Ratgeber
Im Industriebereich ist die Verfügbarkeit ein essenzieller Faktor. Ausfälle einzelner Maschinen oder ganzer Produktionsstrassen können enorme Kosten verursachen. Eine redundante Stromversorgung ist wichtig, um Ausfallzeiten von Systemen zu minimieren. Ein Baustein in der Redundanzstrategie sind Redundanzmodule. Lesen Sie in unserem Ratgeber, wie sie funktionieren und welche Unterschiede es gibt.
Um Ausfallzeiten von Geräten und Maschinen so weit wie möglich zu reduzieren, ist der Einsatz einer zuverlässigen redundanten Stromversorgung unabdingbar.
Das gilt in gleichem Masse für die Hilfsspannungsversorgung. Um in einem Hilfsspannungsnetz eine Redundanz zu erreichen, erfolgt die Parallelschaltung eines zweiten Hilfsspannungsnetzes.
Redundanzmodule für die DIN-Schiene übernehmen dabei die Entkopplung der beiden Netze voneinander und sorgen für die Versorgungssicherheit des Produktionsbetriebs, falls ein Kurzschluss auftritt.
Redundanzmodule lassen sich mit Dioden oder Mosfets realisieren. Eine auf Dioden basierende Lösung benötigt nur wenige Bauteile und ist daher besonders kostengünstig.
Sie eignet sich für viele Aufgaben und punktet durch ihre hohe Zuverlässigkeit.
Ein Dioden-Redundanzmodul hat aber auch Nachteile: Je höher der anliegende Laststrom, desto höher fällt die vom Modul emittierte Abwärme aus. In schlecht belüfteten Schaltschränken oder bei Einbau-Umgebungen, die nur wenig Raum bieten, kann es zu Problemen aufgrund von Überhitzung kommen.
Darüber hinaus fällt die Spannung zwischen Ein- und Ausgang deutlich ab.
y-Achse: Verluste in W; x-Achse: Ausgangsstrom in A; gelb: Diode 20W; blau: MOSFET 3W
Eine Alternative zu auf Dioden basierenden Redundanzmodulen stellen Mosfets dar. Dank ihrer effizienten Arbeitsweise fällt die Abwärme deutlich geringer aus. Eine Installation ist somit auch bei beengten Platzverhältnissen ohne Probleme möglich. Der zwischen Ein- und Ausgang verursachte Spannungsabfall ist ebenfalls deutlich geringer, als es beim Pendant mit Entkopplungs-Diode der Fall ist. Per DIP-Schalter kann ausgewählt werden, ob das Modul im Single-Mode oder Parallel-Mode betrieben werden soll.
Entkopplung mit Diodenmodul
Entkopplung mit einem MOSFET-Modul
Entkopplung mit zwei seperaten MOSFET-Modulen
1. Hutschienen-Netzteil; 2. SPS-Steuerung (Verbraucher); 3. Diodenmodul; 4. Mosfet-Modul
Um die Betriebssicherheit zu gewährleisten, ist eine redundante Stromversorgung wichtig. Redundanzmodule allein sind dafür allerdings nicht ausreichend. Um eine möglichst hohe Ausfallsicherheit zu ermöglichen, sind noch weitere Schritte nötig. Die Redundanzstrategie beginnt bereits beim Netzteil eines Servers oder einer Maschine: Wenn ein Netzteil durch einen Defekt ausfällt, übernimmt das zweite Gerät ohne Unterbrechung. Der redundante Aufbau sorgt dafür, dass die Arbeit ohne Zeitverlust weitergehen kann.
Das Rückgrat einer redundanten Stromversorgung ist ganz klar die USV (Uninterruptible Power Supply). Dabei handelt es sich um einen gross dimensionierten Akku, der zwischen Verbraucher und Energieversorgung geschaltet wird. Bei einem Stromausfall übernimmt die Batterie innerhalb von Millisekunden die Versorgung. Eine Abschaltung der verbundenen Geräte erfolgt wegen der geringen Reaktionszeit der USV nicht. Zu beachten ist, dass eine USV nur über eine verhältnismässig kurze Stützzeit verfügt. Sie ist daher nicht dazu geeignet Geräte über einen längeren Zeitraum mit Strom zu versorgen. Diese Aufgabe übernehmen in der Regel Generatoren. Eine USV überbrückt lediglich die Zeit, bis der Generator angelaufen ist oder bis Daten gesichert und der Rechner heruntergefahren wurde. USV-Systeme können in Offline-USV, Line-Interactive-USV und Online-USV unterschieden werden. Die einfachste Variante einer USV ist die Offline-Version: Sie bietet lediglich einen Schutz bei Stromausfall, Unter- und Überspannungen werden dagegen nicht ausgeglichen. Der Strom wird ungefiltert an den Verbraucher weitergegeben. Durch einen eingebauten Wechselrichter erfolgt zeitgleich das Aufladen der integrierten Batterien. Bei einer Unterbrechung der Stromzufuhr schaltet das Gerät innerhalb weniger Millisekunden auf den integrierten Akku um. Der Wirkungsgrad einer solchen Lösung liegt bei etwa 95 Prozent
Auch bei einer Line-Interactive-USV wird die Energie gewöhnlich direkt an die angeschlossenen Verbraucher weitergeleitet. Im Gegensatz zu Offline-USV erfolgt allerdings eine Filterung der Spannung. Zusätzlich findet eine Regulierung des Eingangsstromes durch einen bidirektionalen Wechselrichter statt. Die Eingangsspannung ist dabei frequenzsynchron zur Ausgangsspannung. Eine solche USV schützt die angeschlossenen Verbraucher nicht nur vor einem Stromausfall, sondern verhindert zudem auch Probleme, die durch Über- oder Unterspannung entstehen können. Der Wirkungsgrad einer Line-Interactive-USV liegt bei über 98 Prozent. Bei einer Online-USV fliesst der Strom permanent durch die Akkus der USV. Es erfolgt dabei eine Umwandlung des eingehenden Wechselstroms zu Gleichstrom, der die Batterien auflädt. Der Gleichstrom wird anschliessend wieder zu Wechselstrom gewandelt. Die angeschlossenen Verbraucher erhalten auf diese Weise einen sauberen Wechselstrom, der selbst für sehr sensible Geräte geeignet ist. Der Wirkungsgrad liegt bei ca. 90 Prozent und ist somit deutlich unterhalb der Line-Interactive- sowie der Offline-USV angesiedelt. Dazu kommt, dass eine Online-USV generell anfälliger ist und höhere Anschaffungskosten verursacht.
Achten Sie beim Kauf auf die minimale und maximale Eingangs- und Ausgangsspannung. Ebenfalls zu beachten ist der maximal mögliche Ausgangsstrom. Bei den Anschlüssen der Module haben Sie die Wahl zwischen Feder- und Schraubklemmen sowie Hot-Swap Steckverbindern. Auch die Anzahl der benötigten Ausgänge sollte vor dem Kauf bekannt sein.
FAQ – häufig gestellte Fragen zur redundanten Stromversorgung
Wie wichtig ist die Umgebungstemperatur beim Einsatz einer USV?
Lithium-Ionen-Batterien sind weniger empfindlich, was die Temperatur betrifft als Blei-Säure-Akkus. Beim Betrieb einer VRLA-USV sollte die Temperatur nicht über 25 °C liegen. Höhere Werte verkürzen die Lebensdauer der Batterie drastisch. Bei 25 °C ist mit einer Haltbarkeit von 4 Jahren zu rechnen, liegt der Temperaturbereich dagegen bei 33 °C, wird die Lebensdauer halbiert!
Was versteht man unter Hot-Swap?
Redundanzmodule, die über eine Hot-Swap-Funktionalität verfügen, können während des laufenden Betriebs ausgetauscht werden.