Redundanz, DC-USV, Puffermodule, DC/DC-Wandler So wird die Versorgungssicherheit für 24V-Steuerstromkreise erhöht

Netzgeräte gelten meist als langweilige Produkte im Vergleich zu den lebendigen Funktionen einer Anlage. Fällt die 24V-Versorgung aber mal aus, steht die ganze Anlage still. Bei den immer sensibler und komplexer werdenden Anlagen kann das einen Datenverlust, Anlagenstillstand oder gar einen gefährlichen Zustand bedeuten, der lange Neustartzeiten und hohe Kosten verursacht. Zusatzgeräte von Puls versprechen Abhilfe.

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Eine Grundvoraussetzung für eine zuverlässige 24V-Versorgung sind robuste und ausreichend stark dimensionierte Netzgeräte sowie eine ordnungsgemäß ausgeführte Verkabelung der Anlage. Zudem helfen verschiedene Zusatzgeräte die Zuverlässigkeit der 24V-Versorgung zu erhöhen. Zu den drei häufigsten Gründen für ein Versagen der 24V-Versorgung zählen ein temporärer Ausfall der Versorgungsspannung – etwa wegen Stromausfall oder Auslösen von vorgeschalteten Schutzelementen, Ausfall der Stromversorgung selbst sowie temporäre Spannungseinbrüche aufgrund parallel angeschlossener Verbraucher mit kurzzeitig hohem Stromverbrauch — z.B. beim Anlaufen von Motoren oder Lasten mit hohem Einschaltstrom.

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen

DC-USV’s überbrücken solche temporären Netzausfälle, Netzschwankungen oder ein unerwartetes Abschalten von Anlagen. Bei Versagen der Netzspannung übernimmt die DC-USV mit Hilfe einer Batterie den Laststrom und kann diesen für eine mehr oder weniger lange Zeit puffern. Die Zeitdauer (Pufferzeit) hängt von der Größe der Batterie ab. Der gängigste Batterietyp hierfür ist aufgrund der niedrigen Kosten und weltweiten Verfügbarkeit die wartungsfreie Blei-Vlies-Batterie. Aber Achtung, wartungsfrei heißt nicht gleich servicefrei. Diese Batterien altern sehr schnell und müssen regelmäßig getauscht werden.

Wichtig ist deshalb bei der Auswahl einer DC-USV auf ein Modell zu achten, welches die Batterien mit exakter Ladeschlussspannung lädt, einen sicheren Tiefentladeschutz hat und mit einer Pufferzeitbegrenzung ausgestattet ist, die die Batterie nicht unnötig weit entlädt. Das hilft die maximal mögliche Lebensdauer der Batterie zu erreichen. Puls bietet dafür die UB10-Serie an, die nur eine 12V-Batterie benötigt um 24 V zu puffern. Damit ist ein noch präziseres Batteriemanagement möglich.

Mit Kondensatoren gestützte Puffermodule

Statistisch gesehen handelt es sich bei 80 Prozent der Netzausfälle um Netzunterbrechungen bis zu einer Dauer von 200 ms — verursacht durch Schaltvorgänge in den Stromverbundnetzen, Überlastungen in benachbarten Stromkreisen oder als Folgeerscheinung von Blitzeinschlägen. Für Glühlampen sind diese kurzen Ausfälle unerheblich, Elektronikbaugruppen steigen dabei allerdings komplett aus. Diese kurzen Ausfälle lassen sich mittels Kondensatoren überbrücken und kommen ohne die Schwachstelle Batterie aus. Puls bietet hierfür die Puffermodule der Serie UF20 für 24V- und 48V-Versorgungsspannungen an.

Während das Netzgerät Strom liefert, werden die internen Elektrolytkondensatoren auf etwa 200 VDC aufgeladen und speichern die Energie. Bei Versagen der Netzspannung, wird diese Energie geregelt wieder an den Klemmen abgegeben. Beide Geräte können Lastströme bis zu 20 A liefern. Bei 24, 20 oder 48 V, 10 A steht eine garantierte Pufferzeit von 200 ms (typ 310 ms) zur Verfügung. Bei geringeren Lastströmen verlängert sich diese Zeit.

Die Puls-Puffermodule sind dank der Elektrolytkondensatoren wartungs- und servicefrei, einfach zu bedienen und kommen ohne Verdrahtung von Steuerleitungen aus. Sie sind an beliebiger Stelle parallel zum Laststromkreis anschließbar. Sie lassen sich auch einfach parallel schalten, - um die Pufferzeit zu verlängern und den Pufferstrom zu erhöhen. Zudem liefern sie den Strom zusätzlich zum Netzgerät. Schaltet etwa ein Verbraucher zu und zieht einen hohen Einschaltstrom, helfen die zusätzlichen 20 A der Puffermodule einen Spannungseinbruch zu vermeiden.

Redundante Systeme

Redundanz bedeutet „Überfluss zur Sicherheit“: In einem Kernkraftwerk gibt es für die wichtigsten Steuerungssysteme jeweils ein Ersatzsystem, in einem Flugzeug sogar zwei, auch wenn bereits eines zur Sicherheit genügen würde. Fehler in solchen Systemen haben fatale Folgen. Redundanzen schaffen hier Sicherheit. Auch wenn die Folgen in industriellen Steuerungen nicht so gravierend sind wie bei Flugzeugen oder Kernkraftwerken, erhöhen redundante Systeme die Anlagenverfügbarkeit und vermeiden wirtschaftliche Verluste. Redundanz hört nicht bei der Steuerung auf, auch die elektrische Versorgung muss hier durchgängig redundant aufgebaut werden.

Redundanz bedeutet im einfachsten Fall, dass zwei Netzgeräte parallel geschaltet werden, von denen jedes einzelne in der Lage ist, den Verbraucher in allen Betriebszuständen sicher zu versorgen. Dieser Fall wird 1+1 Redundanz genannt. Bei höheren Leistungen findet man auch n+1 redundante Systeme. Hier lassen sich - wenn z.B. 30 A benötigt werden — vier Geräte mit je 10 A redundant betreiben. Fällt ein Gerät aus, können die anderen drei Geräte immer noch die Anlage sicher versorgen.

Prinzipiell sind redundante Stromversorgungssysteme parallel geschaltete Einzel- Netzgeräte. Dabei ist wichtig, dass sie untereinander durch Dioden entkoppelt sind und jedes Gerät eine eigene unabhängige Auswerteelektronik hat (z.B. DC-OK-Signal). Bei Redundanz ist es nicht wichtig, dass sich der Strom zwischen den einzelnen Geräten symmetrisch aufteilt. Das wäre ein übertriebener Aufwand, solange kein einzelnes Gerät permanent überlastet werden würde.

Neben redundanten Stromversorgungen mit eingebauten Entkoppeldioden (SLR-Serie) bietet Puls verschiedene Redundanz- und Diodenmodule für Ströme zwischen 10 und 40 A an. Damit lassen sich mit Standard 24V-Netzgeräten redundante Systeme aufbauen. Die jüngste Ergänzung ist das Redundanzmodul YRM2.DIODE mit zwei Eingängen und einem Ausgang. Entkopplungsdioden isolieren die beiden Eingänge. So ist sichergestellt, dass ein Netzgerät, dessen Ausgangsstufe einen Kurzschluss hat, nicht zur Last für das noch funktionierende Gerät wird. Beide Eingangsspannungen werden überwacht. Unterschreitet die Spannung einen Schwellwert, gibt es eine Meldung. Damit ist eine Fehlerfrüherkennung und die Einleitung von Sicherheitsmaßnahmen möglich.

Das Modul eignet sich besonders in Verbindung mit Stromversorgungen, die selbst kein DC-OK-Signal generieren. Für Stromversorgungen mit integriertem DC-OK-Signal kann das einfachere Diodenmodul YR2.DIODE verwendet werden. Dieses ist nur mit Entkopplungsdioden ausgestattet und verzichtet auf die Signalerzeugung zur Fehlerfrüherkennung. Beide Module sind mit max. 25 A am Ausgang belastbar. Dieser Grenzwert muss auch eingehalten werden, wenn lastseitig ein Kurzschluss besteht und beide Stromversorgungen mit dem Kurzschlussstrom in die Module einspeisen.

DC/DC-Wandler

DC/DC-Wandler haben vor allem dann eine Berechtigung, wenn am Ende von langen Leitungen zu wenig Spannung ankommt. In diesem Fall helfen weder Puffermodule noch DC-USVs. Verwendet man einen 24V auf 24V DC/DC-Wandler der CD-Serie, lässt sich eine abgesunkene 24V wieder auf eine stabile 24V-Spannung auffrischen.

Michael Raspotnig, Senior Design Engineer, Puls

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