Unterbrechungsfreie Stromversorgung Besonders kompakt: eine USV für die Hutschiene

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HY-LINE Power Components Vertriebs GmbH

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Es muss nicht immer eine große USV sein, um gegen Netzstörungen und Spitzenlasten abgesichert zu sein. Es gibt auch kleine Lösungen, die sogar auf die Hutschiene passen. Beispiele skizziert der Artikel.

Ein auch noch so kurzer Stromausfall in der Produktion kann fatale Folgen haben, mit gegebenenfalls langen Ausfallzeiten und hohen Kosten. Beispiel Spritzgieß-Maschine: Die konstante und exakte Temperierung in einer Kunststoff-Spritzgießmaschine ist Voraussetzung für Qualität und Produktivität. Fatal, wenn der Stromausfall dann auftritt, wenn das Werkzeug mit flüssigem Kunststoff befüllt wird oder wurde. Ohne Strom kann das Werkzeug nicht mehr öffnen und in kurzer Zeit härtet der Kunststoff im Werkzeug aus. Die Folge: Vor dem Wiederanlauf bzw. Neustart der Produktion muss das nicht geschmolzene Granulat und die bereits geschmolzene Kunststoffmasse restlos entfernt werden. Die Ausfallkosten sind immens, die Stillstandzeit der Maschine hoch. Hier ist eine geeignete Stromversorgung zwingend, um bei Stromausfall das Erkalten des Materials zu verhindern.

Geht es jedoch nicht um die Produktion, sondern die Steuerung der Maschine, ist dies deutlich zeitkritischer. Hier kann bereits eine Netzspannungsschwankung von wenigen Millisekunden zu ernsthaften Problemen und zum Ausfall der speicherprogrammierbaren Steuerung und damit der Maschine führen. Das System stabil in Betrieb zu halten verlangt keine großen Leistungen; es geht hier nur darum, die Steuerung stabil und funktionsfähig zu halten, nicht die ganze Anlage.

DC-USV: Im Vorteil gegenüber klassischen AC-Lösungen

Steuerungen für Industrieanlagen bzw. SPS nutzen in der Energieversorgung üblicherweise einen 24-VDC-Bus. Es ist wesentlich effizienter, deshalb die Aufrechterhaltung der Stromversorgung hier anzusetzen als auf der AC-Seite. USV-Systeme für die AC-Seite sind komplexe Systeme mit teils erheblichen Zusatzverlusten. Etwa durch geringere Wirkungsgrade, hohe Leerlaufverluste und große Konvertierungsverluste. Wird hingegen 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 ORing-Baugruppen an den Bus gekoppelt werden, da sie von Vollladung bis zur fast vollständigen Entladung eine nur geringfügig absinkende Spannung liefern. Sie können auch längere Ausfälle überbrücken, benötigen jedoch auch länger, um nach einem Ausfall wieder die volle Kapazität zu erreichen. Doch sind sie bestens geeignet, um das System bei Ausfall der Netzversorgung kontrolliert herunterzufahren.

Geht es dagegen vor allem um das Abfangen von Brownouts oder nur kurzer Blackouts bis eine andere Anlage einspringt oder damit die Steuerung ihre Daten schnell sichern kann, wozu eine kurze Überbrückungszeit ausreicht, dann sind Kondensatoren als Energiespeicher sinnvoll. Sie sind verschleißarm, können kurzfristig hohe Leistung liefern und wesentlich schneller wieder voll aufgeladen als als Akkumulatoren. Allerdings wird dazu ein DC/DC-Wandler benötigt, wenn eine konstante Ausgangsspannung erforderlich ist, da die Spannung von Kondensatoren mit der Entladung deutlich absinkt.

Lösungen, um kurze und lange Ausfälle zu überbrücken

Die HY-LINE Power Components bietet unter anderem die nachfolgend detaillierter beschriebenen Systeme an, 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 individuelle Lösungen bis zum Puffern großer Stromversorgungen und lokaler Netze und mit unterschiedlichsten Energiespeichern möglich.

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 sind mit dazu auf die Hutschiene montierbar. So kann statt nur eines klassischen Hutschienen-Netzteils an gleicher Stelle eine komplett ausfallsichere Hutschienen-Stromversorgung realisiert werden.

Die All-in-One-USV ist nicht zur Versorgung einer kompletten Produktionsanlage gedacht, sondern um einzelne Subsysteme zur Steuerung auch bei Netzinstabilitäten oder Netzausfall in Betrieb zu halten. Dabei entfallen die nicht nötigen Umwege klassischer USVs, die 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. Denn die AC-Online-USV erzeugt ständig eine eigene Netzspannung, mit der angeschlossene Verbraucher dauerhaft ohne Einschränkungen mit Netzspannung versorgt werden (zeitgleich wird die Batterie der AC-Online-USV aufgeladen). Bei der All-in-One-USV wird auch der Batterie-Ladestrom je nach Leistungsbedarf des Verbrauchers dynamisch gesteuert: bei geringer vom Verbraucher entnommener Leistung wird mehr Leistung zum Laden der Batterie genutzt.

Ein solches 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 entsprechend 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.

Eine voll ausgebaute Adelsystem DC-UPS mit Modbus RTU kann 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 VAC ab, eine dreiphasige Variante ist bereits in Planung.

USV-Puffermodule mit Kondensatoren

Die Puffermodule DBM20 und ZBM20 von TDK-Lambda verwenden keine Batterien, sondern de facto wartungsfreie Kondensatoren. DBM20-Module sind ebenfalls hutschie­nenmontierbar, die ZBM20-Variante dagegen ist als Open-Frame-Einbaumodule realisiert. Die Puffermodule 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.

Diese Puffermodule können bei Maximallast für mindestens 250 bzw. 380 ms den Ausfall der Eingangsspannung eines 24-VDC-Netzteils im DIN-Schienen- (49 mm Breite) bzw. Open-Frame-System (175 mm x 85 mm x 57 mm) überbrücken. Sie sind damit als Puffer kurzzeitiger Netzinstabilitäten oder für einen Spitzenlastbedarf von Verbrauchern gut geeignet, die an ein AC/DC-Netzteil angeschlossen sind. Es sind zusätzliche Überbrückungszeiten von 250 ms bei 448 W Ausgangsleistung möglich. Diese Zeit verlängert sich beispielsweise auf 2.000 ms bei einer 2,5- bzw. 4-A-Last oder auf 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 Verfügung. Für noch längere Pufferzeiten lassen sich mehrere Module parallelschalten.

Als Energiespeicher kommen Elektrolytkondensatoren zum Einsatz. Damit entfallen regelmäßige Wartungsintervalle zum Batterietausch. Das verbessert die Zuverlässigkeit. 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 mittels Schalter zwischen zwei Betriebsmodi gewählt werden: Im Fixed Mode liefert das Modul dann 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 VDC zulässig, der zulässige Arbeitstemperaturbereich geht von –20 bis +70 °C ohne Leistungsminderung.

Die interne Speicherspannung liegt in diesen Modulen übrigens bei bis zu 220 VDC, um die Elkos optimal auszunutzen und hohe Wirkungsgrade zu erreichen. Es gibt auch DC-USV-Lösungen mit noch höheren Speicherspannungen von 500 bis 1.000 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 Trafostation die Spitzenlasten nicht liefern kann, wenn mehrere Verbraucher kurzfristig im selben Moment Strom ziehen. Welche Bauformen und Energiespeichertechnologien die Richtigen sind, ist jeweils individuell zu entscheiden und umzusetzen.

* * Wolf-Dieter Roth ... ist technischer Redakteur bei HY-LINE Power Components.

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