Redundant aufgebaute Stromversorgungs

Redundant aufgebaute Stromversorgungs-Konzepte
Wichtiger Beitrag zu einer hohen Verfügbarkeit
Dipl.-Ing. Anja Moldehn, Marketing Communication Power Supplies, Phoenix Contact Electronics
GmbH, Bad Pyrmont
In jeder industriellen Branche ist eine hohe Verfügbarkeit der weltweit installierten Maschinen
und Anlagen wesentliche Voraussetzung für den
Unternehmenserfolg. Denn nur durchgängig versorgte Schaltschrank-Komponenten steigern die
Wirtschaftlichkeit der Applikation. Daher setzen
Anwender zunehmend redundante Stromversorgungs-Konzepte ein, die häufig mit Redundanzmodulen kombiniert werden (Aufmacher).
Stromversorgungen werden überall dort redundant verbaut, wo Stillstandzeiten unbedingt zu
vermeiden sind. Für einen Verbraucher mit 20 A
Nennstrom bedeutet dies beispielsweise, dass
zwei Stromversorgungen mit je 20 A ausgangsseitig parallel geschaltet sind. Kommt es bei einem der Netzteile zu einem internen Defekt oder
zum Ausfall der primärseitigen Netzspannungsversorgung, übernimmt das zweite Gerät automatisch die Belieferung der Last. Dazu müssen
die Stromversorgungen so dimensioniert sein,
dass der gesamte Strombedarf der angebundenen Verbraucher in allen Betriebszuständen von
einem Netzteil abgedeckt werden kann.
Berücksichtigung aller möglichen Fehlerquellen pelt. Das zweite Netzteil beliefert so weiterhin die
Last und speist nicht in den Kurzschluss. Ohne
Um die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls auf ein Entkopplung würde die Last nicht mehr versorgt,
Minimum zu reduzieren, gilt es sämtliche mög- da der Strom der redundanten Stromversorgung
lichen Fehlerquellen zu berücksichtigen. Nach- in den Kurzschluss fließt.
folgend sind deshalb potentielle Ursachen für
Störungen in einem redundanten Stromversor- • Kabelbruch zwischen dem Netzteil und dem
gungs-Aufbau beschrieben sowie entsprechen- Redundanzmodul (5)
de Lösungen aufgeführt (Abb. 1):
Indem die Eingangsspannung am Redundanzmodul überwacht wird, fällt ein Fehler in der Ver• Fehler in einer Phase der primärseitigen drahtung sofort auf. Nachdem er behoben worSpannungsversorgung (1)
den ist, arbeiten die Stromversorgungen wieder
Die parallel angeschlossenen Netzteile werden redundant.
an unterschiedlichen Phasen betrieben. Auf diese Weise hat die Störung oder der Ausfall einer • Interner Defekt im Redundanzmodul (6)
Phase keinen Einfluss auf die Belieferung der Eine Selbstüberwachung meldet interne Fehler,
Last.
sodass das schadhafte Gerät umgehend ausgetauscht werden kann.
• Kurzschluss oder Kabelbruch in der zuführenden Leitung zur Stromversorgung (2) oder • Kabelbruch zwischen dem RedundanzmoAusfall eines Netzteils (3)
dul und der Last (7)
Beide Fehlerursachen beeinträchtigen die Ver- Um die Verfügbarkeit der angebundenen Last zu
sorgung der Last nicht. Eine Redundanz liegt vor, erhöhen, sollte auch die Verdrahtung bis zum Verweil die zweite Stromversorgung die gesamte braucher redundant ausgeführt sein. Bieten alle
Last weiter beliefern kann, sofern das andere Ge- Module zwei Plus-Ausgangsklemmen, ist eine
rät keine Ausgangsspannung mehr zur Verfügung einfache und schnelle Installation sichergestellt.
stellt.
• Zu hoher Laststrom – entweder durch eine
• Kurzschluss zwischen Stromversorgung fehlerhafte Last oder die nachträgliche Ergänund Redundanzmodul (4)
zung durch weitere Verbraucher (8)
In diesem Fall reicht der parallele Betrieb von zwei In diesem Fall schaffen die Überwachung des
Netzteilen nicht aus. Es ist vielmehr eine Diode Laststroms und das Verschicken einer Warnmeloder ein Redundanzmodul notwendig, das die dung, sobald ein eingestellter Wert überschritten
beiden Stromversorgungen voneinander entkop- ist, Abhilfe.
Abb. 1 I Mögliche Fehlerquellen

versorgendes
Netz

 Stromversorgung 1
Stromversorgung 2



Redundanzmodul
 I1
I2 
Last
ΣLaststrom=I1+I2
 bis  sind
mögliche Fehlerquellen
Überwachung des Laststroms
module umfasst daher Oring-Geräte mit einer
Funktion, die den Anwender bei Überlast inforEin Beispiel verdeutlicht den Vorteil, der sich aus miert. Dies geschieht erst nach vier Minuten Verder Kombination von Laststrom-Überwachung zögerungszeit, damit hohe Ströme, die zum Beiund Warnmeldung ergibt (Abb. 2). Schließt der spiel durch das Anlaufen von Motoren entstehen,
Anwender bei einer Anlagenerweiterung zusätzli- nicht als dauerhafte Überlast gemeldet werden.
che Lasten an eine redundante Stromversorgung
an, kann dies zum Verlust der Redundanz führen.
Verdopplung der
Lebensdauer
Abb. 2 I Überwachung des Laststroms
Durch Unsymmetrien –
also die ungleichmäßige Einstellung der
Ausgangsspannungen
– speist oftmals lediglich ein Netzteil die
Last, während das andere Gerät im Leerlauf
arbeitet. Dies führt zu
einer thermischen Belastung der speisenden
Stromversorgung und
somit zu einer schnelleren Alterung. Werden Netzteile jeweils
nur mit dem halben
Nennstrom betrieben,
sinkt ihre Temperatur
um rund 10°C und die
Lebensdauer
erhöht
sich beträchtlich. Die
von Phoenix Contact
entwickelte und in die
Oring-Module
integrierte Auto Current
Balancing Technology
(ACB) verdoppelt die
Lebensdauer des Stromversorgungs-Systems,
indem beide Netzteile gleichmäßig ausgelastet
werden. Zu diesem Zweck arbeiten die Module mit Mosfets statt der herkömmlichen Schottky- oder Silizium-Dioden. Die Mosfets regeln
Eingangsspannungs-Differenzen bis zu 300 mV
aus. Der Laststrom teilt sich automatisch vollkommen symmetrisch auf. Zudem lässt sich im
Vergleich zu herkömmlichen Lösungen bis zu
70 Prozent Energie einsparen. Die geringe Verlustleistung sorgt darüber hinaus dafür, dass alle
Schaltschrank-Komponenten kühler bleiben.
Eine Steuerung, die 5 A benötigt, wird beispielsweise von zwei redundanten Netzteilen mit je 5 A
Nennstrom versorgt. Nun koppelt der Anwender
eine weitere Last mit 3 A an. Aufgrund ihrer Leistungsreserve liefert die Stromversorgung problemlos 8 A, ohne dass ein Spannungseinbruch zu
verzeichnen ist. Allerdings liegt keine Redundanz
mehr vor. Fällt jetzt eines der beiden Netzteile aus,
kann das zweite Gerät die 8 A nicht zur Verfügung
stellen, denn dafür reicht seine Leistungsreserve
nicht aus. Vor diesem Hintergrund erweist sich
die Kontrolle des Laststroms als wichtig. Dann
bemerkt der Anlagenbetreiber sofort, wenn keine Redundanz mehr vorhanden ist. Das Produkt- Oring-Module überwachen als einzige GeräPortfolio von Phoenix Contact für Redundanz- te die gesamte redundante Lösung von den
Ausgangsspannungen der Stromversorgungen
über die Verdrahtung und die Entkopplungsstrecke bis zum Laststrom (Abb. 3). Die potentialfreien Signalkontakte „Redundancy OK“ und
„ACB OK“ als auch die LED-Anzeigen dienen
der Kontrolle der einwandfreien Funktion der
Geräte. Die Auslastung der Stromversorgungen
wird übersichtlich mittels Bargraph signalisiert.
So lässt sich auf einen Blick erkennen, welche
Eingangsspannung höher ist respektive welche
Stromversorgung stärker belastet wird. Der Anwender kann verschiedene Zustände einfach
ablesen und auf diese Weise Probleme schnell
feststellen und kurzfristig beheben. Ein rotes
Blinken zeigt beispielsweise an, dass die Netzteilspannung an einem Eingang um mehr als
300 mV höher ist als am anderen Eingang.
Handelt es sich um ein dauerhaftes rotes
Leuchten, ist ein Mosfet in diesem Pfad defekt.
Anzeige und Darstellung entsprechen dabei der
NAMUR-Empfehlung.
Fazit
In sensiblen Applikationen sorgt ein redundanter Aufbau der Automatisierungslösung für
hohe Verfügbarkeit. In diesem Zusammenhang
sind auch entsprechende StromversorgungsKonzepte zu empfehlen, wobei je nach Anwendung zwischen Lösungen ohne Entkopplung sowie inklusive Entkopplung über eine
Diode oder ein Mosfet abzuwägen ist.
Abb. 3 I Alle grün dargestellten Bereiche werden überwacht
Load
QUINT DIODE, STEP DIODE, UNO DIODE
Entkopplung mit Diode + Überwachung der
Netzteilspannungen
Load
TRIO DIODE
Entkopplung mit Redundanzmodul + Überwachung der
Netzteilspannungen und der Verdrahtung
Load
QUINT ORING
Entkoplung mit aktivem Redundanzmodul + Überwachung der
Netzteilspannungen, der Verdrahtung, der Entkopplung und des
Laststomes