MOSFET-Technologie vereinfacht die Parallelschaltung von Netzgeräten Redundant und kommunikationsfähig - wirautomatisierer

MOSFET-Technologie vereinfacht die Parallelschaltung von Netzgeräten

Redundant und kommunikationsfähig

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Schaltnetzteile haben sich in der Industrie bewährt. Ohne zuverlässige Stromversorgung sind der moderne Maschinen- und Anlagenbau sowie die Prozesstechnik undenkbar. Bei besonders hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit werden Netzgeräte parallelgeschaltet. Die O-Ring-MOSFET-Technologie in den Protop-Geräten von Weidmüller sorgt für eine zuverlässige Entkopplung bei der Parallelschaltung.

In Produktionsstraßen der Automobilindustrie oder bei Prozessen in der chemischen Industrie ist eine hohe Anlagenverfügbarkeit besonders wichtig, um Ausfälle zu vermeiden und wirtschaftlichen Schaden abzuwenden. Zum Einsatz kommen deshalb zwei oder mehrere parallel geschaltete Stromversorgungen, wovon ein Netzgerät ausfallen darf, ohne dass es zu Einbußen bei der Gesamtlast kommt. Herkömmliche Netzgeräte sind zur gegenseitigen Entkopplung mittels Dioden- oder Redundanzmodulen parallelzuschalten. Im Gegensatz dazu lassen sich die Geräte der Protop-Serie direkt parallelschalten. Die integrierte O-Ring-MOSFET-Technologie entkoppelt die Geräte zuverlässig. Die Technologie ist vergleichbar mit verlustarmen, idealen Dioden.

Das größte Risiko beim direkten Parallelschalten von Netzgeräten stellen die Elektrolyt-Kondensatoren zum Glätten der Ausgangsspannung dar. Da der Elektrolyt austrocknen kann, unterliegen die Kapazitäten einem Verschleiß. Bei sachgemäßem Einsatz taucht dieses Problem selten auf, denn die Hersteller hochwertiger Netzgeräte legen die verwendeten Komponenten mit einer angemessenen Sicherheitsreserve aus. Bei übermäßiger Erwärmung sinkt jedoch die Lebenserwartung der Kondensatoren. Das Risiko besteht nun darin, dass ein Netzgerät einfach ausfällt, während das parallel geschaltete Gerät die Versorgung aufrechterhält. Ein defekter Elektrolytkondensator kann den Ausgang aber kurzschließen, sodass die Versorgungsspannung zusammenbricht. Klassischerweise wird dies durch eine Diodenschaltung verhindert. Sie schützt nicht nur bei einem gefährlichen Kurzschluss gegen Masse, sondern auch vor Rückströmen. Ein Rückstrom tritt immer dann auf, wenn die Spannung einer Stromversorgung erheblich unter den Wert der anderen sinkt und eine ungleiche Stromaufteilung resultiert.

Die Diodenschaltung kann als separates Modul ausgeführt sein. Eine Schutzschaltung mittels O-Ring-Diode ist üblich und kostengünstig, weist aber einige Nachteile auf. Zum einen ist sie mit einer deutlichen Verlustleistung behaftet. Zum anderen sind in diesen Modulen keine besonderen Überwachungseinrichtungen zur kurzgeschlossenen oder offenen O-Ring-Diode enthalten. Insgesamt wird also die Anlagenverfügbarkeit erhöht, die Schutzfunktion ist aber nicht einfach zu überwachen und wird mit einem höheren Energieverbrauch erkauft. In den Stromversorgungen der Protop-Serie setzt Weidmüller deshalb integrierte MOSFET-Komponenten (Metall-Oxid-Silizium-Feldeffekttransistoren) ein.

Effizienz und Versorgungssicherheit

MOSFET-Controller überwachen die Spannungszustände vor und hinter dem O-Ring. Im Falle einer Rückspeisung, eines Spannungseinbruchs bzw. internen Kurzschlusses wird der interne Gleichrichter vom Lastausgang getrennt. Die Leistungsverluste von MOSFETs betragen nur etwa 10 %. Zudem sparen die integrierten O-Ring-MOSFETs Platz, da keine separaten Redundanzmodule benötigt werden. Der Betriebsmodus – Einzelgerät oder Parallelschaltung – wird per DIP-Schalter gewählt. Im Single-Mode verhält sich das Gerät wie ein herkömmliches Netzteil mit IU-Kennlinie. Im Parallel-Mode wird die Spannung vom lastfreien Betrieb bis zu Nennlast um 1 VDC abgesenkt.

Dieser Soft-IU-Effekt bietet zwei Vorteile: Einerseits wird der Einfluss von externen Leitungswiderständen minimiert. Andererseits erreichen die Geräte eine gute Langzeitstabilität. Das ist wichtig, weil die Spannung zwischen zwei Geräten über einen Zeitraum von 5 bis 10 Jahren durchaus um ca. 50 mV abweichen kann. Das würde bei herkömmlichen IU-Kennlinien zu unterschiedlichen Strömen führen. Das Gerät mit dem höheren Strom altert schneller. Durch Soft-IU wird dieser Effekt soweit minimiert, dass er der natürlichen Drift elektronischer Komponenten entspricht. Damit arbeiten die Protop-Netzteile im Parallelbetrieb praktisch genauso effizient, wie Geräte mit zusätzlichen Redundanzmodulen mit aktiver Stromsymmetrierung.

Einsparpotenziale nutzen

Die Stromversorgungen sind kompakt ausgeführt. Ihre platzsparende Bauform schafft Raum für zusätzliche Baugruppen und erhöht so die Funktionsdichte im Schaltschrank. Die Geräte zeichnen sich außerdem durch einen Wirkungsgrad von bis zu 95,4 % aus. Er reduziert Wärmeverluste und senkt die Energiekosten. Die MTBF-Zeit (Mean Time Between Failures) von mehr als 1.000.000 Stunden nach IEC 1709 (SN29500) sowie die lange Lebensdauer garantieren eine hohe Wirtschaftlichkeit der Geräte über den gesamten Betriebszeitraum.

Die Protop-Geräte bieten weitere Features, wie die DCL-Technologie (DCL = dynamic current limiting), die hohe Impulsenergiereserven zur Verfügung stellt. Der daraus resultierende Dynamikbereich wird zur zuverlässigen Auslösung von Leitungsschutzschaltern oder einem kraftvollen Motorstart genutzt. So stehen für das Anlaufmoment eines Motors bis zu 300 % für ca. 100 ms oder 150 % für 5 s zur Verfügung. Bis zu Umgebungstemperaturen von 40 °C sind statische Leistungsreserven von dauerhaft 130 % abrufbar.

Kommunikationsmodul überwacht Prozesse

Um produzierende Unternehmen auf das Internet der Dinge und die datenbasierte Steuerung der Produktion vorzubereiten, gilt das Bestreben einer möglichst schnellen Integration aller Geräte sowie der einfachen Datenübertragung in die Cloud. Deshalb sind die Protop-Geräte für eine durchgängig vernetzte Produktion vorbereitet. Mit einem aufsteckbaren Kommunikationsmodul erhält der Anwender eine Schnittstelle zur Weitergabe der Prozessdaten an die übergeordnete Steuerung und legt so den Grundstein für Prozessoptimierungen durch Condition-Monitoring und Geräte-Fernsteuerung. Produkt- und zustandsorientierte Daten sowie maschineninterne Messwerte und Energieparameter werden erfasst und in einer Cloud bereitgestellt. Dort findet eine Auswertung der Daten statt. Das versetzt Anlagenbetreiber in die Lage, neuartige Dienste zur Optimierung und Diagnose ihrer Prozesse oder für das Energiemanagement aufzubauen. ge

www.weidmueller.com

Weitere Informationen über die

Geräte der PROtop-Serie

http://hier.pro/Biuhv

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