Systemintegratoren, Schaltschrankbauer, technische Einkäufer und Elektroingenieure stehen häufig nicht wegen der Leistungsaufnahme im stationären Betrieb vor Problemen, sondern beim Einschalten eines Systems. Leitungsschutzschalter können beim ersten Zuschalten auslösen, Schutzeinrichtungen müssen unter Umständen größer dimensioniert werden, Transformatorzweige weisen hohe Magnetisierungsströme auf, und mehrere Netzteile können gleichzeitig ihren maximalen Eingangsstrom aufnehmen.
Der TPS AC Inrush Current Limiter ist für diese Einschaltbedingungen im Schaltschrank ausgelegt. Die Geräte für die DIN-Schiene kombinieren eine kontrollierte Einschaltstrombegrenzung mit einem integrierten Bypass-Relais und sind in den Stromklassen 12 A, 16 A und 25 A erhältlich.
1. Warum die Einschaltstrombegrenzung im Schaltschrank wichtig ist
In vielen industriellen Schaltschränken ist nicht der stationäre Betriebsstrom die entscheidende Herausforderung für die Absicherung eines Stromkreises. Kritisch sind häufig die ersten Millisekunden nach dem Einschalten.
Beim Zuschalten werden Zwischenkreis- und Pufferkondensatoren geladen, Transformatoren können hohe Magnetisierungsströme aufnehmen, und mehrere nachgeschaltete Geräte können gleichzeitig einen erheblichen Eingangsstrom ziehen. Ein Stromkreis, der anhand des Nennstroms unkritisch erscheint, kann deshalb bei der Inbetriebnahme zu unerwünschtem Auslösen von Schutzorganen führen oder zusätzliche Auslegungsreserven erforderlich machen.
Für Systemintegratoren und Schaltschrankbauer wirkt sich das Einschaltverhalten auf mehrere Bereiche der elektrischen Auslegung aus:
- Schutzkonzept und Selektivität des Stromkreises,
- Schaltschrankverdrahtung und Leiterdimensionierung,
- Gruppierung mehrerer Verbraucher an einer gemeinsamen Einspeisung,
- Einschaltverhalten während der Inbetriebnahme sowie
- Verhalten nach Netzunterbrechungen oder wiederholtem Ein- und Ausschalten.
Technische Einkäufer sehen die Auswirkungen häufig dann, wenn hohe Einschaltströme größere Schutzgeräte, zusätzliche Stromkreise oder Änderungen an der ursprünglich geplanten Schaltschrankarchitektur erforderlich machen.
Ein AC-Einschaltstrombegrenzer kann dazu beitragen, diese kurzzeitigen Stromspitzen zu begrenzen. Dadurch lassen sich Schutz- und Verdrahtungskonzepte auf Grundlage eines besser definierten Einschaltverhaltens auslegen. Die abschließende Koordination der Schutzorgane muss dennoch für das Gesamtsystem geprüft werden.
Dies kann insbesondere relevant sein, wenn mehrere DIN-Schienen-Netzteile wie die TPS010-100W GP Series, die TPS030-130W Pro Series oder die TPS100-320W Peak DR Plus über denselben Einspeisezweig eingeschaltet werden.
2. TPS-Serie im Überblick: Einschaltstrombegrenzung auf der DIN-Schiene für 230-V-AC- und 400-V-AC-Systeme
Die TPS-Familie der AC-Einschaltstrombegrenzer ist für die Montage auf der DIN-Schiene ausgelegt und in den Stromklassen 12 A, 16 A und 25 A erhältlich.
Für einphasige Anwendungen stehen folgende Modelle zur Verfügung:
Innerhalb der erweiterten Produktfamilie sind laut Datenblatt außerdem Bestellvarianten für dreiphasige 400-V-AC-Anwendungen vorgesehen. Dadurch können Entwicklungsteams ein einheitliches Konzept zur Einschaltstrombegrenzung für unterschiedliche Schaltschrankarchitekturen berücksichtigen.
Zu den dokumentierten technischen Merkmalen gehören:
- Montage auf der DIN-Schiene
- integriertes Bypass-Relais
- Begrenzung des Spitzenstroms auf 45 A
- Begrenzungszeit von 100–500 ms
- Schutzart IP20
- Konvektionskühlung
- Betriebstemperatur von −40 °C bis +70 °C
- MTBF: 300.000 h
Diese Parameter betreffen sowohl das elektrische Einschaltverhalten als auch die mechanische Integration in den Schaltschrank und sollten bei der Auswahl des geeigneten Modells gemeinsam betrachtet werden.
3. Integriertes Bypass-Relais gegenüber einfacher NTC-Begrenzung
Ein wesentliches Konstruktionsmerkmal der TPS-Familie ist das integrierte Bypass-Relais. Damit unterscheidet sich das Funktionsprinzip von einfachen Einschaltstrombegrenzungen, die ausschließlich auf einem NTC-Thermistor basieren.
NTC-Thermistoren können in geeigneten Anwendungen eine wirksame Einschaltstrombegrenzung ermöglichen. Ihr Widerstand ist jedoch stark temperaturabhängig. Nach dem Betrieb kann ein NTC weiterhin erwärmt sein und dadurch bei einem unmittelbar folgenden Neustart einen geringeren Widerstand aufweisen. Dies muss insbesondere bei häufigen oder kurz aufeinanderfolgenden Schaltzyklen berücksichtigt werden.
Bei einer Architektur mit Bypass-Relais wird das strombegrenzende Element während des Einschaltvorgangs genutzt und anschließend für den Normalbetrieb überbrückt. Dieses Konzept kann folgende Eigenschaften unterstützen:
- Anwendungen mit wiederholten Schaltzyklen,
- geringere kontinuierliche thermische Belastung des Begrenzungselements,
- besser reproduzierbares Einschaltverhalten über mehrere Betriebszyklen sowie
- Trennung der Einschaltstrombegrenzung vom Strompfad im stationären Betrieb.
Welche Lösung geeignet ist, hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Bei industriellen Systemen, in denen reproduzierbares Einschaltverhalten eine wichtige Auslegungsgröße darstellt, kann eine relaisgestützte Lösung gegenüber einer einfachen NTC-Schaltung Vorteile bieten.
Dies kann insbesondere relevant sein, wenn mehrere AC/DC-Netzteile über einen gemeinsamen Einspeisezweig versorgt werden, beispielsweise Systeme mit der TPS010-100W GP Series oder der TPS030-130W Pro Series.
4. Anwendungen: kapazitive, induktive und transformatorbasierte Lasten
Der TPS-Einschaltstrombegrenzer ist für kapazitive Lasten, induktive Lasten und Trenntransformatoren spezifiziert. Bei diesen Lastarten kann der Einschaltstrom deutlich über dem Strom im stationären Betrieb liegen.
4.1 Kapazitive Lasten
Viele leistungselektronische Systeme verfügen am Eingang über erhebliche Kapazitäten. Beim Einschalten können entladene Zwischenkreis- oder Pufferkondensatoren zunächst eine niedrige Impedanz darstellen und dadurch einen kurzen, aber hohen Stromimpuls verursachen.
Dieses Verhalten tritt beispielsweise bei DIN-Schienen-Netzteilen, Industrie-PC-Netzteilen, ATX-Netzteilen und Open-Frame-Stromversorgungen auf. Werden mehrere solcher Geräte an einem gemeinsamen Stromkreis gleichzeitig eingeschaltet, kann der summierte Einschaltstrom für die Auslegung und Koordination von Leitungsschutzschaltern und Sicherungen relevant werden.
Beispiele für Netzteile, die Bestandteil entsprechender Systemarchitekturen sein können, sind das FSP300-70PFL-SK, das FSP700-80PSA-SK, das FSP500-50FDB und das TPS-GSH180S.
4.2 Induktive Lasten
Induktive Lasten weisen ein anderes Einschaltverhalten auf. Magnetisierungsstrom, Einschaltzeitpunkt innerhalb der Netzsinuswelle, Restmagnetisierung und die Topologie des Stromkreises können zu Stromspitzen führen, die aus der Betrachtung des Nennbetriebsstroms allein nicht hervorgehen.
Eine Begrenzung des anfänglichen Stroms kann daher dazu beitragen, das Einschaltverhalten solcher Stromkreise besser vorhersehbar zu machen.
4.3 Trenntransformatoren
Transformatoren zählen zu den typischen Verbrauchern mit hohen Einschaltströmen. Abhängig vom Einschaltzeitpunkt innerhalb der AC-Periode und vom magnetischen Zustand des Kerns kann der anfängliche Magnetisierungsstrom den normalen Betriebsstrom des Transformators deutlich überschreiten.
Ein passend ausgewählter Einschaltstrombegrenzer kann dazu beitragen, diesen Einschaltvorgang bei Erstinbetriebnahme, regulären Schaltvorgängen, Wartungsarbeiten oder einem Neustart nach einer Netzunterbrechung zu kontrollieren.
Die TPS-Dokumentation nennt zudem die Möglichkeit, kleinere und schneller auslösende Leitungsschutzschalter einzusetzen sowie unter bestimmten Voraussetzungen Leiterquerschnitte zu reduzieren. Ob dies im konkreten System möglich ist, hängt von der vollständigen Auslegung des Stromkreises ab. Eine Einschaltstrombegrenzung ersetzt keine systemseitige Berechnung von Leiterquerschnitten, Überlastschutz, Kurzschlussschutz oder Schutzgerätekoordination.
5. Auswahl zwischen 12 A, 16 A und 25 A
Die Auswahl sollte mit dem Dauerstrom des Stromkreises beginnen. Anschließend sind Art und Anzahl der nachgeschalteten Verbraucher sowie deren gleichzeitiges Einschaltverhalten zu berücksichtigen.
5.1 TPS-ESB-01-12A
Der TPS-ESB-01-12A kann für kompakte einphasige Stromkreise mit moderatem Dauerstrom, aber relevanten Einschaltstromspitzen geeignet sein. Typische Einsatzfälle können mehrere gemeinsam versorgte DIN-Schienen-Netzteile, kleinere Schaltschränke, IPC-Stromversorgungszweige oder transformatorgestützte Hilfsstromkreise sein.
5.2 TPS-ESB-01-16A
Der TPS-ESB-01-16A stellt für einphasige Stromkreise eine höhere Dauerstromklasse bereit, wenn 12 A nicht ausreichen.
Die Auswahl sollte anhand des tatsächlichen Stroms im Einspeisezweig und des Einschaltprofils erfolgen. Das 16-A-Modell sollte nicht pauschal als Standardlösung betrachtet werden.
5.3 TPS-ESB-01-25A
Der TPS-ESB-01-25A ist für Stromkreise mit höherem Dauerstrom vorgesehen und kann geeignet sein, wenn mehrere kapazitive Lasten, Transformatorlasten oder eine größere Anzahl von Verbrauchern an einem gemeinsamen Eingangssegment betrieben werden.
Der Nennstrom allein reicht für die Auswahl nicht aus. Zusätzlich sollten folgende Punkte berücksichtigt werden:
- Wie viele nachgeschaltete Geräte werden gleichzeitig eingeschaltet?
- Welches Einschaltstromverhalten weisen die einzelnen Verbraucher auf?
- Sind große Eingangskapazitäten vorhanden?
- Befinden sich Transformatoren im Stromkreis?
- Welche Charakteristik und Bemessung benötigen vorgeschaltete Leitungsschutzschalter oder Sicherungen?
- Wie häufig wird der Schaltschrank ein- und ausgeschaltet?
Diese Parameter ermöglichen eine belastbarere Auswahl als die alleinige Betrachtung der Typenschild-Nennströme.
6. Installation, Schutzkonzept und Schaltschrankauslegung
Der TPS-Einschaltstrombegrenzer ist für die Montage auf DIN-Schienen TS 35/7,5 oder TS 35/15 in der spezifizierten Einbaulage vorgesehen.
Die Produktfamilie verwendet Schraubklemmen für Leiter im Bereich AWG 13–11 und arbeitet mit Konvektionskühlung. Die ungefähren Abmessungen betragen:
- Breite: 22,5 mm
- Höhe: 100 mm
- Tiefe: 112 mm
Die geringe Baubreite von 22,5 mm kann die Integration in Bereichen mit begrenztem Platz auf der DIN-Schiene vereinfachen, beispielsweise in unmittelbarer Nähe zur Einspeiseabsicherung oder zu weiteren leistungselektronischen Geräten.
Ein Einschaltstrombegrenzer ersetzt nicht die fachgerechte Auslegung von Sicherungen, Leitungsschutzschaltern, Leitern oder Kurzschlussschutz. Seine Aufgabe besteht darin, die Einschaltstromspitze zu begrenzen. Dies kann eine angemessenere Koordination vorgeschalteter Schutzorgane unterstützen.
Für die Schaltschrankauslegung sind insbesondere zwei Punkte relevant:
- Der Einschaltstrombegrenzer sollte als Bestandteil der gesamten Stromkreisarchitektur ausgelegt werden und nicht erst nach dem Auftreten unerwünschter Abschaltungen nachgerüstet werden.
- Die Gruppierung nachgeschalteter Verbraucher und deren gleichzeitiges Einschalten sollten dokumentiert werden, insbesondere wenn mehrere Netzteile oder transformatorgespeiste Teilstromkreise an einem gemeinsamen Zweig betrieben werden.
Versorgt ein Stromkreis beispielsweise Geräte wie die TPS100-320W Peak DR Plus oder das FSP350-70PFL-SK, sollten deren tatsächliche Einschaltstromdaten in die Bewertung des gesamten Stromkreises einbezogen werden.
7. Konformität, Zuverlässigkeit und Beschaffungsdokumentation
Für technische Freigaben und Lieferantenqualifizierung sollten neben den elektrischen Eigenschaften auch Umweltbedingungen, Sicherheits- und EMV-Angaben sowie Zuverlässigkeitsdaten geprüft werden.
Zu den dokumentierten Spezifikationen gehören:
- Schutzart IP20
- Eingangsfrequenz 50 Hz
- bis zu 95 % relative Luftfeuchtigkeit, nicht kondensierend
- Betriebshöhe bis 2.000 m
- Betriebstemperatur: −40 °C bis +70 °C
- Lagertemperatur bis −40 °C
- MTBF: 300.000 h
In der Produktdokumentation werden EN 60950-1, EN 61000-6-2, EN 61000-6-3, CE und RoHS genannt.
Im Rahmen der technischen und einkaufsseitigen Prüfung sollten diese Angaben mit den Anforderungen der konkreten Anwendung und den jeweils anwendbaren aktuellen Normen abgeglichen werden. Die Dokumentation auf Komponentenebene belegt nicht automatisch die Konformität der vollständigen Maschine, des Schaltschranks oder des Gesamtsystems.
Weitere Hintergrundinformationen zu Normen und Konformität finden sich unter anderem bei ISO zum Qualitätsmanagement, der IEC sowie in den Informationen der Europäischen Kommission zur CE-Kennzeichnung.
8. Welche Angaben in eine Anfrage gehören
Eine Anfrage für einen AC-Einschaltstrombegrenzer sollte den elektrischen Stromkreis beschreiben und nicht nur eine gewünschte Nennstromklasse nennen.
Sinnvolle Angaben für eine technische Anfrage sind:
- Versorgungskonfiguration und Spannung, einschließlich einphasiger 230-V-AC-Anwendungen beziehungsweise relevanter 400-V-AC-Anforderungen innerhalb der Produktfamilie,
- erforderliche Dauerstromklasse: 12 A, 16 A oder 25 A,
- Art der nachgeschalteten Lasten: kapazitiv, induktiv, transformatorbasiert oder gemischt,
- Anzahl der gleichzeitig eingeschalteten Netzteile oder Transformatoren,
- vorhandene Einschaltstromdaten der nachgeschalteten Verbraucher,
- Typ und Bemessung der vorgeschalteten Sicherung beziehungsweise des Leitungsschutzschalters,
- Umgebungstemperatur und Belüftung des Schaltschranks,
- verfügbarer Platz auf der DIN-Schiene sowie
- erwartete Häufigkeit der Ein- und Ausschaltzyklen.
Mit diesen Angaben lässt sich der Einschaltstrombegrenzer als Bestandteil der vollständigen Einschalt- und Schutzarchitektur bewerten und nicht nur als isolierte Katalogkomponente.
Wenn die erforderliche Stromklasse bereits feststeht, stehen für einphasige Anwendungen folgende Modelle zur Verfügung:
FAQ
Wofür wird ein AC-Einschaltstrombegrenzer eingesetzt?
Ein AC-Einschaltstrombegrenzer begrenzt die kurzzeitige Stromspitze, die beim Laden von Kondensatoren, beim Einschalten von Transformatoren oder beim gleichzeitigen Start mehrerer AC-versorgter Geräte auftreten kann. In industriellen Schaltschränken kann die Begrenzung dieser Stromspitze dazu beitragen, unerwünschtes Auslösen von Schutzorganen zu reduzieren und ein besser vorhersehbares Einschaltverhalten zu unterstützen.
Warum einen Einschaltstrombegrenzer mit Bypass-Relais statt eines einfachen NTC verwenden?
Ein NTC-Thermistor kann für bestimmte Anwendungen geeignet sein, sein Widerstand ist jedoch temperaturabhängig. Bleibt der NTC nach dem Betrieb erwärmt, kann sich seine Strombegrenzungswirkung bei einem schnellen Neustart von der eines Kaltstarts unterscheiden.
Bei einem Einschaltstrombegrenzer mit integriertem Bypass-Relais ist das Begrenzungselement während des Einschaltvorgangs aktiv und wird im anschließenden Normalbetrieb überbrückt. Dieses Konzept kann bei Anwendungen sinnvoll sein, in denen wiederholtes Einschalten und die dauerhafte thermische Belastung des Begrenzungselements relevante Auslegungsfaktoren sind.
Wie wähle ich zwischen 12 A, 16 A und 25 A?
Ausgangspunkt ist der Dauerstrom des Stromkreises. Anschließend sollten die Art der nachgeschalteten Lasten, das gleichzeitige Einschaltverhalten, vorhandene Transformatoren, verfügbare Einschaltstromdaten und die vorgeschaltete Absicherung bewertet werden.
Der Einschaltstrombegrenzer sollte nicht ausschließlich anhand der Nennströme der angeschlossenen Geräte ausgewählt werden.
Kann ein Einschaltstrombegrenzer die Koordination von Leitungsschutzschaltern und Sicherungen unterstützen?
Die Begrenzung des Einschaltstroms kann dazu beitragen, unerwünschtes Auslösen vorgeschalteter Schutzgeräte zu reduzieren und eine passendere Koordination von Leitungsschutzschaltern oder Sicherungen zu ermöglichen. Das endgültige Schutzkonzept muss dennoch für das gesamte elektrische System geprüft werden.
Für welche Anwendungen eignet sich eine AC-Einschaltstrombegrenzung?
Typische Anwendungen sind kapazitive Lasten, induktive Lasten, Trenntransformatoren, gruppierte DIN-Schienen-Netzteile, industrielle IPC-Stromversorgungen sowie andere Schaltschrankstromkreise, bei denen der Einschaltstrom deutlich über dem normalen Betriebsstrom liegt.
