9-2022

Stromversorgung USV ganz

Stromversorgung USV ganz klein: auf der Hutschiene Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung ist sinnvoll für die Stabilität einer Anlage. Sie kann sogar mit auf der Hutschiene aufgeschnappt werden, wenn keine langen Überbrückungszeiten gefordert sind. Verschiedene Adelsystem All in One-USV-Modelle für die Hutschiene Ein auch noch so kurzer Stromausfall in der Produktion kann heftige Folgen haben, mit langen Ausfallzeiten und hohen Kosten: Es kann Stunden dauern, bis die Anlagen wieder anlaufen. Ist beispielsweise eine Kunststoff-Spritzgussmaschine stehengeblieben, müssen vor dem Wiederanlauf und Neustart der Produktion erst einmal noch nicht geschmolzenes Granulat und bereits geschmolzene und nun in der Maschine wieder erkaltete Kunststoffmasse restlos entfernt werden. Hier ist es also sinnvoll, ein leistungsfähiges System zu haben, das bei Stromausfall einspringen kann, sodass es gar nicht erst zu einem Erkalten des Materials kommt. Geht es jedoch nicht um die Produktion, sondern die Steuerung der Maschine, ist dies wesentlich zeitkritischer. Hier kann bereits eine Netzspannungsschwankung von wenigen Millisekunden zu Proble- Autor: Wolf-Dieter Roth, Technischer Redakteur HY-LINE Power Components www.hy-line.de/power men und zum Ausfall der SPS und damit der Maschine führen. Dafür sind hier keine Kilowatt notwendig. Es geht hier nur darum, die Steuerung stabil und funktionsfähig zu halten, nicht die ganze Anlage. DC-USV: Alternative zur klassischen AC-USV Industrieanlagensteuerungen, SPS, laufen üblicherweise an einem 24-V-DC-Bus. Es ist deshalb wesentlich effizienter, hier anzusetzen als auf der AC-Seite. AC-USVs sind komplexe Systeme mit teils erheblichen Zusatzverlusten – durch geringere Wirkungsgrade und hohe Leerlaufverluste – wegen der kontinuierlichen Wandelung von AC auf DC für die Energiespeicher und zurück auf AC sowie im 24-V-Netzteil schließlich erneut auf DC bei der komfortabelsten und sichersten Variante, der Online-USV. Wird dagegen erst auf der DC-Seite gepuffert, fallen bei regulärer Netzversorgung nur geringe Zusatzverluste an, um den Energiespeicher geladen zu halten: Es wird nur einmal im Netzteil von AC auf DC gewandelt und bei Netzausfall kann der Energiespeicher unmittelbar oder über einen einfachen DC/DC-Wandler den Bus versorgen. Welcher Energiespeicher kommt für eine derartige DC-USV in Frage? Zunächst einmal klassische Akkumulatoren, ob in Blei-, NiMh- oder Lithium-Technologie. Diese können zum Abfangen von Spannungsausfällen im Netz teils über Dioden oder O-Ring-Baugruppen an den Bus gekoppelt werden, da sie von Voll ladung bis zur fast vollständigen Entladung eine nur geringfügig ab sinkende Spannung liefern. Sie können auch längere Ausfälle über brücken, benötigen jedoch auch länger, um nach einem Ausfall wieder die volle Kapazität zu erreichen. Sie sind optimal, um das System bei Ausfall der Netzversorgung kontrolliert herunterzufahren. Abfangen von Brownouts oder kurzer Blackouts Geht es dagegen vor allem um das Abfangen von Brownouts oder kurzer Blackouts, bis eine andere Anlage einspringt oder wenn die Steuerung ihre Daten schnell sichern kann, sodass eine kurze Überbrückungszeit ausreicht, so sind Kondensatoren als Energiespeicher sinnvoller, die alle verschleißarm sind, kurzfristig hohe Leistung liefern können und wesentlich schneller als Akkumulatoren wieder voll aufge laden werden können. Allerdings wird ein DC/DC-Wandler benötigt, wenn eine konstante Ausgangsspannung erforderlich ist, da die Spannung von Kondensatoren mit der Ent ladung deutlich absinkt. DC-UPS: All-in-One-Lösung mit Akkumulatoren Das DC-UPS-System von Adelsystem ist eine kompakte Lösung für 12-, 24- und 48-V-Hutschienensysteme mit einem Strombedarf von 3 bis zu 35 A mit Spitzenbelastbarkeit bis zum dreifachen Nennstrom. Diese „All-in-One“-USV-Lösungen enthalten neben der eigentlichen USV-Logik auch ein Netzteil und ein Batterieladegerät. Auch Backup- Batterien mit jeweils bis zu 7,2 Ah können mit auf die Hutschiene montiert werden. So kann statt nur eines klassischen Hutschienen-Netzteils an gleicher Stelle eine komplett ausfallsichere Hutschienen-Stromversorgung realisiert werden. Die All-in-One-USV sind nicht zur Versorgung einer kompletten Produktionsanlage gedacht, sondern um einzelne Subsysteme zur Steuerung auch bei Netzinstabilitäten oder -ausfall in Betrieb zu halten. Dabei entfallen die unnötigen Umwege klassischer USV, die zunächst aus Gleichspannung wieder Netzwechselspannung erzeugen. Ein weiterer Vorteil: Eine Störung an der Batterie beeinträchtigt zwar die USV-Funktion, bei vorhandener Eingangsspannung führt sie jedoch nicht zum Abschalten der Ausgangsspannung wie bei einer AC-Online-USV. Schließlich wird der Ladestrom je nach Leistungsbedarf des Verbrauchers dynamisch gesteuert: Bei geringer vom Verbraucher entnommener Leistung wird mehr zur Ladung der Batterie abgezweigt. Flexibles System Das System ist flexibel und kann sowohl mit Blei- und Nickel-Metallhydrid- als auch mit Lithium-Ionen- Akkumulatoren zusammenarbeiten und diese laden, managen und kontrollieren. Dabei wird eine Tiefentladung verhindert und die Ladung Adelsystem Bedienfeld und Webserver DPY351 156 PC & Industrie 9/2022

Stromversorgung TDK-Lambda Kondensator-Puffermodul in Open-Frame-Bauform der aktuellen Umgebungs- und Zellentemperatur angepasst. Ebenso werden Verpolung, Zellenkurzschluss und erhöhter Innenwiderstand erkannt. Spezielle Battery Care-Funktionen wie Diagnose und zu Temperatur und Innenwiderstand angepasste Ladung verlängern das Leben der Batterie. Voll ausgebaute Adelsystem DC-UPS mit dem Modbus RTU können zur Remote-Monitoring-Kommunikation zusätzlich mit einem Bedienfeld und Webserver DPY351 gekoppelt werden. Damit stehen über RS485, SNMP und Ethernet TCP/IP Logfunktionen, Monitoring, Alarmbenachrichtigung und zahlreiche Konfigurationsmöglichkeiten zur Verfügung. Der Weitbereichseingang deckt 115 und 230 V AC ab, eine dreiphasige Variante ist bereits in Planung. xBM20: USV-DC-Puffermodule mit Kondensatoren Die DBM20- und ZBM20-Puffermodule von TDK-Lambda arbeiten nicht mit Batterien, sondern de facto wartungsfrei mit Kondensatoren. DBM20- Module sind ebenfalls hutschienenmontierbar, die ZBM20-Variante dagegen als Open-Frame-Einbaumodule realisiert. Die Puffer module lassen sich gut mit den Open-Frame-Stromversorgungen der CUS-Serie beziehungsweise den DIN-Rail-Netzteilen der DRx-Serien des gleichen Herstellers kombinieren, doch selbstverständlich auch mit Produkten anderer Hersteller. Die Puffermodule können bei Maximallast mindestens 250 bzw. 380 ms Ausfall der Eingangsspannung eines 24-V-DC-Netzteils im DIN-Schienen- (49 mm Breite) bzw. Open-Frame-Gehäuse (175 x 85 x 57 mm) überbrücken. Sie sind damit ideal als Puffer kurzzeitiger Netzinstabilitäten oder für einen Spitzenlastbedarf von Verbrauchern, die an ein AC/DC-Netzteil angeschlossen sind. Es sind zusätzliche Überbrückungszeiten von 250 ms bei 448 W Ausgangsleistung möglich. Diese verlängern sich beispielsweise auf 2000 ms bei einer 2,5- bzw. 4-A-Last oder 14 Sekunden bei 0,25 A. Die verlängerte Überbrückungszeit ermöglicht ein sicheres Herunterfahren der Geräte und vermeidet Datenverluste bei Unterbrechungen der Wechselstromversorgung. Mögliche Anwendungsbereiche sind die industrielle Automatisierung, Robotik und Halbleiterfertigung. Um ein unbeabsichtigtes Entladen der gespeicherten Energie zu vermeiden, lässt sich der Ausgang mittels einer Remote-On/Off- Funktion sperren. Zur Fernüberwachung stehen sowohl ein DC-OK- Relais als auch Optokoppler-Ausgänge zur Statusüberwachung zur Ver fügung. Für noch längere Pufferzeiten lassen sich mehrere Module parallel schalten. Elektrolytkondensatoren Als Energiespeicher kommen Elektrolytkondensatoren zum Einsatz. Damit entfallen regelmäßige Wartungsintervalle zum Batterietausch und die Zuverlässigkeit wird wesentlich gesteigert. Mit DC/DC-Wandlern wird dabei die Speicherkapazität erhöht und die Ausgangsspannung konstant gehalten. Eine Einschaltstrombegrenzung und interne Sicherungen sind ebenfalls vorhanden. Die Sicherheitszulassung umfasst IEC/UL/CSA/EN 62368-1 mit CE-Kennzeichnung gemäß den Niederspannungs-, EMV- und RoHS-Richtlinien. Beim Modell mit 24-V-Ausgang kann mit einem Schalter zwischen zwei Betriebsmodi gewählt werden. Im „fixed Mode“ liefert das Modul Energie, sobald die Eingangsspannung auf eine fixe Schwelle von 22,4 V absinkt. Im „variable Mode“ liefert das Modul bereits Energie, sobald die Eingangsspannung um 1 V einbricht. Insgesamt sind hier Eingangsspannungen von 23 bis 30 V DC zulässig, der zulässige Arbeitstemperaturbereich geht von -20 bis +70 °C ohne Leistungsminderung. Es geht auch größer… Die interne Speicherspannung liegt in diesen Modulen übrigens bei bis zu 220 V DC, um die Elkos optimal auszunutzen und hohe Wirkungsgrade zu erreichen. Es gibt auch DC-USV- Lösungen mit noch höheren Speicherspannungen von 500 bis 1000 V, um direkt an Zwischenkreise anzukoppeln Es können also auch größere Anlagen und ganze Grid-Stromversorgungen zuverlässig und fast wartungsfrei mit Kondensatoren statt Batterien gegen Stromausfall oder Spitzenlasten abgesichert werden, dann allerdings natürlich nicht mehr als DIN-Rail- Lösung. Ein Beispiel ist hier die Hafenanlage in Genua, da dort die Trafo station die Spitzenlasten nicht liefern kann, wenn mehrere TDK-Lambda DIN-Rail-24-V- Kondensator-Puffermodul Verbraucher kurzfristig im selben Moment Strom ziehen. Welche Bauformen und Energiespeichertechnologien die Richtigen sind, kann jeweils individuell entschieden und umgesetzt werden, soll aber nicht mehr Bestandteil dieses Beitrags sein. Wer schreibt? Blockschaltbild eines DC-Bus-Puffers mit Kondensatoren Die HY-LINE Power Components ist spezialisiert auf alle Fragen und Produkte rund um Leistungselektronik, Stromversorgung und Energiespeicher. Große Erfahrung hat das Unternehmen mit den hier beschriebenen Systemen, die unterschiedlich arbeiten, aber beide zum direkten Aufschnappen auf die Hutschiene im Schaltschrank geeignet sind – samt Energiespeicher. Auch eine Variante zum direkten Einbau in eigene Geräte ist verfügbar. Es sind aber auch weitere, individuelle Lösungen bis zum Puffern großer Stromversorgungen und lokaler Netze und mit unterschiedlichsten Energiespeichern möglich. ◄ PC & Industrie 9/2022 157