Ganzheitliche Absicherung des gesamten Leistungspfads Anlagenverfügbarkeit: Power-Reliability-Ansatz

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In modernen Energie- und Automatisierungsanlagen steigen die Anforderungen an stabile, effiziente und ausfallsichere Versorgung. Phoenix Contact bündelt dafür Stromversorgung, Schutztechnik und Geräteschutz zu einem ganzheitlichen Konzept für hohe Anlagenverfügbarkeit.

Ein zuverlässiges Energieversorgungssystem zeichnet sich dadurch aus, dass es gegen alle relevanten Fehlerarten abgesichert ist: von transienten Überspannungen über Netzunterbrechungen und Spannungseinbrüchen bis zu Überlast- und Kurzschlussbedingungen im Endgerätebereich. Erst das abgestimmte Zusammenspiel aus Überspannungsschutz, Stromversorgungen und modularen Geräteschutzkombinationen ermöglicht eine durchgängig stabile Versorgung. Diese Systembetrachtung entspricht dem Power-Reliability-Ansatz. Dabei zeigt sich der Nutzen solcher harmonisierten Schutz- und Versorgungssysteme in einer Vielzahl von Anwendungen. Das Power-Reliability-Portfolio von Phoenix Contact ist somit auf eine ganzheitliche Absicherung des gesamten Leistungspfads ausgelegt. Durch technologisch passende Komponenten und gemeinsame Tests wird eine hohe Verfügbarkeit, planbare Sicherheit und nachhaltige Effizienz über sämtliche Applikationen hinweg erreicht (Bild 1).

Prüfung zum normgerechten Zusammenwirken von SPD und Netzteil

Elektronische Betriebsmittel müssen die in ihren Produktnormen definierten elektrischen, thermischen und funktionalen Grenzwerte einhalten. Dazu gehören auch spezifizierte Überspannungsbeanspruchungen, die mit normierten Impulsformen geprüft werden. Da Geräte unterschiedliche Schaltungstopologien und Schutzkonzepte umfassen, variiert ihre Belastbarkeit. In der Stromversorgung ist die Abstimmung zwischen dem vorgeschalteten Überspannungsschutzgerät (SPD) und dem nachgeschalteten Schaltnetzteil besonders wichtig. SPDs begrenzen die Stoßspannung auf festgelegte Schutzpegel, während Netzteile über interne Begrenzungs-, Filter- und Gleichrichterstufen verfügen. Eine unzureichende Koordination kann zu überhöhten Restspannungen, thermischer Überlastung oder Fehlfunktionen führen.

Die Koordinationsprüfung gibt deshalb an, ob SPD und Netzteil unter transienten Prüfimpulsen normgerecht zusammenwirken. Die Tests orientieren sich an den Stoßformen der IEC 61000-4-5 sowie den Typprüfparametern der IEC 61643-11. Bewertet wird, inwiefern das Netzteil die vom SPD begrenzte Restspannung sicher verarbeiten kann und ob seine elektrischen Ausgangsgrößen stabil bleiben. Es wurden Untersuchungen mit verschiedenen Stromversorgungen und applikativ passenden Überspannungsschutzgeräten durchgeführt.

Für die Kombination aus dem Typ-3-SPD PLT-SEC-T3-230-FM-PT und der Stromversorgung Quint4-PS/1AC/24DC/20 wird ein normgerechtes Koppelnetzwerk mit Hybridimpulsen nach den Anforderungen gemäß Typ 3 verwendet. Der Generator erzeugt 1,2/50 µs Spannungs- und 8/20 µs Stromimpulse, die bei 90° und 270° der Netzphase aufgebracht werden, um kritische Lastzustände der primärseitigen Gleichrichter und EMV-Strukturen zu erfassen. Gemessen werden der Impulsstrom, der Eingangsstrom der Stromversorgung Quint Power und die Restspannung des PLT SEC. Der Hybridimpuls ist notwendig, weil Typ-3-SPDs sowohl spannungsbegrenzend als auch stromleitend wirken und nur die kombinierte Stoßform eine realistische Bewertung ermöglicht (Bild 2).

Für die Koordination zwischen der Stromversorgung Trio-PM/1AC/24DC/2500W und dem Typ-2-SPD VAL-SPP-T2-275-1+1-UT-R erfolgt die Prüfung gemäß IEC 61643-11 mit 8/20 µs Stoßströmen. Der Stromimpuls wird bis zum Nennableitstoßstrom von 20 kA gesteigert. So lässt sich die maximale dynamische und thermische Belastung abbilden. Ermittelt werden der Impulsstrom und die DC-Ausgangsspannung der Stromversorgung Trio Power für die Wandmontage. Da Typ-2-SPDs primär energiereiche Stoßströme ableiten, ist die 8/20-µs-Wellenform die relevante Prüfgröße. Sie bestätigt, dass der VAL-SPP seinen Schutzpegel auch unter voller Beanspruchung hält und die Funktionalität der Trio Power bestehen bleibt (Bild 3).

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Höherer Schutz und Lebenserwartung durch verbesserte Koordination

Die Koordinationstests lassen unterschiedliche Rückschlüsse auf den Schutz sowie das Verhalten der Stromversorgung zu. Zum einen zeigt sich, dass das vorgeschaltete Überspannungsschutzgerät den Stoßstromimpuls an der AC-Eingangsseite der Stromversorgung wirksam reduziert. Am Beispiel der Prüfungen mit PLT-SEC und der Quint Power wird ersichtlich, dass die Vorschaltung des Überspannungsschutzes eine Verringerung des Stoßstroms bewirkt. Die Koordinationstests verdeutlichen die gezielte Abstimmung der Produkte von Phoenix Contact: Die Stromversorgung wird lediglich mit der Hälfte des Stoßstroms belastet. Die Beanspruchung der internen Komponenten erweist sich somit als geringer, was sich positiv auf die Lebensdauer der Stromversorgung auswirkt. Im Vergleich zu marktüblichen Standardprodukten ergibt sich eine verbesserte Koordination der Komponenten von Phoenix Contact. Bei nicht harmonisierten Kombinationen ist trotz korrespondierender technischer Daten und Zulassungen mit einer geringeren Schutzwirkung und damit einer kürzeren Lebenserwartung zu rechnen (Bild 4).

Zum anderen stellt die Beeinflussung der Ausgangsspannung ein wesentliches Bewertungsmerkmal dar. Dieses Verhalten ist anhand der Tests mit dem Typ-2-SPD VAL-SPP und der Stromversorgung Trio-PM in Bild 5 ersichtlich. Der eingekoppelte 8/20-µs-Stoßstromimpuls mit einer Amplitude von 20 kA führt zu einer kurzzeitigen Beeinflussung der 24-VDC-Ausgangsspannung. Dabei ist zu erkennen, dass die Ausgangsspannung zunächst ansteigt und anschließend kurzzeitig absinkt, bevor sie sich innerhalb von etwa 2 ms wieder stabil auf 24 V DC einstellt. Bei Komponenten, die nicht miteinander koordinieren, sind ein stärkerer oder sogar vollständiger Einbruch der Spannung sowie eine längere Einschwingzeit nach dem Impuls zu erwarten. Insbesondere das Über- und Unterschwingen der Ausgangsspannung ist hierbei von Bedeutung. Denn eine zu hohe Amplitude kann potenziell in Schäden an der angeschlossenen Last resultieren.

Unterschiedliche Produktkombinationen je nach Anwendungsfall

Die Testresultate unterstreichen, dass Produktkombinationen, die miteinander harmonieren, einen messbaren Mehrwert für den Betreiber haben. Der Schutz für die Anwendung sowie die Systemverfügbarkeit wird durch den Einsatz eines geeigneten SPD deutlich erhöht. Außerdem verdoppelt sich die Lebensdauer der Stromversorgung im konkreten Beispiel. Die Wahl des SPDs hängt von verschiedenen Faktoren wie dem Installationsort, Spannungslevel und Schutzpegel ab. Aufgrund verschiedener Eigenschaften werden unterschiedliche Produktkombinationen je nach Applikation empfohlen. Der Überspannungsschutz PLT-SEC bildet mit einer Stromversorgung aus der Produktfamilie Quint Power das perfekte Team für Anwendungen mit sehr hohen Anforderungen an die Funktionalität. Beispielsweise bietet sich die Nutzung dieser Komponenten im Bereich der Rechenzentren sowie der kritischen Infrastruktur an, um eine hohe Anlagenverfügbarkeit zu erreichen. Die Stromversorgung hat durch den SPD eine doppelte Lebenserwartung.

Die Produktkombination aus dem SPD VAL-SPP und der Stromversorgung Trio-PM ist für den Maschinenbau optimiert. Der vorgesehene Anwendungsbereich der Stromversorgungen Trio Power liegt in der Versorgung von DC-Motoren in Anlagen mit hohem Leistungsbedarf. Der Typ-2-SPD wird durch das Schalten von Induktivitäten oder beim Abbremsen von Maschinen benötigt, da höhere Impulse die Stromversorgung belasten können. Durch die Verwendung dieser Produktkombination werden zum Beispiel die DC-Motoren auch bei Überspannungen im Netz unterbrechungsfrei versorgt.

Die beschriebenen Produktkombinationen schaffen ebenfalls in weiteren Applikationen wie der Prozessindustrie, Batteriespeichern, Windenergieanlagen oder der Gebäudeautomation einen erhöhten Schutz und somit Mehrwert für den Betreiber. In den System-Layouts dieser Anwendungen stellt die Auslegung der versorgenden und schützenden Komponenten einen zentralen Aspekt der gesamten Zuverlässigkeit dar. Durch zusätzliche abgestimmte Produkte aus dem Portfolio mit Komponenten zum Schutz sowie zur Versorgung und Überwachung deckt Phoenix Contact sämtliche Säulen der Power Reliability ganzheitlich ab. (mr)

* Marlon Roche ist Produktmanager bei Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Hendrik Titgemeyer ist Produktmanager bei Phoenix Contact Power Supplies GmbH.

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