gesponsertCool gesichert Wie SIS-Stromversorgungen zuverlässiger werden können

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CTX Thermal Solutions GmbH

Sicherheitsgerichtete Steuersysteme spielen eine entscheidende Rolle, um die funktionale Sicherheit industrieller Anlagen zu erhalten. Sie minimieren Risiken, müssen aber selbst geschützt werden.

Ein zuverlässiger Schutz von Sicherheitsgerichtete Systeme (SIS) Stromversorgungen beginnt mit der richtigen Auswahl und Absicherung der Stromversorgungskomponenten. Eplax entwickelt solche Lösungen. Unterstützt wird das Unternehmen dabei von CTX Thermal Solutions. Funktionale Sicherheit ist zu einem Schlüsselbegriff für industrielle Prozesse geworden. Produktionsausfälle kommen Unternehmen nicht nur teuer zu stehen. Sie können auch ein hohes Gefährdungspotenzial für Mensch und Umwelt bedeuten. Beispielsweise durch den Austritt von schädlichen Gasen oder explosive Stoffen. SIS sollen die Risiken für einen Ausfall minimieren und so die Anlagensicherheit gewährleisten. Ihre Strukturen ähneln denen konventioneller Automationssysteme. Ihre Anforderung an die Ausfallsicherheit ist jedoch ungleich höher. Für den zuverlässigen Betrieb sind daher zuverlässige Komponenten gefordert. Ein neuralgischer Punkt ist die Stromversorgung.

Netzteile nach Maß

Für das SIS eines namhaften Herstellers entwickelte Eplax ein Schaltnetzteil, das besonderen Anforderungen gerecht werden sollte. Das zu versorgende SIS ist für SIL 3 zertifiziert, das heißt, es dient der Absicherung der dritthöchsten Risikostufe von insgesamt vier Levels. Dreh- und Angelpunkt des Konzepts war daher seine Ausfallsicherheit.

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Kernelement dafür ist seine n+1 redundante Betriebsmöglichkeit. Fällt eine Einheit aus, können also die verbleibenden Einheiten die Last vollständig übernehmen. Weitere Sicherungsmerkmale des Netzteils sind ein zweifach eingebauter Überspannungsschutz, der den Anforderungen an die funktionale Sicherheit gemäß der Norm IEC 61508 entspricht, sowie ein Schutz gegen Dauerüberlast und Kurzschluss. Eine Strombegrenzungsfunktion regelt die maximale Ausgangsleistung auf 1200 W ab. Fällt die Spannung auf unter 22 V, setzt das Netzteil einen Alarm ab.

Eine zusätzliche Herausforderung stellte der vorgesehene Einsatzbereich des Netzteils dar. Eine Ausfallsicherheit musste auch für einen Betrieb unter rauen Umgebungsbedingungen gewährleistet sein, wie sie zum Beispiel auf einer Ölförderplattform herrschen. Besonders niedrige oder hohe Umgebungstemperaturen sowie Vibrationen durften also keinen Einfluss auf den zuverlässigen Betrieb haben können. Das Schaltnetzteil wurde daher auf Umgebungstemperaturen von bis zu 70 °C und gemäß IEC Ex auf den Betrieb in zeitweise explosiven Umgebungen ausgerichtet.

Kühlkörper sichern den Langzeitbetrieb

Ein auf die Betriebstemperaturen abgestimmtes Thermomanagement schützt das Netzteil nicht nur vor Ausfällen durch Überhitzung. Es sorgt auch für dessen Zuverlässigkeit im 24/7-Betrieb. In der Elektronik gilt die Regel, dass jede Erwärmung um 10 Kelvin die Lebensdauer eines Bauteils halbiert (Arrhenius-Regel).

Entstehende Verlustleistungen müssen mit einem auf den Einsatzbereich zugeschnittenen Kühlsystem abgeleitet werden, um die Sicherheit eines Systems zu gewährleisten. Die wichtigsten Kriterien für die Wahl eines geeigneten Kühlkörpers sind dabei dessen Material, das Herstellverfahren und eine passende Kühlkörpergeo­metrie.

Extrusionsverfahren für komplexe Kühlkörpergeometrien

Das Zusammenspiel zeigt sich im Schaltnetzteil von Eplax. Hier sind Clip-Kühlkörper von CTX verbaut. Ihre Geometrie ist geprägt von einer Rippenstruktur, mit der sich auf kleinem Bauraum eine große Gesamtoberfläche unterbringen lässt. Die Oberfläche ist es, die das Maß an Wärmeableitung bestimmt. In den Netzteilen, die 420,5 × 140 × 90 mm messen, sind jeweils drei dieser Kühlkörper verbaut. In Summe transportieren sie eine Verlustleistung von bis zu 50 Watt ab.

CTX fertigt die Kühlkörper im Extrusionsverfahren. Dabei wird zähflüssiges Aluminium durch eine Matrize gepresst, wodurch die Ausgestaltung des Kühlkörpers und damit seine Kühlleistung bestimmt werden. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass sich eine Matrize individuell erstellen lässt, wodurch auch komplexe Kühlkörpergeometrien machbar werden. Mit einer Matrize lassen sich beliebig viele Kühlkörper produzieren. Das senkt im Ergebnis die Produktions- und Stückkosten. Als per Clip aufzusteckende Lösung ist der Kühlkörper zusätzlich geeignet für die Serienfertigung.

Die Anforderungen an den Abtransport von Verlustleistungen variiert je nach Anwendung. Von Zulieferern ist eine entsprechende Variabilität gefordert. CTX fertigt je nach Bedarf im Extrusionsverfahren, im Druckguss, im Skived-Fin-Verfahren, mit der Stanzbiegetechnik sowie mit Hilfe verschiedener Verbindungstechniken. Damit lässt sich jeder Kühlkörper als Standardversion oder auch in einer projektspezifischen Ausführung herstellen.

Eplax schätzt die Variabilität seines Partners. Sie hat bereits in mehreren Projekten Niederschlag gefunden. Das SIS-Netzteil war aufgrund seiner Sicherheitsanforderungen herausfordernd. Es wird inzwischen seit mehreren Jahren in Serie gefertigt. 

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