White Paper "Elektronikschrank" (001), Schroff GmbH/Pentair Technical Products

  • Published on
    30-Mar-2016

  • View
    214

  • Download
    1

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Das universelle Schrankkonzept fr die Welt der Elektronik

Transcript

<ul><li><p>White Paper Das universelle Schrankkonzept ___________________________________________________________________ </p><p> 1/17 </p><p>DAS UNIVERSELLE SCHRANKKONZEPT FR DIE WELT DER ELEKTRONIK </p></li><li><p>White Paper Das universelle Schrankkonzept ___________________________________________________________________ </p><p> 2/17 </p><p>Inhalt </p><p>1. EINLEITUNG ...3 1.1 Schrankabmessung 3 1.2 Statische und dynamische Belastbarkeit 3 1.3 Elektromagnetische Abschirmung 3 1.4 Seismische Prfungen...3 </p><p>2. DESIGN.. 4 3. MANORMEN...5 4. KLIMATISCHE, MECHANISCHE PRFUNGEN UND </p><p>SICHERHEITSASPEKTE NACH IEC 61587-1, THERMAL MANAGEMENT.. 6 4.1 Klima, Industrieatmosphre 6 4.2 Thermal Management 6 4.3 Mechanische Prfungen 11 </p><p>4.3.1 Hebeprfung 11 4.3.2 Steifheitsprfung der Schrankstruktur11 </p><p>5. DYNAMISCH MECHANISCHE PRFUNGEN.. 12 6. SICHERHEITSASPEKTE UND ROHS BESTIMMUNGEN... 13 </p><p>6.1 Schutzleiterverbindungen 13 6.2 Brennbarkeit13 6.3 Schutz gegen Staub und Wasser.13 </p><p>7. ELEKTROMAGNETISCHE ABSCHIRMUNG 14 8. SEISMISCHE PRFUNGEN.. 15 9. ZUSAMMENFASSUNG...16 10. SCHROFF UNTERNEHMENSPORTRAIT, ANGABEN ZUM AUTOR 17 </p></li><li><p>White Paper Das universelle Schrankkonzept ___________________________________________________________________ </p><p> 3/17 </p><p>1. EINLEITUNG </p><p>Unter einem universellen Schrankkonzept versteht man modular anreihbare und mit Zubehr ausbaubare Elektronikschrnke in Gestellbauweise, basierend auf internationalen Normen (IEC). Im Gegensatz zu einfacheren Konstruktionen fr eingeschrnkte Anforderungen muss ein globales Konzept einer Vielzahl von Anwender bestimmte Konfigurationen aus dem modularen Bausystem ermglichen. Diese Eigenschaften beeinflussen mageblich die logistischen Aufwendungen, sowie die zeitliche Realisierung von Projekten. Die neuesten Entwicklungen der Elektronik im Zusammenhang mit den schrferen gesetzlichen Bestimmungen bezglich Umweltvertrglichkeiten stellen erhhte Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe, an die Wirksamkeit der elektrischen und mechanischen Schutzfunktionen, an die thermische Entsorgung, sowie an die mechanische Robustheit bezglich Schock, Vibration, bis zur seismischen Belastungsprfung. </p><p>1.1 Schrankabmessung: - Welche Komponenten sollen in den Schrank integriert werden? - 19 oder Metrisch? - Wird Raum fr die Verkablung bentigt? </p><p>1.2 Statische und dynamische Belastbarkeit: - Mit welcher stationren Zuladung wird der Schrank belastet? - Wird der Schrank nach der Integration </p><p>- bewegt? - geschoben? </p><p>- Wird der Schrank beim Transport zum Aufstellort wechselnden dynamischen Belastungen ausgesetzt, die die Stabilitt auf eine harte Probe stellen? </p><p>- Ist der Schrank Schock und Vibrationseinflssen ausgesetzt, wie beispielsweise - in der Nhe von rotierenden Maschinen? - bei Eisenbahn- und Straensignalen? - auf Schiffen? </p><p>1.3 Elektromagnetische Abschirmung: - Ist eine Schirmung der eingebauten Gerte erforderlich? - Was sind die kritischen Strfrequenzen? - Wie hoch soll die Schirmdmpfung sein? </p><p>1.4 Seismische Prfungen: - Liegt der Aufstellort des Schrankes in einer Erdbebenzone? - Fr welche Erdbebenzone soll der Schrank ausgelegt sein? - Was ist die hchste statische Last? </p><p>In den nachfolgenden Seiten werden zu diesen Anforderungen auch die wesentlichen Prfnormen beschrieben, anhand derer der Elektronikentwickler den Schrank spezifizieren kann. Die obigen Spezifikationen werden am Beispiel der Elektronikschrankplattform VARISTAR von Schroff verdeutlicht. </p></li><li><p>White Paper Das universelle Schrankkonzept ___________________________________________________________________ </p><p> 4/17 </p><p>2. DESIGN </p><p>Manderprofil Varistar basiert auf einer geschweiten Gestellbauweise unter Verwendung von uerst robusten Stahlprofilen mit manderfrmiger Ausprgung. </p><p>Zwei Profile mit unterschiedlichen Querschnitten stehen fr zwei wesentliche Anforderungen: </p><p>SLIM-LINE ist das schmalere Profil und wird fr Gestelle verwendet, die nach Definition in IEC 61587-1 bis zu 400 kg Einbaulast aufnehmen knnen. SLIM-LINE Gestelle bieten die maximale lichte Breite, um sowohl Gerte nach 19 IEC 60297-3-100*, als auch nach hard metric IEC 60917-2-2 bzw. ETS 300119-2/-3 einbauen zu knnen. </p><p>Das HEAVY-DUTY Profil hat einen greren Querschnitt und wird fr Gestelle mit hherer Belastbarkeit verwendet. Die hhere Biegesteifigkeit entspricht nach Definition in IEC 61587-1 Einbaulasten bis 800 kg. Bei gleichen Auenmaen wie SLIM-LINE, ist die lichte Breite kleiner und deshalb ausschlielich fr den Einbau von Gerten nach 19 in IEC 60297-3-100* geeignet. </p><p>* IEC 60297-3-100 in Vorbereitung, Ersatz fr IEC 60297-1 und IEC 60297-2. </p><p>Quelle: Schroff GmbH </p><p>Quelle: Schroff GmbH </p><p>Quelle: Schroff GmbH </p></li><li><p>White Paper Das universelle Schrankkonzept ___________________________________________________________________ </p><p> 5/17 </p><p>3. MANORMEN Drei wesentliche Manormen bestimmen die Dimensionen der Schrnke: IEC 60297-3-100 (19 Standard) IEC 60917-2-2 (25 mm Standard/ metrisch) ETS 300 119-2/-3 (European Telecommunication Standard) Bei gleichen Auenmaen unterscheiden sich HEAVY-DUTY- und SLIM-LINE-Schrnke durch ihre lichte Breite und durch die vom Ausbauzubehr bestimmten Einbaumae fr elektronische Gerte. </p><p>Abbildung 1: Einbaumae bei HEAVY-DUTY und SLIM-LINE Die Mae in den Frontansichten sind Kenngren. (Fehlende Mae entsprechen den oben zitierten Normen) </p><p>Frontansicht HEAVY-DUTY </p><p>Frontansicht SLIM-LINE </p><p>W </p><p>D </p><p>H </p><p>502 </p><p>465,1/515 </p><p>535 </p><p>465,1 </p><p>600 600 </p><p>450/500 450 </p><p>Quelle: Schroff GmbH </p></li><li><p>White Paper Das universelle Schrankkonzept ___________________________________________________________________ </p><p> 6/17 </p><p>4. KLIMATISCHE, MECHANISCHE PRFUNGEN UND SICHERHEITSASPEKTE NACH IEC 61587-1, THERMAL MANAGEMENT </p><p>4.1 Klima, Industrieatmosphre Zweck der klimatischen Prfungen ist die Sicherstellung, der zuverlssigen Betriebsfhigkeit der Schrnke in ihrer Betriebsumgebung. Die konstruktiven Elemente von VARISTAR entsprechen den Anforderungsstufen C 3 und A 3 nach IEC 61587-1: </p><p>- C 3: Temperaturbereich -40C bis +85C - A 3: Starke Schadstoffkonzentration 25 cm3/m3 SO2 , 15 cm3/m3 H2S, 5% NaCl </p><p>4.2 Thermal Management Hufigste Ursache von Betriebsstrungen elektronischer Gerte eingebaut in Schrnken ist die thermische berlastung. Bei einer Projektplanung muss neben der rumlichen Unterbringung der Gerte und deren Verdrahtung auf die Dimensionierung geeigneter Khlmanahmen geachtet werden. Ungeachtet der wichtigen Parameter, wie Verlustleistung, Innentemperatur und Auentemperatur bedarf es der Planung von Freirumen fr einen ausreichenden Luftdurchsatz. Sind die Freirume zu klein, dann muss zur Erreichung des ntigen Luftvolumens mit hheren Luftgeschwindigkeiten gekhlt werden, was wiederum unerwnscht hohe Gerusche erzeugen kann. Hierzu ist empfehlenswert sich nach der IEC 62454 zu orientieren. Danach erst ist je nach zulssiger Innentemperatur der eingebauten Gerte das geeignete Khlsystem zu whlen. </p></li><li><p>White Paper Das universelle Schrankkonzept ___________________________________________________________________ </p><p> 7/17 </p><p>Beschreibung Passive Khlung,thermische StrahlungPassive KhlungFreie Konvektion</p><p>Aktive Khlungmit Luft</p><p>Aktive Khlungmit Luft</p><p>Aktive Khlung mit Untersttzung</p><p>Aktive Khlung mit Untersttzung</p><p>Aktive Khlung mit Wasser </p><p>(geschlossenes System)</p><p>Khlprinzip</p><p>Produkt geschlossene Schrnke- perforierte Tren- Lftungskiemen- angehobenes Dach</p><p>- 19'' Drucklfter- Dachlfter- Sauglfter</p><p>Filterlfter Luft/ Luft Wrmetauscher KlimagerteLuft/ Wasser </p><p>Wrmetauscher(Varistar LHX 20)</p><p>Schutzart IP 20 IP 20 IP 20 IP 54 IP 54 IP 54 IP 54</p><p>Schalldruck-pegel 0 0 3467dB(A) 3971dB(A) 5575dB(A) 6081dB(A) 5060dB(A)</p><p>Umgebungs-bedingungen Ti &gt; Tu Ti &gt; Tu Ti &gt; Tu Ti &gt; Tu Ti &gt; Tu Ti 35C Ti 20C</p><p>Standort Bro oder Industrie Bro oder Industrie Bro oder Industrie Industrie Industrie Industrie Bro oder Industrie</p><p>ungefhr ntige Khlkapazitt # &lt; 500 W 500 W ... 1000 W &lt; 2000 W &lt; 1500 W &lt; 2000 W 3000 W 20000 W</p><p>Ti = SchrankinnentemperaturTu = Umgebungstemperatur </p><p>bersicht Khlkonzepte </p><p>Passive Khlung Die passive Khlung eines Schrankes beruht lediglich auf die Abstrahlung der wirksamen Flchen an die Umgebung. Demzufolge muss stets ein Temperaturgeflle von innen nach auen vorhanden sein. Bei der Kalkulation der Abstrahlflche unter der Annahme, dass die Wrme innen gleichmig verteilt ist, kann mit der Faustformel 5W pro m2 pro k ( T) gerechnet werden. Somit knnen bei einem Schrank von 2m Hhe, 600mm Breite und 600mm Tiefe (ca. 5m2wirksame Flche) bei einem T von 10 k (Ti zu Tu) mit einer Wrmeabstrahlung von ~ 250 W kalkuliert werden (5 x 5 10). </p><p>Aktive Khlung Bei aktiver Khlung mit Lftern ist das Luftvolumen entscheidend, wobei auf die ausreichende Dimensionierung der Luftwege zu achten ist, um die notwendige Luftmenge an die Gerte gelangen zu lassen und um die vorgeschriebenen Geruschwerte nicht zu berschreiten. Als Faustformel gilt, dass bei einem Luftvolumen von 3,3m3 / h die Gertetemperatur bei einer Verlustleistung von 1W um 1 k ansteigt. Somit wre bei einer Verlustleistung von 1000W und einem zulssigen Gerte-Temperaturanstieg von 10k ein Luftvolumen von 3,3 x 1000/10 = 330 m3 /h erforderlich. </p><p>Quelle: Schroff GmbH </p></li><li><p>White Paper Das universelle Schrankkonzept ___________________________________________________________________ </p><p> 8/17 </p><p>Aktive Khlung mit Untersttzung Bei aktiver Khlung mit Untersttzung von Wrmetauschern oder Klimagerten muss auf das jeweilige Gert zunchst ebenfalls das Luftvolumen berechnet werden. Danach setzt man den Leistungswert des Khlgertes ein, woraus sich der Temperaturanstieg im Gert ergibt. Wenn also im vorangehenden Beispiel ein Kompressor betriebenes Khlgert (Klimagert) eingesetzt wird, dann kommt es letztendlich auf die Khlleistung bei entsprechender Innen- zur Auentemperatur an. Nach DIN 3168 wird die Khlleistung bei Ti zu Tu von 35 C zu 35 C und 35 C zu 50 C angegeben. Folglich wre beim Einsatz eines Khlgertes mit 1000 W Khlleistung (spezifiziert bei Tu = 50 C) die Khltemperatur fr die eingebauten Gerte konstant 35 C. </p><p>Aktive Khlung mit Wasser nach IEC 62454 Level I- Schrankebene in der IEC 62454 beschreibt Rahmenbedingungen und liefert Berechnungsbeispiele fr Applikationen mit Luft-Wasser-Wrmetauschern, die entweder am Schrankboden oder seitlich im Schrank eingebaut werden. Durch die unterschiedliche Anordnung der Luft-Wasser-Wrmetauscher ergeben sich zwei grundlegende Luftfhrungsmglichkeiten: vertikale oder horizontale Luftfhrung. </p><p>Bei der vertikalen Luftfhrung zirkuliert die Luft ber die Schrankhhe. Der Wrmetauscher sitzt unten im Schrank und fhrt die kalte Luft von vorne durch die eingebauten Komponenten nach hinten, wobei die Luft ber Ventilatoren einzelner Baugruppentrger oder Ventilatoren im Wrmetauscher wieder nach unten zurckgefhrt wird. Bei der horizontalen Luftfhrung zirkuliert die Kaltluft ber die gesamte Schrankhhe von vorne nach hinten durch die eingebauten Komponenten. Der Wrmetauscher ist hier seitlich positioniert. </p><p>Unabhngig davon, welche Lsung (Boden- oder Seitenwandmontage) man whlt, kann der Anwender nun entweder mithilfe eines Diagramms oder ber die Berechnung mit Formeln die fr seine Applikation notwendige Stellflche ermitteln. Die Abmessungen der eingebauten Komponenten werden mit einer Tiefe von 400 mm und die Schrankbreite mit 600 mm vorgegeben. Ausgangswerte fr die Ermittlung der notwendigen Schranktiefe sind das T zwischen Schrankinnen- und Umgebungstemperatur in Kelvin sowie die erwartete Verlustleitung Q in kW. </p></li><li><p>White Paper Das universelle Schrankkonzept ___________________________________________________________________ </p><p> 9/17 </p><p>Abbildung 2: </p><p>Abbildung 3: </p><p>Schranktiefe D bei vertikaler Luftfhrung W=600mm, </p><p>Tiefe der eingebauten Komponenten DE=400mm, Vmax=5m/s </p><p>Schranktiefe D bei horizontaler Luftfhrung H=2000mm, W=800mm </p><p>Tiefe der eingebauten Komponenten DE=400mm, Vmax=5m/s </p><p>Quelle: IEC 62454 </p><p>Quelle: IEC 62454 </p></li><li><p>White Paper Das universelle Schrankkonzept ___________________________________________________________________ </p><p> 10/17 </p><p>Beim Vergleich beider Prinzipien mit gleichen Randbedingungen ergibt sich bei ansonsten gleichen Schrankabmessungen bei der horizontalen Luftfhrung eine geringere notwendige Schranktiefe. Dadurch wird die Aufstellflche trotz hoher Khlleistung klein gehalten. </p><p>Schroff hat mit dem VARISTAR LHX 20 ein raumunabhngiges Entwrmungskonzept als Schrankkomplettsystem entwickelt. Das System ist in der Lage installierte Verlustleistungen bis 20kW abzufhren. Der Luft-Wasser-Wrmetauscher wird als komplettes Modul seitlich links oder rechts in den Schrank eingeschoben (horizontale Luftfhrung), dadurch ist die 19"-Ebene in voller Hhe (42 HE) nutzbar. Der Wrmetauscher befindet sich im geschlossenen Luftkreislauf des Schranks mit einer Luftfrdermenge bis 3000 m3/h. Luftfhrungselemente und sechs ber die Hhe verteilt angebrachte Ventilatoren sorgen fr die gleichmige Entwrmung aller im Schrank eingebauten Komponenten. Khlwasser strmt durch den externen Wasserkreislauf und den Wrmetauscher, erwrmt sich dabei und fliet zurck zur Rckkhlanlage. Hier wird das Wasser wieder auf die gewnschte Vorlauftemperatur heruntergekhlt. </p><p>Quelle: Schroff GmbH Quelle: Schroff GmbH </p></li><li><p>White Paper Das universelle Schrankkonzept ___________________________________________________________________ </p><p> 11/17 </p><p>4.3 Mechanische Prfungen Zweck der mechanischen Prfungen ist die Sicherstellung, dass die Schrnke den Belastungen bei Transport, Lagerung und im Betrieb widerstehen knnen. Fr die Beurteilung aller mechanischen Prfungen ist mageblich, dass nachfolgend keine bleibenden Vernderungen feststellbar sind, die Einfluss auf Funktion und Sicherheit haben knnen. </p><p>4.3.1 Hebeprfung Durch die Hebeprfung wird die Stabilitt der Schrankstruktur und der Kransen-Verankerung festgestellt. Zur Prfung wird der Schrank am Boden verankert und die Hebevorrichtung soll senkrecht an den Kransen angreifen (siehe auch Tabelle 1). </p><p>4.3.2 Steifheitsprfung der Schrankstruktur Mit dieser Prfung wird die Bestndigkeit der Schrankstruktur auf Einflsse bei Transport und Handhabung festgestellt. Zur Prfung wird der Schrank am Boden verankert und die Kraft P 2 wird auf einer Flche von 100 mm von der Oberkante des Schrankes aus eingeleitet (die Prfung soll frontseitig und seitlich ausgefhrt werden, P 2 siehe Tabelle 1). </p><p>Tabelle 1: Anforderungsstufen fr Hebe- und Steifheitsprfung </p><p>Schrank Typ </p><p>Anforderungs- stufe </p><p>Zuladung Kg </p><p>Hebeprfung P 1 (N) </p><p>Steifheit P 2 (N) </p><p>SLIM- LINE SL 6 400 6000 1000 HEAVY- DUTY SL 7 800 12000 2000 </p><p>Anmerkung: Nach IEC 61587-1 steht die Zuladung im Verhltnis zu den Krften der Hebe und Steifheitsprfung. Dieser Definition sind die VARISTAR Typen zugeordnet. Die stationre Zuladung von Schrnken, die am Einsatzort verbleiben, kann folglich erheblich hher sein und hngt im Wesentlichen vom versteifenden Ausbau mit dem Zubehr ab. </p><p>Quelle: Schroff GmbH </p><p>Quelle: IEC 61 587-1 </p><p>Quelle: IEC 61 587-1 </p></li><li><p>White Paper Das universelle Schrankkonzept ___________________________________________________________________ </p><p> 12/17 </p><p>5. DYNAMISCH MECHANISCHE PRFUNGEN Die dynamisch mechanischen Prfu...</p></li></ul>