Ontwerpen van een schakelkast

Projectmatige aanpak

Ontwerpen van een schakelkast Voor het aansturen van een transportsysteem

Gebundeld door

F. Rubben VTI BRUGGE © 2011

Ontwerp Schakelkast

F. Rubben

Bepalen Motoraandrijving

2

Ontwerp Schakelkast


1. Inleiding tot de “case study” Aan de hand van een reëel probleem wordt de mogelijkheid om tot een schakelkast overlopen. Deze bundel dient als een algemene handleiding – onafhankelijk van het klassikaal aangehaalde project. 1.1.

Machinelijn

Een geautomatiseerde lijn in fabriek X zorgt voor het vullen van flessen, waarna ze dichtgedraaid worden. Tot nu toe werden de flesjes daarna ingepakt per 24 in een krat door een aantal arbeidsters. Door toegenomen vraag moet het tempo van de lijn worden opgedreven. Een kostenanalyse leerde de CEO dat het nu interessanter is om een automatische inpakmachine te laten ontwerpen. Dit is reeds gebeurd. Er rees echter een probleem dat in eerste instantie over het hoofd werd gezien; de inpakmachine moet achter de oorspronkelijke lijn gemonteerd worden. Dit bleek niet mogelijk, zodat de verpakkingsinstallatie in een aangrenzende ruimte opgesteld zal worden. De verbinding tussen beide installaties zal gebeuren met behulp van een transportsysteem waarop de flesjes zullen begeleid worden.

Figuur 1: diytrade.com

Figuur 2: diytrade.com

F. Rubben

3

Ontwerp Schakelkast

1.2.


Doel project

Een transportband met een asynchrone motor kan men aandrijven met een stekker in het stopcontact. Er is in dat geval geen aansturing mogelijk van de transportband qua aanloopgedrag, noch qua variatie van de snelheid. Ook stoppen is enkel mogelijk door de stekker uit het stopcontact te doen. Op geen enkel moment zal er dan communicatie zijn met de voorliggende en de achterliggende geautomatiseerde productielijnen. De bedoeling van dit project is: • Het ontwerpen van de transportband o motor en type aandrijving zo bepalen. o dat de machine voldoet aan de richtlijnen zoals door het bedrijf en door de overheidsinstanties gevraagd en geëist wordt. o waarbij de (elektrische) veiligheid in de (deel)installatie gewaarborgd is. • het volledig ontwerpen van de stuurkast volgens het CE-traject. • het opstellen van een bestellijst.

F. Rubben

4

Ontwerp Schakelkast


2. Basisgegevens over de installatie 2.1.

Een blanco checklijst

Project: Checklijst Project: Projectnummer: Datum: Klant: Ontwerper: e-mail: Aard van het bedrijf: Eigenschappen in de fabriek: • • • • • •

Omgevingstemperatuur: Te gebruiken norm(en): Nominale bedrijfsspanning: Frequentie van voedende net: Netvorm: □ TN-C Sectie van de (PE)N-geleider:

□ 35°C □ □ □ □

□

°C

400V □ … … …V 50Hz □ … … … Hz TN-S □ TN-C-S □ TT □ IT de helft □ volledige sectie □ groter

Eigenschappen in het geheel van installatie: • • •

Transformatorvermogen: … … … kVA Nominale stroom van de voeding: ………A Nominale piekstroom van het hoofdrailstelsel Icw: … … … kA

Gewenste eigenschappen stuurkast: FYSISCH • Beschermingsgraad (IP): • Interne bouwvorm: • Met bodemplaten: □ JA □ NEE • Plaatsreserve: ……………% • Maximaal toelaatbare afmetingen: o B o H o D • Hoogte van de ruimte: …………………………………… mm • Max. transportafmetingen: o B o H o D ELEKTRISCH • Stuurspanningen AC: • Transformator AC: • Stuurspanningen DC: • Transformator DC: • Sectie stuurkringen: • Draadcodering:

F. Rubben

………………………… V □ Extern □ Intern … … … … kVA ………………………… V □ Extern □ Intern … … … … kVA ………………………… mm² ……………………………………………………………

5

Ontwerp Schakelkast

2.2.


Een woordje uitleg

2.2.1. Eigenschappen in de fabriek 2.2.1.1.

Omgevingstemperatuur Omgevingsparameters zijn belangrijk bij het ontwerp van de machine. Naast temperatuur zijn een aantal andere nog belangrijk die NIET in deze checklijst opgenomen werden: • Vochtigheid • Hoogte van de locatie • Temperatuurschommelingen • … De omgevingstemperatuur wordt echter vaak vermeld in datasheets en zal dus een zeer belangrijke parameter bij het kiezen van de correcte materialen. Een sensor die moet werken bij 70-80°C (bijvoorbeeld bij het verwarmen van het wort) zal dus zeker niet van het type met een werkingsgebied tussen -10°C tot 40°C zijn. Opdracht: •

2.2.1.2.

Zoek een vlotter die in contact mag komen met voedingsmiddelen én waarvan het temperatuursbereik het interval van 70°C tot 80°C overlapt.

Te gebruiken normen In de EU gelden wetten, richtlijnen genoemd. Deze richtlijnen zijn voor de fabrikant van de schakelkast en de klant verplicht te volgen! Zo zal een machine onder andere moeten voldoen aan de volgende richtlijnen: • Machinerichtlijn • Laagspanningsrichtlijn • EMC-richtlijn • Arbeidsmiddelenrichtlijn Om deze richtlijnen (wetten) na te leven moet men dus werken volgens de regels van goed vakmanschap. Tips om aan deze richtlijnen te voldoen worden in normen geformuleerd. Op zich zijn deze normen NIET bindend – men mag zelf kiezen of men een norm al dan niet zal volgen. Deze normen kunnen door de klant (en of andere instanties zoals verzekeringen en staatsinstellingen) toch geëist worden als enige methode om aan de richtlijnen te voldoen.

In de industriële kastenbouw zijn er een aantal belangrijke normen: • EN60204-1: Veiligheid van machines – de elektrische uitrusting van machines • NBN EN ISO 13849-1: Veiligheid van machines - Onderdelen van besturingssytemen met een veiligheidsfunctie - Deel 1: Algemene regels voor ontwerp • …

F. Rubben

6

Ontwerp Schakelkast


Quiz: JUIST/FOUT Een norm is altijd verplicht te gebruiken. JUIST/FOUT Een richtlijn is bindend. JUIST/FOUT Een speelgoedfiets moet aan de machinerichtlijn voldoen.

2.2.1.3.

Voedingsspanning

De eigenschappen van de spanning is van belang. Er mag per kast immers maar 1 voedingsspanning toekomen. Elke andere spanning die nodig is in de stuurkast moet men via transformators en/of voedingen in die stuurkast afleiden van de eerste spanning. De manier waarop het net opgebouwd is, is ook van groot belang. 2.2.1.3.1.

Nominale bedrijfsspanning

Vaak spreekt men in de industriële installaties van ‘drijfkracht’, dit is een bedrijfsspanning van 3x400V. In andere situaties krijgt men vaak 3x230V; zoals in het VTI Brugge. In de industriële kast zelf wordt de spanning vaak omgevormd naar 1x230Vac of 24Vac of 24Vdc. Andere spanningen zijn mogelijk maar komen in specifieke omgevingen maar voor zoals 110Vdc in transportmiddelen zoals de trams of treinen. Hou bij uw ontwerp rekening met het feit dat de spanning 10% mag afwijken ten opzichte van de nominale spanning. 2.2.1.3.2.

Frequentie

De frequentie van het elektrisch net in Europa is 50Hz. De onderstaande kaart [wikimedia] toont de verschillende spanningen en frequenties in de wereld.

F. Rubben

7

Ontwerp Schakelkast


2.2.1.3.3.

Netvorm

Naast de spanning en de frequentie is ook de bouw van het gebruikte net van groot belang. De bouw van het net bepaalt de benodigde beveiligingen in de industriële schakelkast. Voor het bepalen van de beveiligingen verdeelt men de fouten in twee categorieën; namelijk direct en indirect gevaar.

•

F. Rubben

direct gevaar o

Men verstaat hieronder het direct aanraken van stroomgeleidende onderdelen.

o

Hoe voorkomt men het rechtstreeks aanraken van stroomgeleidende onderdelen?

Beschermen van de actief geleidende delen door omhulsel Omhulsel mag enkel met speciaal gereedschap te openen zijn.

Beschermen van de actief geleidende delen door isolatie Isolatiemateriaal rond de actieve delen enkel verwijderbaar door vernieling.

Bescherming tegen restspanningen Binnen de 5 seconden moet er een ontlading tot lager dan 60V zijn.

Plaatsen van afschermingen In eerste instantie buiten bereik plaatsen van de actief geleidende onderdelen of gebruik van hindernissen waardoor de actieve delen niet bereikbaar zijn.

8

Ontwerp Schakelkast


•

F. Rubben

indirect gevaar o

Isolatiefouten die gebeuren in een actieve geleider of toestel en die een persoon onrechtstreeks in gevaar brengen.

o

Hoe moet men indirect gevaar preventief aanpakken?

Maatregelen nemen die gevaarlijke aanraakspanning vermijden. • Uitrusting klasse II • Elektrische scheiding • Keuze en ontwerp voedingssysteem met grote impedantie of isolatie sterpunt voeding ten opzichte van aarde

Wanneer indirect gevaar aanwezig is, dan moet men automatisch afschakelen binnen een termijn vooraleer het indirect gevaar bedreigend wordt. • Aanraakbare metalen delen verbinden met beschermingsketen • Beveiligingen afhankelijk van type net; zie overzicht in bijlage.

9

2.2.2. Eigenschappen in het geheel van de installatie 2.2.2.1.

Transformatorvermogen Een belangrijk gegeven in de installatie is de geïnstalleerde voedingstransformator van de schakelkast. In eerste instantie moet het vermogen van deze transformator meestal groter zijn dan het geïnstalleerde vermogen van de gebruikers. Andere factoren kunnen voor andere situaties zorgen (bijvoorbeeld gelijktijdigheidsfactor e.a.), maar hier wordt enkel de eenvoudigste situatie bekeken. De volgende driefasige hoogspanningstransformatoren worden vaak gebruikt:

0

2.2.2.2.

Nominale stroom van de voeding: Uit het transformatorvermogen én de bijhorende secundaire spanning kan men de nominale stroom berekenen in de transformator.

S n = 3.U n .I n

In =

Sn 3.U n

Voorbeeld: In het voorbeeld wordt een transformator met een vermogen van 250kVA beschouwd; waarbij de secundaire spanning 3x400V is.

Ontwerp Schakelkast


In =

In =

Sn 3.U n 250kVA 3.400

I n = 362 A •

Men kan besluiten dat de nominale stroom in de secundaire wikkelingen van de transformator 362A zal zijn.

2.2.2.3.

Nominale piekstroom van het hoofdrailstelsel Icw

2.2.2.4.

Kortsluitstroom van de transformator In de tabel van de transformatorvermogens stond er ook een spanning in % uitgedrukt. Dit is een procentuele uitdrukking voor de kortsluitspanning ten opzichte van de nominale spanning. Op basis van deze kortsluitspanning en het maximaal vermogen van de transformator kan men de kortsluitstroom bepalen ter hoogte van de transformator.

Ik =

Sk

3.U k

In hetzelfde voorbeeld als hierboven:

Ik =

Ik =

250kVA 3.4%.400 362 A 4%

I k = 9050 A •

•

F. Rubben

De kortsluitstroom die maximaal kan vloeien is 9050A. Alle installaties gevoed door de transformator zal beveiligd worden met een onderbrekingstoestel (automaat, zekering, …) die deze kortsluitstroom onderbreken kan. De minimale kortsluitvastheid van het onderbrekingstoestel zal in dit geval klassiek 10kA zijn. De diverse deelinstallaties ondervinden een kleinere kortsluitstroom. Deze kleinere kortsluitstroom hangt af van de locatie van de fout; de impedantie van de kabels spelen hierin een rol. Hierdoor zal men de deelinstallaties beveiligen met een onderbrekingstoestel die een kleinere kortsluitvastheid heeft.

11

Ontwerp Schakelkast


2.2.3. Gewenste eigenschappen van de stuurkast

Bij het bepalen van de stuurkast worden de fysische eigenschappen van de stuurkast bepaald op basis van de omstandigheden waarin deze gebruikt en getransporteerd wordt. Ook de elektrische eigenschappen van de kast worden op voorhand bepaald, vaak in onderling overleg met de klant. 2.2.3.1.

Fysische eigenschappen

2.2.3.1.1.

Beschermingsgraad

De kast moet een bepaalde weerstand tegen voorwerpen en een bepaalde weerstand tegen vocht hebben. De mate van weerstand wordt weergegeven door de beschermingsgraad, met name de ipklasse.

Figure 1: bescherming tegen voorwerpen (euronorm.net)

Figure 2: bescherming tegen water (euronorm.net) Soms wordt er een derde letter toegekend, dit cijfer heeft de mechanische bestendigheid weer. Dit is in sommige omstandigheden zeker noodzakelijk.

F. Rubben

12

Ontwerp Schakelkast


Figure 3: mechanische bescherming (euronorm.net)

2.2.3.1.2.

Bouwvorm van de kast

De elektrische kast kan verschillende bouwvormen hebben. Opdracht • Zoek een aantal leveranciers van industriële kasten.

2.2.3.1.3.

Afmetingen van de kast

De afmetingen van de stuurkast hangen af van de locatie waar de kast gemonteerd moet worden. De transportafmetingen zijn bij het afleveren van de kast zeker niet onbelangrijk…

2.2.3.2. • • • • • •

Elektrische eigenschappen Stuurspanningen AC: ………………… V Transformator AC: □ Extern Stuurspanningen DC: ………………… V Transformator DC: □ Extern Sectie stuurkringen: …………… mm² Draadcodering: EN60204-1 o Stuurspanning AC: rood o Stuurspanning DC: blauw o Signaaldraden AC: wit o Signaaldraden DC: paars o Voeding AC: zwart • In sommige o Nulgeleider AC: blauw o PE-geleider: geel-groen

□ Intern 0.1 kVA □ Intern 0.1 kVA

Zie het voorbeeld in de tabel.

F. Rubben

13

Ontwerp Schakelkast

2.3.


Voor het praktische ontwerp van de stuurkast: Samen met de klant werd een checklijst ingevuld. De DennisBrewery i.s.m. FRBengineering

Project: Checklijst Project: DennisBrewery_transportband Projectnummer: 2011-EM-001 Datum: 2011-02-23 Klant: DennisBrewery Ontwerper: FRBengineering e-mail: [email protected] Aard van het bedrijf: Brouwerij Eigenschappen in de fabriek: • • • • • •

Omgevingstemperatuur: Te gebruiken norm(en): Nominale bedrijfsspanning: Frequentie van voedende net: Netvorm: □ TN-C Sectie van de (PE)N-geleider:

35°C □ °C IEC/EN 60439-1 IEC60204 400V □ … … …V 50Hz □ … … … Hz TN-S □ TN-C-S □ TT □ IT □ de helft volledige sectie □ groter

Eigenschappen in het geheel van installatie: • • •

Transformatorvermogen: 50 kVA Nominale stroom van de voeding: 125 A Nominale piekstroom van het hoofdrailstelsel Icw: 6000 kA

Figuur 3: transformator van de toekomende voeding (Schneider)

Figuur 4: opbouw van het net in de fabriek (zonder bepaling selectiviteit)

F. Rubben

14

Ontwerp Schakelkast


Gewenste eigenschappen stuurkast: FYSISCH • Beschermingsgraad (IP):

• • • •

• •

IP55

Interne bouwvorm: DIN-rail montage Met bodemplaten: JA Plaatsreserve: 50 % Maximaal toelaatbare afmetingen: o B o H o D Hoogte van de ruimte: 5 000 mm Max. transportafmetingen: o B o H o D

□ NEE

ELEKTRISCH • Stuurspanningen AC: ………24………… V • Transformator AC: □ Extern Intern 0.1 kVA • Stuurspanningen DC: ………24………… V • Transformator DC: □ Extern Intern 0.1 kVA • Sectie stuurkringen: …0,75 ………… mm² • Draadcodering: EN60204-1 o Stuurspanning AC: rood o Stuurspanning DC: blauw o Signaaldraden AC: wit o Signaaldraden DC: paars o Voeding AC: zwart – bruin – grijs (L1 – L2 – L3) o Nulgeleider AC: blauw o PE-geleider: geel-groen

F. Rubben

15

Ontwerp Schakelkast


3. Ontwerpen van de machine 3.1.

Inleiding: ontwerpen van machines op de Europese markt Iedere machine op de Europese markt moet een CE-markering dragen. Deze markering duidt op het volgen van het CE-traject bij het ontwerpen van de machine, waarna de producent of leverancier verklaart dat de machine voldoet aan de Europese richtlijnen, waaronder de machinerichtlijn. Welke stappen moet men ondernemen bij het ontwerpen van machine vooraleer er een CE-markering mag geplaatst worden?

3.1.1. Uitvoeren van een risicoanalyse 3.1.2. Ontwerp machine Machine zo ontwerpen om te voldoen aan de essentiële eisen richtlijn (zie bijlage 1 v/d RL) 3.1.3. TCD Aanleggen van een technisch constructiedossier 3.1.4. Gebruikshandleiding Duidelijke gebruiksaanwijzing maken. meegeleverd.

Moet met de machine worden

3.1.5. Conformiteitsverklaring Gepaste procedure voor conformiteitsverklaring doorlopen Ondertekenen van conformiteitsverklaring 3.1.6. Finaal: Aanbrengen van de CE-markering op de machine CE = Conformité Européenne, m.a.w. overeenkomstig de Europese richtlijn

F. Rubben

16

Ontwerp Schakelkast

3.2.


Risicoanalyse

3.2.1. Theoretische benadering Men maakt een lijst op waar men alle mogelijke risico’s oplijst. Per risico zal men een gewicht van dat risico berekenen. De risico’s met het grootste gewicht moeten het eerst aangepakt worden. •

Oplijsten risico’s

Men stelt de risico’s voor in een tabel. Risico?

•

E

W

B

R

R: Het gewicht van elk risico

Het gewicht van elk risico berekent men volgens de methode van Kinney als volgt: Risico (R) = W x E x B W = Waarschijnlijkheid voorkomen risico E = Ernst gevolgen bij optreden risico B = Blootstelling aan het risico

•

Overzicht van de gewichten van de risico’s en bijhorende conclusies: Risico:

•

Zeer hoog risico Hoog risico Belangrijk risico Risico mogelijk Risico

> 400 200 – 400 70 – 200 20 - 70 < 20

Stopzetten werken overwegen Onmiddellijk verbeteren Verbetering vereist Aandacht vereist Misschien aanvaardbaar

Hoe bepaalt men nu de coëfficiënten W, E en B? Deze drie parameters kan men bepalen aan de hand van een aantal tabellen: Waarschijnlijkheid • Hoe waarschijnlijk is het dat het risico optreedt?

F. Rubben

Te verwachten Goed mogelijk Ongewoon, doch mogelijk Mogelijk in grensgeval Denkbaar, doch onwaarschijnlijk Praktisch onmogelijk Virtueel onmogelijk

10 8 3 1 0.5 0.2 0.1

17

Ontwerp Schakelkast

Blootstelling • Hoeveel keer treedt het risico op? Permanent Eénmaal per dag Eénmaal per week Eénmaal per maand Enkele malen per jaar Eénmaal per jaar of minder


10 6 3 2 1 0.5

Ernst • Wat is het mogelijk gevolg van het voorkomen van het risico? Talrijke doden (ramp) 100 Enkele doden (onheil) 40 Eén dode (zeer ernstig) 15 Blijvend letsel (ernstig) 7 Werkverlet (belangrijk) 3 EHBO-letsel 1

o

Actieplan Na het oplijsten van de risico’s en het berekenen van hun gewicht is men verplicht om een actieplan op te stellen. In het actieplan stelt men voorop wat men gaat doen tijdens het ontwerp om de risico’s te reduceren. Na het actieplan kan men de risicoanalyse hernemen. De resterende risico’s zouden dan een aanvaardbaar niveau moeten behalen! Deze resterende acties moeten in de stuurkring opgevangen worden.

F. Rubben

18

Ontwerp Schakelkast


3.2.2. Praktische risicoanalyse bij het project

Risico?

E

Flessen vallen om bij aanzetten Flessen vallen om bij stoppen Draaiende onderdelen van de transportband is niet afgeschermd Snelheid transportband is niet afgesteld op de voorliggende productie. Mogelijkheid tot opeenstapeling en vallen van flessen. Snelheid transportband is niet afgesteld op de achterliggende productie. Mogelijkheid tot opeenstapeling en vallen van flessen. Elektrische onderdelen liggen bloot • directe aanraking!!! Onstabiele montage transportband

W

B

R

3 3

8 8

6 6

72 72

7

8

10

560

3

8

6

72

3

8

6

72

40

10

10

4000

Isolatiefout Kortsluiting Overbelasting

o

Actieplan:

Elektrische montage • Alles elektrisch afschermen. • Introduceren van de noodzakelijke elektrische beveiligingen in de schakelkast. o Overstroombeveiliging o Kortsluitbeveiliging o Verliesstroomschakelaar

Montage transportband • Stabiel monteren van de transportband • Afschermen draaiende onderdelen

Vermijden vallen flessen • Langzaam aanzetten • Langzaam stoppen o Tenzij bij noodstop • Instellen snelheden in functie van de transportbanden die de flessen leveren en afnemen.

F. Rubben

•

Suggestie: Gebruiken van een frequentieregelaar!

•

Toch een omgevallen flesje? o Mechanische afscherming nodig? Opnemen in de stuurkring!

Resterende risico’s: • Werken aan de schakelkast? o Vergrendelbare werk- of hoofdschakelaar. • Onvoorziene risico’s: o Noodstop introduceren

19

Ontwerp Schakelkast

F. Rubben


20

Ontwerpen van een schakelkast

Recommend Documents