Stromversorgung Warum
Stromversorgung Warum ist Netzqualität für Entwickler relevant? EN DE Voltage Step Spannungsschritt Frequency Step Frequenzschritt Time 1 Zeit 1 Step 1 Schritt 1 Volt. 1 Spannung 1 Freq. 1 Frequenz 1 Bild 1: Beispiel für softwaregesteuerte Kurvenformen, die mit der Preen-AFV-P-Serie passend zu den Normen konfiguriert und abgespielt werden können. Diese und andere Varianten, wie z.B. Aussetzer, können so programmiert werden, dass sie in gewünschten Sequenzen zur Prüfung und Analyse ablaufen Dieser Artikel beschreibt häufig auftretende Probleme herkömmlicher Stromversorgungstechnologien und zeigt mögliche Lösungsansätze auf. Dabei wird klar: Programmierbare Stromversorgungen sind unverzichtbar, um die hohen Anforderungen an elektronische Geräte sowie die Auflagen für saubere und zuverlässige Versorgungsnetze zu erfüllen. Autor: Christian Korreng Vertriebsleiter LXinstruments GmbH info@lxinstruments.com www.lxinstruments.com Störungen lokalisieren Heutige elektronische Geräte werden meist mit hochgenauem und geregeltem Gleichstrom (DC) betrieben. Sie sind jedoch zunächst auf Wechselstrom (AC) angewiesen, der meist aus dem öffentlichen Netz oder anderen Quellen wie Wandlern oder Generatoren bezogen wird. Die Umwandlung in Gleichstrom erfolgt im Netzteil des jeweiligen Gerätes. Störungen auf der AC-Seite können zu Störungen auf der DC-Seite und damit zu Fehlern oder Ausfällen in der Geräteelektronik führen. Da moderne Geräte die Energie selten konstant aus dem Versorgungsnetz entnehmen, entstehen durch den Betrieb ebenfalls Störungen auf der AC-Seite des Versorgungsnetzes. Dieses Gegenspiel stellt eine hohe Herausforderung an das Design und die Prüfung von Stromversorgungen und damit an moderne elektronische Geräte dar. Früher setzte man konventionelle Technik, bestehend aus Transformator, Gleichrichter und Längsregler, in Netzteilen ein. Diese waren aufgrund ihrer Bauart groß, schwer und besaßen einen schlechten Wirkungsgrad, welcher sich z.B. in starker Erwärmung zeigte. Diese Netzgeräte wurden weitestgehend durch Schaltnetzteile ersetzt. Vereinfacht dargestellt, wird durch Ein- und Ausschalten der teils gleichgerichteten Netzspannung im kHz-Bereich der Transformator mit wesentlich höheren Frequenzen betrieben. Dadurch können anstatt Eisen leichtere Materialien im Übertrager eingesetzt und die Wirkungsgrade optimiert werden. Anschaulich wird das, wenn man einen 30 kg schweren Eisentransformator mit einem 500 g schweren Schaltnetzteil vergleicht. Durch das „Zerhacken“ der Spannung entstehen jedoch hochfrequente Störungen und Oberschwingungen sowohl auf der Geräte- als auch auf der Netzseite. Durch den Einsatz von Halbleiterschaltern und intelligenter digitaler Regelung können viele Parameter im Netzteil beeinflusst werden. Dies beeinflusst direkt die Aussendung von Störungen als auch deren Robustheit. Betrachtet man die Funktion eines elektrischen Gerätes als System, bestehend aus Versorgung, Netzteil und Gerätefunktion, so ist es essentiell, die jeweiligen Auswirkungen der Elemente aufeinander untersuchen und zuverlässig erproben zu können. Notwendigkeit der Fehlererkennung Netzbedingte Fehler sicher und genau erkennen und einordnen zu können, macht es möglich, die zu prüfenden Geräte in Übereinstimmung mit den eigenen Design- Spezifikationen sowie den zugehörigen Industriestandards und gültigen Normen zu bringen. Wenn Geräte auf Robustheit oder Störaussendung untersucht werden sollen, eignet sich folg- 14 hf-praxis 7/2021
Stromversorgung lich das Versorgungsnetz genau NICHT für die direkte Versorgung der Geräte, da es Schwankungen und unvorhersehbaren externen Störeinflüssen unterliegt. Aus diesem Grund werden in Entwicklungs- und Laborumgebungen programmierbare Stromversorgungen eingesetzt. Sie liefern die Energie zuverlässig und genau in der gewünschten Form (Spannung, Strom, Frequenz) und können gleichzeitig Störgrößen sowohl eingangs- als auch ausgangsseitig erkennen, messen und aufzeichnen. Probleme bei der Gleichrichtung Mechanische Motorgeneratoren wurden traditionell zur Umwandlung von Spannung und Frequenz verwendet. Besonders klar wird die Notwendigkeit, wenn man Anwendungen betrachtet, die nicht der Spannung und Frequenz des Versorgungsnetzes entsprechen z.B. im Avionikbereich 400 Hz oder im Bahnbereich 16 2/3 Hz. Auch wenn mechanische Motorgeneratoren viele Jahre gute Dienste geleistet haben, sind sie nachteilig bezüglich Wartungsintensivität, Größe, Gewicht und Leistung. Viele der noch bestehenden Anlagen werden zunehmend durch programmierbare und geregelte Stromversorgungen basierend auf Leistungshalbleitern ersetzt. Moderne programmierbare Stromversorgungen beinhalten normalerweise viele integrierte Zusatzfunktionen, die genutzt werden können, um typische aus Versorgungsnetzen stammende Störsignale gezielt in Richtung Prüfling auszugeben. Netzstörungen auf den Prüfling können auf diese Weise gezielt erprobt werden. Heutige Stromversorgungen bieten eine gute Trennung des tatsächlichen Versorgungsnetzes und ihres Ausgangs und ermöglichen so eine stabile, saubere Ausgangsspannung und Frequenz, die weitestgehend vor Netzfehlern geschützt ist. Netzseitig auftretende Störgrößen wie Spannungseinbrüche- oder Frequenzschwankungen, sowie das Verhalten auf der Ausgangsseite müssen aufgezeichnet werden können. Schlussendlich muss es Entwicklern und Laboren ermöglicht werden, Geräte sowohl unter optimalen als auch unter genau festgelegten und wiederholbaren Fehlerzuständen zu betreiben, um die Auswirkungen der Fehler auf das Gerät wiederholbar zu untersuchen. Zur Unterstützung solcher Tests und zur Verifizierung hat die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) eine Reihe von Standards zur Prüfung der Störfestigkeit veröffentlicht. Die in den Normen aufgeführten Störsignalformen können durch programmierbare Stromversorgungen individuell angepasst und ausgeführt werden. Wichtige Normen im Überblick: • IEC-Prüfnormen für den AC- Fehlerschutz Die IEC 61000-4-11 ist die Norm „Prüfungen der Störfestigkeit gegen Spannungseinbrüche, Kurzzeitunterbrechungen und Spannungsschwankungen“. Die hierin aufgeführten Störungen gelten als die häufigsten Ursachen für eine schlechte Netzversorgungsqualität. • IEC 61000-4-14 „Prüfung der Störfestigkeit von Geräten und Einrichtungen mit einem Eingangsstrom bis einschließlich 16 A je Leiter gegen Spannungsschwankungen“ Diese zielt darauf ab, die Auswirkungen von Störungen in der Netzversorgungsspannung zu erkennen. Zufällig variierende schwere Lasten in Industrieumgebungen wie z.B. Lichtbogenöfen, Walzwerke oder große Motoren mit wechselnden Lasten verursachen häufig Spannungsschwankungen im Netz. Ein häufiges Symptom ist transientes Flimmern in einer Beleuchtungsanlage. • IEC 61000-4-28 „Prüfung der Störfestigkeit gegen Schwankungen der energietechnischen Frequenz (Netzfrequenz)“ Sie beschreibt grundlegende Tests, die zur Erfüllung von generischen Standards beitragen sollen. Da die Frequenz von Wechselstromquellen in der Regel 50...60 Hz beträgt, sind ihre Auswirkungen auf Geräte relativ einfach zu berechnen. Die Probleme, die sie verursachen können, sollten jedoch nicht unterschätzt werden. Eine weitere wichtige Norm, die von einer programmierbaren Stromversorgung abgedeckt werden sollte, ist die „Norm für elektrische Eigenschaften von Fluggeräten, MIL-STD-704 Revision F“. Obwohl es sich um eine amerikanische Militärnorm handelt, wurde MIL-STD-704 von einer Reihe von Ländern übernommen. Neuartige programmierbare Stromversorgungen wie z.B. vom Hersteller Preen eignen sich hervorragend zur Durchführung von Prüfungen aus den genannten Normen, indem Sie als Stromversorgungen für die zu prüfenden Geräte eingesetzt werden. Wie kommt man zu „sauberen“ Verbrauchern und Netzen? Durch den Einsatz von Leistungshalbleitern werden Transformatoren eliminiert. Oft werden hierzu Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) eingesetzt. Die IGBTs wandeln den Wechselstrom zunächst in Gleichstrom um, der den sogenannten Zwischenkreis speist. Aus diesem Zwischenkreis wird dann wieder Wechselstrom erzeugt. Diese Methode ermöglicht einen individuell einstellbaren AC-Ausgang, der die benötigte Spannung und Frequenz entsprechend generieren kann – frei von Störungen, die durch das Netz eingeschleppt werden. WIR KÖNNEN POWER: Vom Einzelgerät bis zum schlüsselfertigen Schranksystem! Quellen, Lasten, Spannungswandler - passende AC/DC Lösungen für jede Anwendung. • > 1500 Produkte namhafter Hersteller • 5 Vdc bis 2250 Vdc • 0,6 A bis 24 kA • 90 W bis 1 MW • DC bis 1 MHz • regenerativ • programmierbar LXinstruments GmbH Rudolf-Diesel-Str. 36 | 71154 Nufringen info@lxinstruments.com www.lxinstruments.com www.lxinstruments.com/shop hf-praxis 7/2021 15
