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Industrielle Netzgeräte basierend auf Buswandlern mit festem Übersetzungsverhältnis

Vorteile in Ein- und Dreiphasigen Systemen

7. Januar 2016, 9:12 Uhr | Maurizio Salato

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Einphasige Systeme: vorgeschlagene Architektur

Hier wird davon ausgegangen, dass im Normalbetrieb vom System keine geregelte zweite Stufe benötigt wird, da die AC/DC-Stufe bereits eine ausreichende Vorregelung zur Verfügung stellt. Benötigt wird nur noch ein Buswandler mit einer Hilfsstufe zur Kompensation der Restwelligkeit (Bild 4).

Der Buswandler setzt die Ausgangsspannung der AC/DC-Stufe herab (oder herauf) und liefert die benötigte galvanische Trennung. Ein in Reihe zu dessen Ausgang geschalteter kleiner DC/DC-Wandler kompensiert aktiv die Netzrestwelligkeit, welche vom Buswandler mit dem entsprechenden Übersetzungsverhältnis transformiert und damit herabgesetzt wird. Die Überlegungen zu der installierten Kapazität gelten weiterhin, jetzt übernimmt aber für die meiste Zeit die AC/DC-Stufe die Lastregelung. Buswandler besitzen in der Regel einen um 1,5 % – 5 % höheren Wirkungsgrad und eine zwei bis dreifache höhere Leistungsdichte als DC/DC-Wandler. Da jetzt der größte Anteil der Leistung (über 85%) im Buswandler umgesetzt wird, ergibt sich außerdem auf Systemebene eine deutliche Verbesserung bei Wirkungsgrad und Leistungsdichte.

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Betrachtet man jetzt wieder das Telekom Netzgerät mit einem 1 mF, 450 V Elektrolytkondensator, ergibt sich bei einem Netzausfall an diesem Kondensator eine minimale Spannung von 358 V. In diesem Fall muss der DC/DC-Wandler eine Spannung von 48V – 358V/8 = 3,5V liefern, was bei einem Ausgangsstrom von 25 A eine Leistung von weniger als 90 W bedeutet. Da diese DC/DC-Stufe nur 2 – 4 % der gesamten Leistung liefern muss, beeinflusst auch ein relativ ineffizientes Design nicht die Gesamtwerte, da diese zum Großteil von den Eigenschaften des Buswandlers bestimmt werden.

Diese Buswandler sind von sich aus bidirektional und haben die Eigenschaften eines Breitbandübertragers. Daher kann die Energiespeicherung sowohl auf der Primärseite (Hochspannung) als auch auf der Sekundärseite (Niederspannung) erfolgen (Bild 5). Im Gegensatz zu Standardtopologien bietet dies dem Entwickler neue Auswahlmöglichkeiten bei den Komponenten und schließt Ultrakondensatoren und extrem kompakte Batterien mit ein.

Die Speicherung auf der Sekundärseite schützt die dafür verwendeten Komponenten auch vor Netztransienten und erhöht damit nicht nur deren Lebensdauer sondern reduziert auch die Notwendigkeit eines massiven Deratings.

3-phasige Systeme

Wie oben gezeigt muss bei einphasigen Systemen die notwendige Energie gepuffert werden, um auch beim sinusförmigen Verlauf der vom Netz verfügbaren Energie die DC Last konstant mit Energie zu versorgen. Dies bedeutet einen konstanten niederfrequenten Stromfluss durch die Speicherelemente. Im Gegensatz dazu können 3-phasige Netzgeräte auch im regulären Betrieb bereits einen konstanten Energiefluss zur Verfügung stellen und die funktionale Filterung reduziert sich auf die stromschaltenden Elemente im Wandler.

Bild 6 zeigt wie verfügbare Speicherelemente (Kondensatoren und Batterien) die Anforderungen an eine Stromversorgung in Bezug auf Speicherdichte und elektrische Zeitkonstante erfüllen. Wie oben erwähnt kann in diesem Fall die Filterung der Netzrestwelligkeit zu einem Großteil reduziert werden. Zusätzlich verlangen immer mehr Systeme Überbrückungszeiten nicht nur für einen kurzen Netzausfall sondern für eine Zeitspanne von typischerweise bis zu eine Minute, nach der Generatoren für eine sichere Energieversorgung zur Verfügung stehen. Dies bietet die Möglichkeit, alle Pufferelemente mit mittlerer Speicherdichte zu eliminieren.

Hierbei ergibt sich eine potentielle Herausforderung: Was passiert beim Ausfall einer Phase? Tatsächlich müssen beim Wegfall einer Phase in einem 3-phasigen System die Filterkondensatoren den Netzwechselstrom zur Verfügung stellen, der sonst aus dem Wandlerbereich kommen würde, welcher vom ausgefallenen Zweig versorgt wird. Wird die oben erwähnte Zeitspanne als Überbrückungszeit gefordert, kann der Wandler relativ einfach gesteuert werden. Dieser Phasenausfall wird wie ein kompletter Netzausfall betrachtet, der Wandler abgeschaltet und die nachgeschalteten Batterien oder Ultra-Kondensatoren übernehmen die Energieversorgung.