung von Wechselstrom...60 Erzeugung von Drehstrom...60 Unser Stromnetz...60 Magnetfeld des Stators...61 Übersicht der wichtigsten Elektromotoren...63 Allgemeines zu Elektromotoren...64 Energieeffizienz...64 Erwärmung und Verluste...65 Betriebsarten...66 Drehrichtungsbestimmung...67 Leistungsschild...68 Beispiel KSA-Motor...70 Asynchronmaschinen (Induktionsmaschinen)...71 Prinzip des Asynchronmotors...71 Aufbau eines Asynchronmotors...72 Der Stator/Ständer...73 Anlauf von KSA-Motoren (Kurzschlussankermotor)...74 Stern-Dreieck-Schaltung...74 Motor mit Stern-Dreieck-Anlauf by SWISSMECHANIC

4 Sanftanlasser...77 Frequenzumformer FU...78 Umkehrsteuerung...79 Drehstrom Asynchronmotor am Einphasennetz...80 Einphasen-Asynchronmotor...81 Einphasen-Asynchronmotor mit Kondensator...82 Gleichstrommaschinen...83 Funktion des Gleichstrommotors...83 Der Schrittmotor...85 Servomotoren...87 Resolver...88 Bremsung von Elektromotoren...89 Mechanische Bremsen...89 Gleichstrombremsung...89 Gegenstrombremsung...89 Generatorische Bremsung...89 Transformatoren...90 Arten...90 Bezeichnungen...90 Eisenkern (Magnetgestelle)...91 Aufbau und Prinzip...92 Kennzeichnung von Kleintransformatoren...92 Netzteil...93 Gleichrichter...93 Steuerungstechnik...95 Betriebsmittel einer Steuerung...95 Motorvollschutz...95 Thermoschalter (Klixon)...97 Entsorgungshinweise...97 Übungen Steuerungstechnik...98 Prüfungsfragen by SWISSMECHANIC 7

5 Sensorik Elektronische Sensoren Induktive Sensoren (Näherungsschalter) Funktion: Der Schwingkreis (Oszillator) erzeugt mit seiner Schwingkreis-Spule ein elektromagnetisches Wechselfeld, das aus der aktiven Fläche des Initiators austritt. In jedem sich nähernden elektrisch leitenden Metall (Schaltfahne) werden Wirbelströme induziert, die dem Oszillator Energie entziehen. Dadurch resultiert am Oszillatorausgang eine Pegeländerung, die ein Kippen des Signalauswerters bewirkt und damit die Ausgangsstufe schaltet. Die Erkennung elektrisch gut leitender Materialien wird durch eine möglichst grosse Fläche der Schaltfahne begünstigt. Dabei wird die Funktion durch allfällige Bewegung des Objektes nicht beeinträchtigt (berührungsfrei). Kunststoffgehäuse Spule Schutzpaste Masse LED Ferritkern Halterung IC Träger Gehäuse Halterung Oszillator Komparator Endstufe Magnetfeld ohne Schaltfahne (unbedämpft) LC-Schwingkreis C R L R ist der Verlustwiderstand infolge der Leiterverluste... Wichtigster Bestandteil des induktiven Sensors ist der LC-Schwingkreis. Die Spule L dieses Schwingkreises erzeugt ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld erzeugt in einer metallischen Schaltfahne Wirbelströme. Diese Wirbelströme bedämpfen den Schwingkreis by SWISSMECHANIC

6 Elektrische Maschinen Gleichstrommaschinen Es gibt Stromwendermotoren für Gleich- und Wechselstrom. Gleichstrommotoren sind im Gegensatz zu Wechselbzw. Drehstrommotoren immer mit einem Kommutatorläufer ausgerüstet. Bei Wechsel- bzw. Drehstrommotoren findet meistens das Induktionsprinzip Anwendung, so dass diese Motoren einen Kurzschlussläufer besitzen, der wesentlich wartungsfreier ist als der Kommutatorläufer. Trotzdem haben auch Wechselstrom-Kommutatormotoren ihre Anwendungsgebiete. Mit der zunehmend besseren und kostengünstigeren Leistungselektronik für die Regelung von Wechsel- und Drehstrommotoren werden Gleichstrommotoren immer weiter aus ihren Einsatzgebieten verdrängt. Doch gibt es auch heute noch einige Anwendungsgebiete in denen sich Gleichstrommotoren noch nicht durch Wechselstrommotoren ersetzen lassen. Dies ist beispielsweise bei Walzenstrassen (Papier-,Textil-, Druck-, Folienherstellung und Verarbeitung), Fahrzeugbau und Werkzeugmaschinen der Fall. Funktion des Gleichstrommotors Der Gleichstrommotor besteht aus dem Ständer und dem Läufer. Wegen der erforderlichen Stromwendung sind es stets Aussenpolmaschinen. Das heisst, das Erregerfeld ist immer im Ständer untergebracht. Das nachfolgende Bild zeigt das Prinzip des Gleichstrommotors. Polwechsel Magnetfeld im Ständer Anker Stromwender (Kollektor, Kommutator) S N N N S S Altes S + - Neues S Das Magnetfeld im Stator wird durch eine Feldwicklung oder einen Permanentmagneten erzeugt. Der stromdurchflossene Anker dreht sich gemäss den Regeln der Kraftwirkung auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld. Der Stromwender polt immer im richtigen Moment um, damit der Anker weiterdreht. Animation Gleichstrommotor (vereinfacht) by SWISSMECHANIC 83

7 Elektrische Maschinen Der Schrittmotor Diese Sonderbauform der Synchronmaschine wird für Positionierantriebe aller Art verwendet. Die digitale Ansteuerung der Statorwicklung führt pro Impuls zu einer Drehung des Läufers um den Schrittwinkel a. Bei n-steuerbefehlen dreht sich der Läufer also um den Winkel n a. Es ist daher möglich, eine Positionierung ohne Rückmeldung vorzunehmen, was mit einem Servomotor nicht einfach möglich ist. Durch eine digitale Ansteuerung einer Leistungsstufe erhält ein Schrittmotor einzelne Stromimpulse, welche die Wicklungsstränge 1 3 erregen und damit jeweils eine sprungförmige Winkeländerung der Ständerfeldlage erzielen. Der Läufer stellt sich also jeweils so in das Ständerfeld, dass vier seiner Zähne mit den gerade erregten Ständerpolen deckungsgleich sind. Dies entspricht der Stellung maximalen magnetischen Leitwerts by SWISSMECHANIC 85

8 Prüfungsfragen Prüfungsfragen 1. Welche Werte müssen beim Personenschutz eingehalten werden? 2. Was muss erfüllt sein, damit die Konstruktion als Erdverbindung benützt werden kann? 3. Was heisst Selektivität? 4. Erklären Sie den Unterschied zwischen TN-C und TN-S. 5. Was ist eine Kleinspannungsanlage? 2014 by SWISSMECHANIC 111