DC-USV für die Hutschiene

Gegen Unterbrechungen gewappnet

15. Juli 2022, 9:00 Uhr | Von Wolf-Dieter Roth
Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) in der Automatisierung. Dafür eignen sich dezentrale DCUSV-Systeme besser, um SPS-Steuerungen vor Stromausfall zu schützen. Diese lassen sich mit auf der Hutschiene in den Schaltschrank integrieren
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Bei einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) denken viele an riesige Installationen. Aber in der Automatisierung eignen sich dezentrale DC-USV-Systeme besser, um SPS-Steuerungen vor Stromausfall zu schützen. Die DC-USV lassen sich mit auf der Hutschiene in den Schaltschrank integrieren.

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, sind noch nicht geschmolzenes Granulat und bereits geschmolzene und nun in der Maschine erstarrte Kunststoffmasse restlos zu entfernen, bevor die Maschine wieder anlaufen und die Produktion wieder starten kann. Hier ist es also sinnvoll, ein leistungsfähiges System zu haben, das bei Stromausfall einspringen kann, sodass es gar nicht erst dazu kommt, dass solch ein Material erstarrt.

Geht es jedoch nicht um die Produktion, sondern um die Steuerung der Maschine, ist dies zudem zeitkritisch. Hier kann bereits eine Netzspannungsschwankung von wenigen Millisekunden zu Problemen führen, sodass die SPS und damit die Maschine ausfällt. Dafür sind keine Kilowatt notwendig. Es geht hier nur darum, die Steuerung stabil und funktionsfähig zu halten, nicht die ganze Anlage.

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DC-USV statt AC-Versorgung

Steuerungen von Industrieanlagen laufen üblicherweise an einem Gleichspannungsbus mit 24 V. Deshalb ist es wesentlich effizienter, dort anzusetzen als auf der AC-Seite. AC-USV-Anlagen sind komplexe Systeme mit teils erheblichen zusätzlichen Leistungsverlusten – durch geringere Wirkungsgrade und hohe Leerlaufverluste. Denn bei der komfortabelsten und sichersten Variante, der Online-USV, wird kontinuierlich Wechsel- auf Gleichspannung für die Energiespeicher gewandelt und zurück in Wechselspannung, die dann in einem Netzteil in der Anlage schließlich erneut auf 24 V Gleichspannung gewandelt wird, um die Steuerung zu versorgen.

Erfolgt die Pufferung dagegen erst auf der DC-Seite, fallen bei regulärer Netzversorgung nur geringe zusätzliche Verluste 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.

Doch welcher Energiespeicher kommt für eine derartige DC-USV infrage? Zunächst einmal klassische Akkumulatoren, ob in Blei-, Nickel-Metallhydrid- (NiMh) oder Lithium-Ionen-Technologie. Diese lassen sich teils über Dioden oder ORing-Baugruppen an den Bus koppeln, da die Batteriespannung von Vollladung bis zur fast vollständigen Entladung nur geringfügig absinkt. Sie können auch längere Ausfälle überbrücken, benötigen jedoch auch länger, um nach einem Ausfall wieder voll aufgeladen zu werden. Sie eignen sich optimal, um das System bei Ausfall der Netzversorgung kontrolliert herunterzufahren.

Geht es dagegen vor allem um das Abfangen von Brown-outs oder kurzen Black-outs, sodass eine kurze Überbrückungszeit ausreicht, sind Kondensatoren als Energiespeicher sinnvoller, damit die Steuerung ihre Daten schnell sichern und in einen sicheren Zustand fahren kann oder eine andere Anlage zur Überbrückung einspringt. Denn Kondensatoren sind durchweg verschleißarm, können kurzfristig hohe Leistungen liefern und lassen sich wesentlich schneller als Akkumulatoren wieder voll aufladen. Diese benötigen allerdings einen nachgeschalteten DC-DC-Wandler, um eine konstante Ausgangsspannung zu gewährleisten, da die Spannung an Kondensatoren mit der Entladung naturgemäß absinkt.

Hy-Line Power Components bietet unter anderem die im Folgenden detaillierter beschriebenen Systeme an, die unterschiedlich arbeiten, sich aber auf die Hutschiene im Schaltschrank direkt aufschnappen lassen – samt Energiespeicher. Auch eine Variante zum direkten Einbau in eigene Geräte ist verfügbar. Es sind aber auch individuelle Lösungen bis hin zum Puffern großer Stromversorgungen und lokaler Netze und mit unterschiedlichsten Energiespeichern möglich.

All-in-One-USV mit Akkumulatoren

Das DC-USV-System von Adelsystem ist ein kompaktes Produkt für 12-, 24- und 48-V-Hutschienensysteme mit einem Strombedarf von 3 A bis zu 35 A und mit Spitzenbelastbarkeit bis zum dreifachen Nennstrom (Bild 1). Neben der eigentlichen USV-Logik enthalten diese All-in-One-Geräte auch ein Netzteil und ein Batterieladegerät. Auch Back-up-Batterien mit jeweils bis zu 7,2 Ah lassen sich mit auf die Hutschiene montieren. So kann statt nur eines klassischen Hutschienen-Netzteils an gleicher Stelle eine komplett ausfallsichere Stromversorgung realisiert werden.

Verschiedene All-in-one-USV-Modelle von Adelsystem für die Hutschiene
Bild 1. Verschiedene All-in-one-USV-Modelle von Adelsystem für die Hutschiene.
© Hy-Line Power Components

Eine All-in-One-USV soll nicht eine komplette Produktionsanlage versorgen können, sondern auch bei Netzinstabilitäten oder -ausfall einzelne Subsysteme zur Steuerung in Betrieb halten. Bei vorhandener Eingangsspannung führt selbst eine Störung an der Batterie nicht dazu, dass die Ausgangsspannung abfällt wie bei einer klassischen AC-Online-USV, sondern allein die USV-Funktion ist beeinträchtigt. Der Ladestrom wird je nach Leistungsbedarf der Last dynamisch gesteuert: Entnimmt diese wenig Energie, steht mehr zur Verfügung, um die Batterie nachzuladen.

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. Eine Tiefentladung wird dabei verhindert und die Ladung der aktuellen Umgebungs- und Zellentemperatur angepasst. Ebenso werden Verpolung, Zellenkurzschluss und erhöhter Innenwiderstand erkannt. Spezielle Battery-Care-Funktionen wie Diagnose und eine hinsichtlich Temperatur und Innenwiderstand angepasste Ladung verlängern das Leben der Batterie.

Über den Webserver DPY351 und das Bedienpanel lassen sich die DC-USV-Modelle von Adelsystem steuern
Bild 2. Über den Webserver DPY351 und das Bedienpanel lassen sich die DC-USV-Modelle von Adelsystem steuern.
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Voll ausgebaute DC-USV-Systeme von Adelsystem lassen sich mit Modbus RTU zur Remote-Monitoring-Kommunikation zusätzlich mit einem Bedienfeld und Webserver DPY351 koppeln (Bild 2). Damit stehen über RS-485, SNMP und Ethernet-TCP/IP Logfunktionen, Monitoring, Alarmbenachrichtigung und zahlreiche Konfigurationsmöglichkeiten zur Verfügung. Der Weitbereichseingang deckt 115 V und 230 V Netzspannung ab; eine dreiphasige Variante ist bereits in Planung.

Puffermodule mit Kondensatoren

Das DIN-Rail-Puffermodul DBM20 von TDK-Lambda nutzt Elektrolytkondensatoren statt Akkumulatoren als Energiespeicher
Bild 3. Das DIN-Rail-Puffermodul DBM20 von TDK-Lambda nutzt Elektrolytkondensatoren statt Akkumulatoren als Energiespeicher.
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Die Puffermodule DBM20 und ZBM20 von TDK-Lambda arbeiten nicht mit Batterien, sondern de-facto wartungsfrei mit Kondensatoren. Die 49 mm breiten DBM20-Module (Bild 3) lassen sich ebenfalls auf der Hutschiene montieren, die ZBM20-Varianten (175 mm × 85 mm × 57 mm) dagegen sind als Open-Frame-Einbaumodule realisiert (Bild 4). 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, aber selbstverständlich auch mit Produkten anderer Hersteller.

Das Kondensator-Puffermodul ZBM20 von TDK-Lambda liegt in Open-Frame-Bauform vor und lässt sich daher in ein Kundensystem integrieren
Bild 4. Das Kondensator-Puffermodul ZBM20 von TDK-Lambda liegt in Open-Frame-Bauform vor und lässt sich daher in ein Kundensystem integrieren.
© Hy-Line Power Components

Die Puffermodule können bei maximaler Last einen Ausfall an der Eingangsseite mindestens 250 ms bzw. 380 ms lang überbrücken. Somit eignen sie sich besonders als Puffer bei kurzzeitigen Netzinstabilitäten oder für einen Spitzenlastbedarf von Verbrauchern, die an ein Netzteil angeschlossen sind. Zusätzliche Überbrückungszeiten von 250 ms bei 448 W Ausgangsleistung sind möglich. Diese verlängern sich beispielsweise auf zwei Sekunden bei einer 2,5- bzw. 4-A-Last oder 14 Sekunden bei 0,25 A. Durch die verlängerte Überbrückungszeit lassen sich Systeme sicher herunterfahren und Datenverluste vermeiden. Mögliche Anwendungsbereiche sind die industrielle Automatisierung, Robotik und Halbleiterfertigung.

Blockschaltbild eines DC-Bus-Puffers mit Kondensatoren
Bild 5. Blockschaltbild eines DC-Bus-Puffers mit Kondensatoren.
© Hy-Line Power Components

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 (Bild 5). Für noch längere Pufferzeiten lassen sich mehrere Module parallelschalten.

Als Energiespeicher kommen Elektrolytkondensatoren zum Einsatz. Damit entfallen regelmäßige Wartungsintervalle zum Batterietausch, und die Zuverlässigkeit steigt wesentlich. Mit einer internen Speicherspannung von bis zu 220 V erhöhen DC-DC-Wandler die Speicherkapazität, um die Kondensatoren optimal auszunutzen (E=½∙CU²) und hohe Wirkungsgrade zu erreichen, und sie halten die Ausgangsspannung konstant. 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 feste Schwelle von 22,4 V absinkt. Im Variable Mode liefert das Modul bereits Energie, sobald die Eingangsspannung um 1 V einbricht. Insgesamt sind Eingangsspannungen von 23 V bis 30 V zulässig; der Arbeitstemperaturbereich reicht von –20 °C bis +70 °C ohne Leistungsminderung (Derating).

Es darf auch deutlich mehr sein

Es gibt auch DC-USV-Geräte mit noch höheren Speicherspannungen von 500 V bis 1000 V, um sie 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 nicht mehr auf DIN-Rail.

Ein Beispiel dafür ist die Hafenanlage in Genua (Italien), 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, kann jeweils individuell entschieden und umgesetzt werden.

 

Der Autor

 

Wolf Dieter Roth von Hy-Line Power Components
Wolf Dieter Roth von Hy-Line Power Components.
© Hy-Line Power Components

 

Wolf-Dieter Roth

technischer Redakteur bei Hy-Line Power Components.


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