Zuverlässige Stromversorgung

Mehr als nur einfache AC/DC- und DC/DC-Wandlung

22. März 2023, 9:51 Uhr | Von Bill Schweber, nordamerikanischer Fachredakteur von Digi-Key

Bild 1: In vielen Anlagen muss ein Stromversorgungs-Subsystem den Bedarf mehrerer Stockwerke decken und gleichzeitig einen Akku aufladen und entladen, wenn die primäre Stromversorgung ausfällt.

Mean Well präsentiert mit den Netzteilfamilien DRS 240 und DRS 480 Stromversorgungen für Brandschutz- und Gebäudesicherheitssysteme einschließlich Notkommunikationseinrichtungen. Als kompakte Produkte für die Hutschiene vereinfachen die DRS-Geräte die Dokumentation, die Installation und den Betrieb.

Wohn-, Geschäfts- und Industriekomplexe, die automatisiert werden, müssen ein breites Spektrum an Sicherheits- und Notfallkommunikationssystemen enthalten, um den Versicherungsanforderungen und den örtlichen Bauvorschriften zu genügen und um eine Baugenehmigung zu erhalten. Ein gemeinsamer Faktor dieser Systeme ist, dass sie alle eine Wechselstromversorgung benötigen, um Gleichstrom mit niedrigerer Spannung zu erzeugen, und dass sie alle ein äußerst zuverlässiges Batterie-Backup benötigen.

Nur eine einfache AC/DC-Stromversorgung und ein Backup-System bereitzustellen ist jedoch für moderne Gebäude und Standards nicht ausreichend. Ein umfassendes, normgerechtes System benötigt verschiedene eindeutige Alarmmeldungen, die über Schalterschließungen bereitgestellt werden, um bestimmte interne und externe Fehlerzustände zu signalisieren. Darüber hinaus müssen die Systeme in modernen »intelligenten« Gebäuden verschiedene Arten der Konnektivität sowie Flexibilität bei der Montage und den Betriebsmodi unterstützen, wenn sie den Anforderungen verschiedener Installationen, Batterietypen und anderer Variablen gerecht werden sollen.

Es ist möglich, die für die AC/DC- oder DC/DC-Stromversorgung, das Aufladen und die Verwaltung der Akkus sowie die Systemüberwachung, das Management und die Alarmsteuerung erforderlichen Komponenten aus verschiedenen Teilsystemen zusammenzustellen. Im Ergebnis kann ein für die Anwendung vollständig optimiertes Design dabei herauskommen. Aber zu welchem Preis? Es ist zeitaufwendig, kostspielig und lenkt von der eigentlichen Aufgabe ab. Der Entwurf muss außerdem von den zuständigen Aufsichtsbehörden zertifiziert werden, was die Kosten und die Entwicklungszeit erhöht.

Eine Alternative ist die Verwendung eines integrierten Komplettnetzteils, das die wichtigsten Leistungsanforderungen erfüllt und gleichzeitig die Nachteile einer Neuentwicklung vermeidet.

In diesem Artikel werden die Anforderungen an Energiesysteme für die Gebäudeautomation erörtert, bevor integrierte Stromversorgungen von Mean Well vorgestellt werden. Der Artikel befasst sich mit den Merkmalen und der Anwendung dieser hochentwickelten, intelligenten Leistungssubsysteme und zeigt, wie sie eine nahtlose Funktionsintegration sowie Flexibilität und Programmierbarkeit der Parameter bieten.

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Neue Anforderungen an Gebäudemanagement- und Sicherheitsstromsysteme

Vom Stromversorgungssystem eines Büros oder eines großen Wohngebäudes wird heute erwartet, dass es viele Funktionen unterstützt, von denen einige für einen effizienten Betrieb erforderlich sind und andere aus Sicherheitsgründen vorgeschrieben sind. Zu den Funktionen, die eine Stromschienenunterstützung erfordern, gehören

Feuermelder und Brandschutzsysteme
Ausrüstung für die Notfallkommunikation
Notbeleuchtung (aufgrund eines Brandes oder eines anderen Stromausfalls)
Zugangskontrollsysteme für Gebäude
zentrale Brandmelde- und Sicherheitsüberwachungsanlage

Je nach Größe des Gebäudes muss das Stromversorgungs-Subsystem kritische Funktionen über mehrere Stockwerke hinweg unterstützen und bidirektional sein, wobei die primäre Wechselstromleitung (oder Gleichstromleitung) den Akku auflädt, wenn diese Option verfügbar ist, und der Akku die verschiedenen Lasten und Subsysteme unterstützt, wenn die primäre Leitung nicht verfügbar ist (Bild 1).

Ein wichtiger Aspekt ist das Laden und Verwalten des Backup-Akkus, der für seine kritische Rolle als unterbrechungsfreies Stromversorgungssystem (USV) ordnungsgemäß überwacht werden muss. Hier gibt es keine einheitliche beste Vorgehensweise, da Akkus mit unterschiedlichen elektrischen Kapazitäten und Typen weit verbreitet sind, darunter Lithium- und Bleisäurebatterien, die jeweils ihre eigenen Lade-/Entladerichtlinien haben.

Darüber hinaus gibt es viele Normen und Bauvorschriften, die zusätzlich zu den herkömmlichen für jede AC/DC- oder DC/DC-Versorgung erfüllt werden müssen. Aufgrund der Zunahme fortschrittlicher Gebäudearchitekturen und der Erkenntnis, was die Technologie in intelligenten Gebäuden leisten kann, haben Behörden in Europa, den USA und China Sicherheitsvorschriften für Sicherheits- und Brandschutzsysteme erlassen, unter anderem:

Europäisches Komitee für Normung (CEN) – EN 54-4: Feuermelde- und Feueralarmsysteme – Teil 4: Stromversorgungseinrichtungen (britische Norm: BS EN 54-4)
Vereinigte Staaten – UL2524: ANSI/CAN/UL-Norm für gebäudeinterne 2-Wege-Notfunk- Kommunikationsverstärkungssysteme
Vereinigte Staaten – National Fire Protection Association NFPA 1221: Standard für die Installation, Wartung und Nutzung von Kommunikationssystemen für Notdienste
China – GB 17945-2010: Brandnotbeleuchtung und Evakuierungsanzeigesystem

Hinzu kommen die üblichen grundlegenden Sicherheitsvorschriften für Wechselstrom sowie Normen für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) (leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen, Oberschwingungsströme und Spannungsflicker) gemäß EN 55032 (CISPR32) und EN 61000-3-2 sowie für EMV-Immunität (elektrostatische Entladung (ESD), abgestrahlte Emissionen, EFT-Bursts, Überspannungen, leitungsgebundene Störungen und Magnetfelder) gemäß EN 61000-4.

All diese Anforderungen zusammen-genommen bedeuten, dass eine Stromversorgungseinheit (PSU) mehr ist als nur eine einfache AC/DC- oder DC/DC-Versorgung. Sie muss mehrere Funktionen mit einem hohen Maß an Zuverlässigkeit und Leistung bereitstellen, überwachen, verwalten und unterstützen, wie in Bild 2 dargestellt.

Verpackung und Montage

Physikalische Größe, Betriebstemperaturbereich, Kühlung und Montage sind ebenfalls wichtige Faktoren für ein Netzteil. Diese Geräte sind in der Regel in einem Abstellraum untergebracht, in dem oft nur wenig Platz und Kühlung vorhanden ist. Neben dem Netzteil und dem Akku können in diesem Schrank auch Daten- und Telekommunikationsgeräte für das Gebäude wie Switches und Router untergebracht werden, sodass der Platz knapp ist und die bequeme Rack-Montage ein attraktives Merkmal darstellt.

Integrierte Stromversorgungen für das Energiemanagement

Mean Well bietet das DRS-240-12, ein 12-V-/20-A-Komplettgerät für 240 Watt, sowie ein größeres Modell, das DRS-480-24, ein 24-V-/20-A-Gerät für 480 Watt, an, um die Anforderungen von Gebäudeautomationsdesignern hinsichtlich Leistung, Formfaktor, Montage und Designvereinfachung zu erfüllen. Andere Geräte der Serie DRS-240 bieten verschiedene Spannungs-/Strom-kombinationen: 24 V/10 A, 36 V/6,6 A und 48 V/5 A; für die Serie DRS-480 sind die Kombinationen 36 V/13,3 A und 48 V/10 A verfügbar.

Sowohl die Geräte DRS-240 als auch die Geräteserie DRS-480 lassen sich direkt auf weit verbreiteten Hutschienen des Typs TS-35/7,5 oder 15 montieren, die dem Industriestandard entsprechen. Dies vereinfacht die Montage und ermöglicht es, dass andere Systeme und deren Gehäuse problemlos daneben montiert werden können. Das Hutschienendesign bedeutet außerdem, dass sich alle Anschlüsse, Indikatoren und Anzeigen an der Vorderseite befinden, ohne dass eine Rückwand oder gar ein seitlicher Zugang erforderlich ist. Dies ist ein Vorteil bei der Planung der Verkabelung, der Installation, der Konfiguration, der Prüfung und der Neuverkabelung, falls erforderlich.

Da der verfügbare Platz in diesen Schränken jedoch knapp bemessen ist, wird ein kompakter PSU-Formfaktor benötigt. Im Fall der DRS-240-Geräte betragen die Geräteabmessungen nur 86 × 125 × 129 mm3 (Breite × Höhe × Tiefe), bei den DRS-480-Geräten sind es 110 × 125 × 151 mm3.

Eine Herausforderungen in diesen Schränken stellen auch die Umgebungsbedingungen für die kurz- und langfristige Performance dar. Alle Mitglieder der DRS-Familien sind für den Betrieb bei –30 bis +70 °C und 20 bis 90 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit (RH) ohne Kondensation bei freier Luftkonvektion ausgelegt. Die Zuverlässigkeit der DRS-240-Geräte wird mit mindestens 564.700 Stunden gemäß Telcordia SR-332 (Bellcore) und mindestens 73.300 Stunden gemäß MIL-HDBK-217F (bei 25 °C) angegeben; die entsprechenden Zahlen für die DRS-480-Geräte liegen nur geringfügig darunter.