Thermal Design Integration
IEC61439-konforme
Planung von Schaltschränken
Im Rahmen des Teilprojekts InnoCat4 der Innovationsallianz Green Carbody Technologies ist der Handlungsbedarf der Automobilindustrie in puncto Energieeffizienz und störungsfreien Betriebs von Schaltschränken aufgezeigt worden. Entsprechende Verbesserungs-Erfordernisse gibt es auch im Maschinenbau und in der Installationstechnik. Darüber hinaus muss die neue Schaltschranknorm DIN EN61439 beachtet werden, die eine korrekte und dokumentierte Schaltschrankplanung festschreibt (Bild 1). Vor diesem Hintergrund haben sich Eplan, Phoenix Contact und Rittal zusammengeschlossen, um die Schaltschrankplaner bei der Umsetzung dieser Herausforderungen zu unterstützen.
Im Rahmen der Initiative ‚Smart Engineering and Production 4.0 (SEAP)‘ greifen die drei Unternehmen die Ergebnisse von Green Carbody Technologies auf. Durch ‚Thermal Design Integration‘ lassen sich Schaltanlagen hinsichtlich Entwärmung und störungsfreiem Betrieb optimieren. Auf der SPS IPC Drives 2015 werden erste Konzepte zur Realisierung energieeffizienter Schaltschränke vorgestellt. Zwecks Sammlung von Daten über den aktuellen Status hat Rittal im Vorfeld fast 400 in verschiedenen Branchen installierte Schaltschränke untersucht. Dabei ist der Fokus auf die klimatechnische Auslegung sowie die richtige Anordnung der verbauten Geräte gelegt worden.
Betriebstemperatur entscheidendes Kriterium für die Lebensdauer
Aus der Analyse der erhobenen Informationen ergeben sich zahlreiche Verbesserungspotenziale. So wiesen beispielsweise 19% aller geprüften Schaltschränke mit Kompressor-Kühlgeräten einen Lüftungs-Kurzschluss auf, sodass ein Teil der Kühlleistung nicht nutzbar war. Bei zwei Dritteln der Schränke waren die zu kühlenden Teile nicht im Luftstrom zwischen Aus- und Einlass des Kühlgeräts gruppiert. Daraus resultieren gravierende Folgen für aktive Komponenten. Zum einen produzieren diese Geräte einen großen Teil der Wärme im Schaltschrank. Zudem müssen sie passend gekühlt werden, damit sie im zulässigen Temperaturbereich betreibbar sind. Nur so lässt sich bereits während der Planung ihre langfristig zuverlässige Funktionsweise sicherstellen. Nach der Arrhenius-Regel halbiert sich die mittlere Lebensdauer von Halbleitern, wenn die Arbeitstemperatur um 10°C steigt. Elektrolyt-Kondensatoren trocknen bei höheren Temperaturen schneller aus und verlieren folglich an Kapazität. Für elektronische Geräte mit Elektrolyt-Kondensatoren und Halbleitern erweist sich die Betriebstemperatur deshalb als entscheidendes Kriterium hinsichtlich einer langen Lebensdauer. Bei der Kalkulation der Verlustleistung der Schaltschrankkomponenten werden oftmals die Leistungsverluste auf Kabeln und Klemmstellen vergessen. Wärmebildaufnahmen der Schaltschränke zeigen neben aktiven Komponenten häufig auch sehr warme Klemmenleisten. Die gemäß Norm maximal erlaubten Verlustleistungen der Klemmen verdeutlichen, wie die hohen Temperaturen zustande kommen. Eine Klemme für 16mm2 darf laut Norm bis zu 3,42W Verlustleistung haben; der Wert für die am meisten verwendeten Klemmen für 2,5mm2 beträgt immer noch 1,08W. Das Gleiche gilt prinzipiell für jede Klemmstelle im Schaltschrank. Bei einer sorgfältigen Auslegung des Schaltschanks muss der Planer also ebenfalls die Wärmeeinträge von hunderten oder tausenden Klemmstellen berücksichtigen. Aufgrund der großen Anzahl an Klemmen und Klemmstellen lässt sich diese Aufgabe lediglich durch den Einsatz von Software effizient und sinnvoll lösen (Bild 2).
Energieverbrauch muss bei der Planung ersichtlich sein
Die Schaltschrank-Untersuchung durch Rittal unterstreicht ferner, dass die Kompressorkühlgeräte in 50% der Fälle deutlich überdimensioniert waren. Die Planer überschätzen die Verlustleistung im Schaltschrank somit vielfach. Überdimensionierte Kühlgeräte ziehen nicht nur höhere Anschaffungs- und Betriebskosten nach sich, sondern wirken sich außerdem negativ auf die Energieeffizienz aus. Weiteres Verbesserungspotential eröffnet die Anordnung der Komponenten im Schaltschrank. Sie orientiert sich heute vor allem an einer möglichst einfachen, übersichtlichen und wartungsfreundlichen Installation mit kurzen Kabelwegen. Die optimale Führung der kühlen Luft, das Umströmen der zu kühlenden Komponenten sowie die Vermeidung sogenannter Hot Spots werden dagegen oft vernachlässigt. Die Auswahl der Schaltschrank-Komponenten erfolgt darüber hinaus anhand von Kosten- und Funktionsüberlegungen. Der Energieverbrauch und der damit verbundene höhere finanzielle Aufwand für größere Netzteile und Kühlgeräte werden häufig nicht mit einkalkuliert. Dies liegt u.a. daran, weil der Anwender die Betriebskosten beim Kauf der Maschine nicht genügend betrachtet oder der Energieverbrauch während der Planungsphase nicht vollständig überblickt wird. Jedes zusätzliche Watt der im Schaltschrank verbauten funktionstragenden Komponenten benötigt weitere Energie und erzeugt höhere Kosten. Um den Schaltschrank-Planer hier bei seiner Optimierungsstrategie zu unterstützen, muss der Energieverbrauch der genutzten Geräte bei der Planung sofort ersichtlich sein. Werden die Komponenten dann noch richtig platziert, kann die Kühlluft an die erforderlichen Stellen geleitet und die Kühlleistung passend dimensioniert werden. Auf Basis der Untersuchungsergebnisse von Rittal haben die Projektpartner Ansätze erarbeitet, sodass sich die Planung des Schaltschrankaufbaus, die Dokumentation seiner korrekten Auslegung sowie seine Klimatisierung effizienter gestalten lassen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der besseren Unterstützung der Planer durch geeignete Software (Bild 3).
