Delta-Speisung Wie man Hilfsgleichspannungen in neutralleiterlosen Versorgungsnetzen generiert

Um eine Überlastung des Neutralleiters zu vermeiden, sind im Maschinen- und Anlagenbau oft so genannte Delta-Netze ohne Neutralleiter vorgeschrieben. Wie aber erzeugt man in solchen Netzen am besten eine Hilfsgleichspannung von beispielsweise 24 V, wie sie Steuerungen, Sensoren und Aktoren benötigen? Speziell für Leistungen bis 100 W hat Puls nun ein leichtes Schaltnetzteil entwickelt, das zwischen zwei Phasen angeschlossen werden kann und keinen Neutralleiter benötigt.

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Stromversorgungen, Servoverstärker, Frequenzumrichter und Co. werden heute durch die Bank getaktet. Dabei wandelt ein Brückengleichrichter die Netzspannung in Gleichspannung, die dann von einem großen Elektrolytkondensator geglättet wird. Anschließend gelangt die Spannung zur eigentlichen Wandlerstufe. Der periodische Ladestrom, der im Elektrolytkondensator fließt, verursacht eine Verzerrung des aufgenommenen Stromes, der somit deutlich von der Sinusform abweicht. Mit Hilfe der Fouriertransformation kann man die Grundwelle und die Oberwellen ermitteln, aus denen sich diese verzerrte Kurvenform zusammensetzt. In öffentlichen Netzen gibt es strenge Grenzwerte für den Anteil an Oberwellen, in nicht öffentlichen Netzen. In Industrienetzen etwa, ist der Anlagenbetreiber für einen sicheren Betrieb verantwortlich.

Oberwellen überlasten Neutralleiter

Bei symmetrischer Belastung und sinusförmigem Strom fließt im Neutralleiter kein Strom, da die Wellen der Phasenleiter um 120° phasenverschoben sind und sich deshalb gegenseitig aufheben. Betrachtet man z.B. die 3. Oberwelle eines nicht sinusförmigen Stromverlaufes, so ist zu erkennen, dass sich die Ströme nicht mehr gegenseitig aufheben, sondern im Neutralleiter addieren. Damit kann es zu gefährlich hohen Strömen im Neutralleiter kommen. Ähnliches gilt auch für die 6., 9., 12., u.s.w. Oberwelle. Da der Energieinhalt bei höheren Oberwellen stark abnimmt ist vor allem die 3. Oberwelle von besonderer Bedeutung. Die geradzahligen Oberwellen treten aufgrund der Kurvenform des Stromes nur mit unbedeutend geringen Amplituden auf.

Auch der Trafo wird belastet

Zudem kommt es neben der Neutralleiterbelastung auch beim speisenden Transformator zu einer erhöhten Belastung. Diese kann jedoch mithilfe von Ausgleichswicklungen und über die Wahl der richtigen Schaltgruppe abgefangen werden. Da der Strom bei der 3. Oberwelle in allen Phasen in die gleiche Richtung fließt, wird im Eisenkern eines 3-Schenkel-Trafos ein Magnetfeld erzeugt, das über einen Nebenschluss (z.B. über das Trafogehäuse) schließen muss, wenn keine Ausgleichswicklungen im Trafo vorhanden sind.

Auswahl der richtigen Hilfsversorgung

1-Phasen-Schaltnetzteile scheiden wegen des fehlenden Neutralleiters in solchen Applikationen generell aus. Zwar wird eine breite Variation von Ausgangsleitungen angeboten, die jedoch nicht für die Spannungen von 3-Phasen Systemen geeignet sind. Schaltnetzteile mit einem 3-Phasen Eingang gibt es nur für höhere Leistungen, für Leistungen bis 100 W sind diese bislang aber Mangelware. So bleiben eigentlich nur Trafonetzteile mit sekundärseitiger Regelung übrig, die aber gravierende technische und praktische Nachteile aufweisen.

Das von Puls speziell für Steuerungsanwendungen im Maschinenbau und Anlagenbau neu entwickelte Schaltnetzteil ML100.200 ist eine kostengünstige Lösung, um aus einer 3-Phasen-Spannung eine stabilisierte 24-V-Gleichspannung zu erzeugen. Die Ausgangsleistung von 100 W reicht für viele Steuerungsaufgaben aus. Bei einer Gleichspannung von 24 V liefert das ML100.200 einen Ausgangsstrom von max. 4,2 A. Ein alternativ verfügbares ML90.200 erfüllt darüber hinaus die amerikanischen NEC-Class-2-Anforderungen.

Kleiner, leichter, preisgünstiger

Mit dem ML100.200 braucht man auch bei kleinen Leistungen nicht auf die Vorzüge der getakteten Technologie zu verzichten und muss dennoch kein Vermögen ausgeben. Im Vergleich zu den in solchen Anwendungen sonst üblichen Trafonetzteilen bietet das ML100.200 eine ganze Reihe von Vorteilen. Mit nur 370 g ist das Gerät ein Leichtgewicht: Trafonetzteile dagegen wiegen etwa 4,5 kg. Daher lässt es sich problemlos auf die Hutschiene neben den sonstigen Steuerungskomponenten montieren. Schaltnetzteile haben einen deutlich breiteren Eingangsspannungsbereich und decken die üblichen Netze mit 3 × 400 V und 3 × 480 V ab, ohne dass ein Umschalten oder Umklemmen erforderlich ist.

Kurze Netzausfälle überbrückt der interne Elektrolytkondensator und er hält die Ausgangsspannung stabil. Abstürze der Steuerung werden so vermieden. Netztransienten und andere Störungen im Netz unterdrücken die internen Filter in Schaltnetzteilen. Die deutlich niedrigere Verlustleistung heizt den Schaltschrank weniger auf und verlängert die Lebensdauer der kompletten Anlage oder Maschine. Die ML100-Stromversorgungen lassen sich auch in kleinere Schaltschränken einsetzen, die Transportkosten, Montageaufwand und Energiekosten sind niedriger und Kühlung sowie Belüftung lassen sich einfacher realisieren.

Zwei statt drei Phasen

Gefühlsmäßig neigt man dazu, Geräte immer an alle drei Phasen anzuschließen. Das ist auch richtig um das Versorgungssystem nicht ungleichmäßig zu belasten. Betrachtet man aber das Verhältnis der Leistungsaufnahme von Steuerstromkreisen zu Nutzstromkreisen, so gehen die Steuerstromkreise in der Leistungsbilanz meistens unter. Eine „Schieflast“ ist also nicht zu erwarten, wenn Steuerstromversorgungen an nur zwei Phasen angeschlossen werden.

Drei Phasen bei höheren Leistungen

Der Anschluss an nur zwei Phasen hat eine ganze Reihe von Vorteilen. So lassen sich bis zu einer Leistungsklasse von etwa 150 W Stromversorgungen kompakter bauen und brauchen weniger Platz im Schaltschrank. Darüber hinaus reduzieren sich Verdrahtungsaufwand sowie Installationszeit und man spart zudem die Sicherung für eine Phase. Für Leistungen von mehr als 150 W oder wenn ein Betrieb auch nach Ausfall einer Phase kurzzeitig möglich sein soll, empfiehlt sich jedoch der Anschluss an alle drei Phasen.

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