Stromversorgung, Puffermodul oder USV?

Die Autorin: Anja Moldehn, Marketing & Communication, Phoenix Contact Power Supplies GmbH, Paderborn

Netzausfälle können unterschiedliche Ursachen haben und von wenigen Millisekunden bis zu mehreren Stunden dauern, wobei die meisten Unterbrechungen in Deutschland statistisch weniger als 200 ms betragen. Kurze Spannungseinbrüche zwischen 10 und 20 ms treten auf, wenn beispielsweise der lokale Energieversorger zwischen zwei Netzen umschaltet. Aufgrund einer schlechten Netzqualität entstehen Spannungseinbrüche bis etwa 4 s. Da Maschinen und Anlagen weltweit ausgeliefert werden, wird dies häufig zum Problem. Ein weiterer Grund für einen Ausfall dieser Zeitspanne liegt im Starten von Maschinen mit hoher Anlaufleistung im kundeneigenen Netz. Länger andauernde Unterbrechungen resultieren aus zerstörten Versorgungsleitungen oder anderen schwerwiegenden Fehlern.

Vor diesem Hintergrund bietet Phoenix Contact für die verschiedenen Anwendungen und Ausfallzeiten entsprechende Möglichkeiten an. Für Unterbrechungen bis 200 ms bei 40 A Laststrom oder 8 s bei 1 A Laststrom ist ein wartungsfreies Puffermodul erhältlich. Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) überbrücken Ausfälle von mehreren Stunden mit integrierten oder externen Energiespeichern.

Bei der Entwicklung des Energiespeichers sind unterschiedliche Anforderungen der Industrie berücksichtigt worden. Während für einige Anwendungen die Lebensdauer der USV-Lösung von größter Wichtigkeit ist, spielt bei anderen Applikationen die Pufferzeit oder die Umgebungstemperatur eine besondere Rolle. Deshalb gibt es verschiedene Speichertechnologien.

Maximale Pufferzeiten

Energiespeicher in Blei-AGM-Technologie (Absorbent Glass Mat) halten Lastströme von 10 A für acht Stunden respektive von 40 A für eine Stunde vor. Das Portfolio umfasst hier fünf Energiespeicher mit 1,3 bis 38 Ah. Zwei Module mit 13 Ah und 26 Ah arbeiten mit Reinblei-AGM-Technologie. Damit steigt die Lebensdauer von sechs bis neun Jahren auf 15 Jahre. Die Energiespeicher mit Reinblei-AGM-Technologie können zudem unter extremen Umgebungsbedingungen von – 40 °C bis 60 °C verwendet werden. Die Blei-Akkumulatoren kommen folglich überall dort zum Einsatz, wo hohe Ströme über einen langen Zeitraum gepuffert werden müssen.

Maximale Lebensdauer

Liegt der Fokus auf einer möglichst langen Lebensdauer, bieten sich CAP-Energiespeicher (Capacitor) mit Doppelschicht-Kondensatoren mit 10 kJ oder 20 kJ an. Sie halten Lastströme von 20 A für 33 Sekunden oder von 1 A für zwölf Minuten vorrätig. Die Module funktionieren mehr als 20 Jahre wartungsfrei und leisten dabei über 500 000 Ladezyklen bei Umgebungstemperaturen von – 40 °C bis 60 °C. Insbesondere schlecht zugängliche Anwendungen mit großen Temperaturschwankungen profitieren von diesen wartungsfreien Energiespeichern.

Hohe Lebensdauer bei langen Pufferzeiten

Der Lithium-Ionen-Energiespeicher mit 120 Wh zeichnet sich durch eine Kombination aus hoher Lebensdauer bei langen Pufferzeiten aus. Die Werte des Gerätes betragen 40 Minuten Pufferzeit bei einer Lebensdauer von 15 Jahren sowie 7000 Ladezyklen. Aufgrund seiner großen Leistungsdichte und kompakten Bauform eignet sich das Gerät besonders für Anlagen mit begrenzten Platzverhältnissen.

In Maschinen und Anlagen sind häufig Drehstrommotore im Einsatz, für die ein Frequenzumrichter die in der Frequenz und Amplitude veränderbare Wechselspannung bereitstellt. Wird ein Mehrmotorensystem genutzt, kommen häufig Einspeiseeinheiten zum Einsatz. Hier erzeugt ein Gleichrichtermodul die Zwischenkreisspannung, die mehrere Wechselrichter speist.

Die speziell für diesen Einsatzfall entwickelte Stromversorgung Quint Power 2AC/1DC wird an zwei Außenleiter des Drehstromsystems und an eine DC-Spannung angeschlossen. Dabei kann es sich um die DC-Zwischenkreisspannung eines Frequenzumrichters oder einer Einspeiseeinheit handeln. Kommt es zu einem Ausfall der dreiphasigen Versorgungsspannung, werden angeschlossene 24V-Verbraucher über die Zwischenkreisspannung unterbrechungsfrei weiter versorgt. Handelt es sich um eine Steuerung, ermöglicht dieses Konzept einen kontrollierten Maschinenstopp. So ist der schnelle und fehlerfreie Wiederanlauf der Maschine sofort bei Rückkehr der Versorgungsspannung gewährleistet. Aus der Energie des Zwischenkreises kann die 24V-Versorgung lange genug aufrechterhalten werden, um beispielsweise einen Industrie-PC kontrolliert herunterzufahren. Auf diese Weise lassen sich Werkzeuge in einen sicheren Zustand bringen und Maschinen fahren bei Rückkehr der Versorgungsspannung problemlos wieder an.

Die präventive Funktionsüberwachung zur Ferndiagnose sorgt für eine hohe Anlagenverfügbarkeit. Durch die ständige Kontrolle von Ausgangsspannung und -strom werden kritische Situationen via LED, potenzialfreiem Relaiskontakt und aktivem Signalausgang visualisiert und der Steuerung gemeldet, ehe ein Problem entsteht.

Stellt die Stromversorgung mehr als den angegebenen Nennstrom zur Verfügung, befindet sie sich im Power-Boost-Betrieb. Das Netzteil und die angeschlossenen Verbraucher arbeiten normal, die Ausgangsspannung beträgt 24 V DC. Käme es im Power-Boost-Betrieb zu einer weiteren Lasterhöhung, würde die 24-V-Versorgung einbrechen. Mit der präventiven Signalisierung kann der Anwender nun frühzeitig reagieren, sodass keine Fehler auftreten. Wird zum Beispiel ein Lastanstieg lokalisiert, kann dieser sofort geprüft und behoben werden, bevor andere Verbraucher Spannungseinbrüche verzeichnen. Zusätzliche Sicherheit bietet die Überwachung der DC-Eingangsspannung.

Fehler werden sich in der Produktion nie ganz vermeiden lassen, z.B. kann es zu Kurzschlüssen in der Verdrahtung oder Fehlfunktionen von Verbrauchern kommen. Trotzdem soll eine Maschine oder Anlage ohne Unterbrechung weiter arbeiten. Dabei spielt die Absicherung auf der Sekundärseite des 24V-Netzteils eine große Rolle. Mit der SFB Technology der Quint-Power-Stromversorgung und den darauf abgestimmten Geräteschutzschaltern ist die Produktion gesichert. I