Eine zuverlässige Stromversorgung ist nicht genug!

1 Bewertungen

Zuverlässige Stromquelle durch O-Ring MOSFET-Technologie Parallelschaltbare Stromversorgung

17.02.2020

Schaltnetzteile haben sich dank ihrer langen Lebensdauer und ihrer Robustheit in der Industrie bewährt. Ohne eine zuverlässige Stromversorgung ist der moderne Maschinen- und Anlagenbau sowie die Prozesstechnik undenkbar. Für besonders kritische Anwendungen ist „zuverlässig“ jedoch zu wenig.

In Produktionsstraßen der Automobilindustrie oder Prozesse in der chemischen, pharmazeutischen und verfahrenstechnischen Industrie ist die Anlagenverfügbarkeit unabdingbar, es darf nichts ausfallen; der wirtschaftliche Schaden wäre immens. Technisch gesehen ist das durch den Einsatz von redundanten Stromversorgungssystemen zu realisieren. Redundanzen sind zwei oder mehrere parallel geschaltete Stromversorgungen, wovon ein Netzgerät ausfallen darf, ohne dass es zu Versorgungseinbußen bei der Gesamtlast kommt. Herkömmliche Netzgeräte sind zur gegenseitigen Entkopplung mittels Dioden- oder Redundanzmodulen parallelzuschalten. Im Gegensatz hierzu lassen sich die Geräte der PROtop-Serie direkt parallelschalten. Die integrierten O-Ring MOSFET-Technologie entkoppeln zuverlässig die Geräte. Die Technologie ist vergleichbar mit sehr verlustarmen und eher idealen Dioden.

Netzgeräte lassen sich grundsätzlich auch direkt parallelschalten. Ganz ohne Schutzmaßnahmen geht dies jedoch nicht. Das größte Risiko beim Parallelschalten von Netzgeräten stellen Elektrolyt-Kondensatoren dar, die in der Regel zum Glätten der Ausgangsspannung dienen. Sie sind jedoch auch ein Verschleißteil, da das Elektrolyt austrocknen kann. Bei sachgemäßem Einsatz taucht dieses Pro­blem selten auf, denn die Hersteller hochwertiger Netzgeräte legen die verwendeten Komponenten mit einer angemessenen Sicherheitsreserve aus. Bei übermäßiger Erwärmung des Geräts jedoch sinkt die Lebenserwartung dieser Kondensatoren. Das besondere Risiko besteht nun darin, dass das Netzgerät dann nicht einfach ausfällt, während das zweite, parallel geschaltete Gerät dann die Versorgung aufrechterhält. Ein defekter Elektrolytkondensator kann jedoch niederohmig werden und so den Ausgang kurzschließen. Damit bricht die Versorgungsspannung zusammen.

Klassischerweise wird dies durch eine Diodenschaltung verhindert. Sie schützt nicht nur bei einem gefährlichen Kurzschluss gegen Masse, sondern auch vor Rückströmen. Ein Rückstrom tritt immer dann auf, wenn eine einzelne Spannung einer Stromversorgung erheblich unter den Wert der anderen Versorgungen fällt oder das Stromaufteilungsschema aus einem anderen Grund ausfällt. Die Diodenschaltung kann als separates Modul ausgeführt sein. Die Schutzschaltung mittels O-Ring-Diode ist gängig und kostengünstig, weist aber einige Nachteile auf.

Zum einen ist sie mit einer deutlichen Verlustleistung behaftet. In Verteilersystemen mit hohen Strömen kann dies zu deutlichen Mehrkosten führen. Zum anderen sind in diesen Modulen keine besonderen Überwachungseinrichtungen zur kurzgeschlossenen oder offenen O-Ring-Diode enthalten. Insgesamt wird also die Anlagenverfügbarkeit erhöht, die Schutzfunktion ist aber nicht einfach zu überwachen. Sie wird mit einem erhöhten Energieverbrauch erkauft. In den Stromversorgungen der Spitzenklasse – der PROtop-Serie – setzt Weidmüller integrierte MOSFET-Komponenten anstelle von externen Dioden ein.

MOSFETs - effizient und sicher

MOSFET steht für Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. MOSFET-Controller überwachen die Spannungszustände vor und hinter dem O-Ring. Im Falle einer Rückspeisung, eines Spannungseinbruchs beziehungsweise internen Kurzschlusses wird der interne Gleichrichter sofort vom Lastausgang getrennt. Ein großer Vorzug von MOSFETs ist ihre Effizienz. Die Leistungsverluste betragen nur etwa 10 Prozent gegenüber denen von Dioden.

Zudem sparen die integrierten O-Ring MOSFETs Platz, da keine separaten Redundanzmodule benötigt werden. Der Betriebsmodus – Einzelgerät oder Parallelschaltung – wird per DIP-Schalter gewählt. Dieses beeinflusst die Charakteristik der Ausgangsspannung. Im Single-Mode verhält sich das Gerät wie ein herkömmliches Gerät mit IU Kennlinie. Im Parallel-Mode wird die Spannung vom lastfreien Betrieb bis zu Nennlast um 1VDC abgesenkt.

Dieser Soft IU-Effekt bietet zwei Vorteile: Einerseits wird der Einfluss von externen Leitungswiderständen minimiert. Andererseits erreichen die Geräte eine sehr gute Langzeitstabilität. Dieses deshalb, weil zum Beispiel die Spannung zwischen zwei Geräten über einen Zeitraum von 5 bis 10 Jahren durchaus um circa 50mV abweichen kann. Das würde bei herkömmlichen IU Kennlinien zu stark unterschiedlich Strömen führen.

Das Gerät mit dem höheren Strom altert stärker. Durch Soft IU wird dieser Effekt soweit minimiert, dass er nahe an der natürlichen Drift von elektronischen Komponenten ist. Damit arbeiten die neuen PROtop-Netzteile von Weidmüller im entsprechenden Parallelbetrieb praktisch genauso effizient, wie kostspielige Redundanzmodule mit aktiver Stromsymmetrierung (current sharing).

Einsparpotenziale nutzen

PROtop Stromversorgungen sind in ihrem Gehäusedesign kompakt ausgeführt. Ihre platzsparende Bauform schafft Raum für zusätzliche Baugruppen und erhöht so die Funktionsdichte im Schaltschrank. PROtop weist außerdem durch einen hohen Wirkungsgrad von bis zu 95,4 Prozent auf. Er reduziert Wärmeverluste und senkt nachhaltig die Energiekosten. Die hohe MTBF-Zeit (Mean Time Between Failures) von >1.000.000 Stunden nach IEC 1709 (SN29500) sowie die lange Lebensdauer des Gerätes garantieren eine hohe Wirtschaftlichkeit der Geräte über den gesamten Betriebszeitraum hinweg.

Mehr Leistung dank DCL

Die PROtop-Geräte bieten aber auch noch weitere Features, wie die DCL-Technologie (DCL = dynamic current limiting). Diese Methode stellt durchgängig beachtliche Impulsenergiereserven zur Verfügung. Der daraus resultierende Dynamikbereich wird zur zuverlässigen Auslösung von Leitungsschutzschaltern oder einem kraftvollen Motorstart genutzt. So lassen sich schwierige Lasten noch zuverlässiger betreiben. Beispielweise stehen für das Anlaufmoment eines Motors bis zu 300 Prozent für ca. 100ms oder 150 Prozent für 5s zur Verfügung. Bis zu Umgebungstemperaturen von 40 Grad Celsius sind statische Leistungsreserven von dauerhaft 130 Prozent abrufbar.

Prozesse optimieren

Um produzierende Unternehmen auf das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) und die datenbasierte Steuerung der Produktion vorzubereiten, gilt das Bestreben einer möglichst schnellen Integration aller Geräte sowie der einfachen Übertragung in die Cloud. Deshalb sind die PROtop-Geräte zusätzlich zu den beschriebenen Leistungsmerkmalen im Einzel- und Parallelbetrieb für eine durchgängig vernetzte Produktion vorbereitet. Mit einem aufsteckbaren Kommunikationsmodul erhält der Anwender eine Schnittstelle zur Weitergabe der Prozessdaten an die übergeordnete Steuerung und legt so den Grundstein für Prozessoptimierungen durch intelligentes Condition Monitoring und funktionelle Fernsteuerbarkeit. 

Nur so lassen sich die Potenziale von Industrie 4.0 ausschöpfen. Produkt- und zustandsorientierte Daten sowie maschineninterne Messwerte und Energieparameter werden erfasst und werden in einer Cloud bereitgestellt. Dort findet eine Auswertung der Daten statt. Die daraus resultierenden Rückschlüsse werden allen relevanten Netzwerkteilnehmern zur Verfügung gestellt. Das versetzt Anlagenbetreiber in die Lage, neuartige Dienste zur Optimierung und Diagnose ihrer Produktionsprozesse oder für das Energiemanagement aufzubauen. Wegen seiner Eigenschaften kann PROtop deshalb überzeugen, wenn es um Zuverlässigkeit, Langlebigkeit, Energieeffizienz geht und zudem redundante Stromversorgungssysteme gefordert sind oder auch der Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen in der Industrie erfolgen soll.

Bildergalerie

  • Die O-Ring MOSFET-Technologie der PROtop-Stromversorgungen ermöglicht einen Parallelbetrieb ohne Redundanzmodule und sorgt so für Versorgungssicherheit auf kleinem Raum.

  • Aufgrund der DCL-Technologie verfügt das PROtop-Netzteil über sehr große Impulsenergiereserven. Die Reserven sind ideal für eine zuverlässige Impulsauslösung von Leitungsschutzschaltern oder als Zusatzenergie für einen kraftvollen Motorstart.

  • Mit dem aufsteckbaren Kommunikationsmodul PRO COM ermöglicht Weidmüller erstmalig eine durchgängige Kommunikation von der Feldebene bis zur Cloud.

Firmen zu diesem Artikel
Verwandte Artikel