Ratgeber
In kritischen industriellen Anwendungen kann jeder Stromausfall oder jede Unterbrechung der Stromversorgung schwerwiegende Folgen haben. So gefährdet zum Beispiel die Abschaltung von Überwachungs- und Kontrollgeräten die Sicherheit des Personals.
Für Abhilfe sorgen Redundanzmodule, angeschlossen an unabhängig voneinander laufenden Netzgeräten. Fällt eine Stromversorgung aus, springt automatisch die Ersatzversorgung ein. Lesen Sie hier, wie Redundanzmodule aufgebaut sind und funktionieren.
Stromversorgung mit Trafos
Industrielle Stromversorgungen für den Betrieb elektronischer oder elektromechanischer Geräte wandeln im Allgemeinen Wechselstrom in Gleichstrom um.
Die Netztrafos nehmen über ihre Eingangsklemmen Wechselstrom auf und liefern über die Ausgangsklemmen Gleichstrom an angeschlossene elektrische Verbraucher.
Übliche Ausgangsspannungen liegen dabei zwischen 24 und 60 Volt bei 4 bis 96 Ampere Ausgangsströmen
Solche Energieversorgungen erfüllen ihre Aufgaben im Allgemeinen effizient und zuverlässig. Allerdings kann bei hohen Lastströmen und Dauerbetrieb der thermische Stress für die Transformatorspulen und Kondensatoren zeitweise zu groß werden.
Ergebnis: Die angeschlossenen Lasten funktionieren nicht mehr zuverlässig.
Stromversorgung mit Redundanzmodulen
Redundanz-Energieversorgungssysteme bestehen dagegen aus zwei oder mehr identischen Netzgeräten, parallel an die elektrische Last angeschlossen. Die zwischengeschalteten Module entkoppeln dabei die Netzgeräte und verhindern, dass sie gleichzeitig Strom liefern.
Redundanzmodule stellen mit ihrer Parallelschaltung somit sicher, dass Schwankungen in der Netzspannung, fehlerhafte Lasten oder sogar der völlige Ausfall der Netztrafos die Stromversorgung nicht unterbrechen können.
Redundante Versorgungen erhöhen daher die Betriebssicherheit und verlängern zudem die Lebensdauer der angeschlossenen Geräte.
Module mit verteilten Stromversorgungssystemen bieten darüber hinaus sehr flexible Lösungen. So lässt sich beispielsweise ein fehlerredundantes System entwickeln, das mit nur sechs 10-Ampere-Netztrafos und drei Modulen mit zwei Eingängen den Bedarf an 50, 40 und 30 Ampere abdeckt.
Nicht zuletzt ermöglichen fehlerredundante Stromversorgungssysteme, ein Netzgerät zur Reparatur oder zum Austausch herauszunehmen, ohne das gesamte System herunterzufahren. Dieser Vorgang wird als Hot Swapping bezeichnet.
Die Redundanz einer Stromversorgung kann als 1+1 oder als n+1 definiert sein. Bei der 1+1-Redundanz sind zwei Trafos parallel über ein Modul mit der Last verbunden. In diesem Fall lassen die Module den Strom jeweils nur von einem Trafo fließen, der Nennstrom wird nie überschritten.
Es sind daher zwei 5-Ampere-Versorgungen nötig, um eine redundante 5-Ampere-Versorgung zu schaffen.
Der dienstfreie Trafo bleibt ausgeschaltet, bis das Modul einen Fehler im dienstbereiten Netzgerät erkennt – dann tauschen sie ihre Rollen.
Eine n+1-Redundanz arbeitet nach dem gleichen Prinzip, verwendet aber drei oder mehr identische Netztrafos. Diese n+1-Anlagen eignen sich besonders gut, wenn eine bestimmte Stromstärke erforderlich ist, aber zwei Netztrafos mit der erforderlichen Leistung nicht verfügbar sind.
Als Beispiel soll eine Konfiguration dienen, für das ein 40-Ampere-Redundanzsystem erforderlich ist, aber keine 40-Ampere-Netztrafos vorhanden sind. In diesem Fall können fünf 10-Ampere-Trafos diese 40 Ampere liefern.
Das Fünffach-Netzteil wird parallel an das Modul angeschlossen, so dass Strom aus vier Netzteilen fließt und eines redundant bleibt.
Sollte in einem der vier aktiven Netztrafos ein Fehler auftreten, schaltet das Modul sofort den redundanten Trafo ein und hält so die Leistung aufrecht.
Es ist allerdings selten, dass ein Modul mehr als zwei Eingänge besitzt, daher sind n+1-Systeme in der Regel auf mehrere elektrisch verbundene Module angewiesen.
Zu den Einschränkungen dieser geschalteten Stromversorgung gehören höhere Beschaffungs- und Energiekosten sowie der größere Platzbedarf im Vergleich zu einem einzigen Netztrafo. Wenn in mehreren Stromversorgungen gleichzeitig Fehler auftreten, können angeschlossene Lasten ohne Strom bleiben. Außerdem sind Spannungsabfälle und minimalen Leistungsverluste nicht auszuschließen, wenn der Strom durch das Modul zur Last gelangt.
Die klassische Montage der Module erfolgt im Schaltschrank auf DIN-Schienen. Die Anschlüsse für Steckverbinder sind je nach Typ als Schraub- oder Federklemmen ausgelegt. Einige Modelle verfügen über DIP-Schalter zur individuellen Konfiguration.
Die Entkopplung von Netzteilen ist prinzipiell auf zwei Arten möglich: durch Dioden und MOSFETs.
Dioden
Die auf Gleichrichtern basierenden Module sind relativ preiswert und recht einfach im technischen Aufbau:
Der Sperrzustand einer der beiden Dioden bleibt so lange erhalten, bis eines der angeschlossenen Netzgeräte ausfällt. Dann öffnet die bisher gesperrte Diode die Durchlassrichtung und der andere Gleichrichter wird gesperrt.
Diese Form der Schutzschaltung hat den allerdings den Nachteil, dass sie die Verlustleistung und damit die Temperatur im Schrank erhöht. So senkt eine typische Diode die Spannung um 0,7 Volt, wenn sie einen Strom leitet.
Das bedeutet 0,7 Watt pro Ampere Laststrom. Wenn zwei redundante Stromversorgungen insgesamt 10 Ampere liefern, verbrauchen die Dioden im Schaltschrank 7 Watt.
Durch die Verwendung von Schottky-Dioden lässt sich die Verlustleistung allerdings auf etwa 4 Watt absenken. In jedem Fall ist diese Verlustleistung unerwünscht und erhöht die Umgebungstemperatur im Schrank.
Manchmal sind auch Brückengleichrichter im Einsatz. Sie sind relativ preiswert, für eine hohe Verlustleistung ausgelegt und lassen sich direkt an der Wand des Schaltschranks montieren, so dass der Schrank als Kühlkörper dient.
y-Achse: Verluste in Watt – x-Achse: Ausgangsstrom in Ampere
gelb: Diode 20 Watt – blau: MOSFET 3 Watt
MOSFETs
Eine Alternative zur Diodenschaltung basiert auf Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren, den MOSFETs. Ihr Durchlasswiderstand deutlich niedriger und reduziert damit Verlustleistung.
Bei 10 Ampere beispielsweise verbraucht eine Diode 7 Watt, während die MOSFET-basierte aktive Schaltung nur 0,4 Watt benötigt. Dies führt zu einer niedrigeren Umgebungstemperatur im Gehäuse und bietet außerdem eine höhere Zuverlässigkeit.
Entkopplung mit Diodenmodul
Entkopplung mit einem MOSFET-Modul
Entkopplung mit zwei separaten MOSFET-Modulen
Gehört eine unterbrechungsfreie Stromversorgung auch zu den Redundanzmodulen?
Im Prinzip lässt sich auch eine USV – so das Kürzel – zur Redundanz in einer Stromversorgung einsetzen. Die Technik unterscheidet sich allerdings vollkommen von klassischen Redundanzmodulen. Eine USV enthält einen Akku, dessen Leistung an die angeschlossene Last angepasst sein muss. Es handelt sich somit um eine Ersatzstromversorgung.
Sobald die normale Stromversorgung ausfällt, springt die USV automatisch ein und liefert die notwendige Energie. Ihre Laufzeit ist allerdings von der Kapazität des Stromspeichers abhängig und meist auf wenige Minuten begrenzt.