Hy-Line
USV für die Hutschiene
Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, kurz USV, ist sinnvoll für die Stabilität einer Anlage. Wenn keine langen Überbrückungszeiten gefordert sind, kann sie sogar mit auf der Hutschiene integriert werden.
Auch ein noch so kurzer Stromausfall in der Produktion kann lange Ausfallzeiten und damit hohen Kosten nach sich ziehen. Ist beispielsweise eine Kunststoff-Spritzgussmaschine stehengeblieben, müssen vor dem Wiederanlauf und Neustart der Produktion erst einmal noch nicht geschmolzenes Granulat und bereits geschmolzene und nun in der Maschine wieder erkaltete Kunststoffmasse restlos entfernt werden. Daher ist es sinnvoll, ein leistungsfähiges System zu haben, das bei Stromausfall einspringen kann. In Bezug auf die Steuerung einer Maschine kann bereits eine Netzspannungsschwankung von wenigen Millisekunden zu Problemen und zum Ausfall der SPS und damit der Maschine führen. Es gilt daher, die Steuerung stabil und funktionsfähig zu halten.
DC-USV statt klassischer AC-USV
Industrieanlagensteuerungen laufen in der Regel an einem 24-V-DC-Bus. Es ist deshalb wesentlich effizienter, hier anzusetzen als auf der AC-Seite. AC-USV sind komplexe Systeme und aufgrund der kontinuierlichen Wandelung von Wechselspannung (AC) auf Gleichspannung (DC) mit teils erheblichen Zusatzverlusten behaftet. Wird dagegen erst auf der DC-Seite gepuffert, fallen bei regulärer Netzversorgung nur geringe Zusatzverluste an, um den Energiespeicher geladen zu halten: Es wird nur einmal im Netzteil von AC auf DC gewandelt und bei Netzausfall kann der Energiespeicher unmittelbar oder über einen einfachen DC/DC-Wandler den Bus versorgen.
Aber welcher Energiespeicher kommt für eine derartige DC-USV in Frage? Zunächst einmal klassische Akkumulatoren, ob in Blei-, Nickel-Metalhydrid- (NiMH) oder Lithium-Technologie. Diese können zum Abfangen von Spannungsausfällen im Netz teils über Dioden oder ORing-Baugruppen an den Bus gekoppelt werden, da sie von Vollladung bis zur fast vollständigen Entladung eine nur geringfügig absinkende Spannung liefern. Sie können auch längere Ausfälle überbrücken, benötigen jedoch auch länger, um nach einem Ausfall wieder die volle Kapazität zu erreichen. Sie sind optimal, um das System bei Ausfall der Netzversorgung kontrolliert herunterzufahren.
Geht es dagegen vor allem um das Abfangen von Brownouts oder kurzen Blackouts, zum Beispiel bis eine andere Anlage einspringt oder die Steuerung ihre Daten schnell sichern kann, so sind Kondensatoren als Energiespeicher sinnvoller. Denn sie alle sind verschleißarm, liefern kurzfristig hohe Leistung und können wesentlich schneller als Akkumulatoren wieder voll aufgeladen werden. Allerdings wird ein DC/DC-Wandler benötigt, sollte eine konstante Ausgangsspannung erforderlich sein, da die Spannung von Kondensatoren mit der Entladung deutlich absinkt.
Für diese Anforderungen gibt unterschiedliche USV-Systeme, die aber beide zum direkten Aufschnappen auf die Hutschiene im Schaltschrank geeignet sind – samt Energiespeicher. Auch eine Variante zum direkten Einbau in eigene Geräte ist verfügbar. Es sind aber auch weitere, individuelle Lösungen bis zum Puffern großer Stromversorgungen und lokaler Netze und mit unterschiedlichsten Energiespeichern möglich.
DC-USV – All-in-One-Lösung mit Akkumulatoren
Das ‚DC-UPS‘-System von Adelsystem ist eine kompakte Lösung für 12-, 24- und 48-V-Hutschienensysteme mit einem Strombedarf von 3 bis zu 35 A mit Spitzenbelastbarkeit bis zum dreifachen Nennstrom. Diese „All-in-One“-Lösungen enthalten neben der eigentlichen USV-Logik auch ein Netzteil und ein Batterieladegerät. Auch Back-up-Batterien mit jeweils bis zu 7,2 Ah können mit auf die Hutschiene montiert werden. So kann statt nur eines klassischen Hutschienen-Netzteils an gleicher Stelle eine komplett ausfallsichere Hutschienen-Stromversorgung realisiert werden.
Diese All-in-One-USV sind nicht zur Versorgung einer kompletten Produktionsanlage gedacht, sondern um einzelne Steuerungs-Subsysteme auch bei Netzinstabilitäten oder -ausfällen in Betrieb zu halten. Dabei entfallen die unnötigen Umwege klassischer USV, die zunächst aus Gleichspannung wieder Netzwechselspannung erzeugen. Ein weiterer Vorteil: Eine Störung an der Batterie beeinträchtigt zwar die USV-Funktion, bei vorhandener Eingangsspannung führt sie jedoch nicht zum Abschalten der Ausgangsspannung wie beispielsweise bei einer AC-Online-USV. Schließlich wird der Ladestrom je nach Leistungsbedarf des Verbrauchers dynamisch gesteuert: Bei geringer, vom Verbraucher entnommener Leistung wird mehr zur Ladung der Batterie abgezweigt.
Das System ist flexibel und kann sowohl mit Blei- und Nickel-Metallhydrid- als auch mit Lithium-Ionen-Akkumulatoren zusammenarbeiten und diese laden, managen und kontrollieren. Dabei wird eine Tiefentladung verhindert und die Ladung der aktuellen Umgebungs- und Zellentemperatur angepasst. Ebenso werden Verpolung, Zellenkurzschluss und erhöhter Innenwiderstand erkannt. Spezielle Battery-Care-Funktionen wie Diagnose und auf Temperatur und Innenwiderstand angepasste Ladung verlängern das Leben der Batterie.
Voll ausgebaute Adelsystem ‚DC-UPS‘ mit Modbus RTU können zur Remote-Monitoring-Kommunikation zusätzlich mit einem Bedienfeld und Webserver gekoppelt werden. Damit stehen über RS485, SNMP und Ethernet TCP/IP Logfunktionen, Monitoring, Alarmbenachrichtigung und zahlreiche Konfigurationsmöglichkeiten zur Verfügung. Der Weitbereichseingang deckt 115 und 230 VAC ab, eine dreiphasige Variante ist bereits in Planung.
USV-DC-Puffermodule mit Kondensatoren
Die Puffermodule DBM20 und ZBM20 von TDK-Lambda arbeiten nicht mit Batterien, sondern de facto wartungsfrei mit Kondensatoren. DBM20-Module sind ebenfalls hutschienenmontierbar, die ZBM20-Variante dagegen ist als Open-Frame-Einbaumodule realisiert. Die Puffermodule lassen sich gut mit den Open-Frame-Stromversorgungen der CUS-Serie beziehungsweise den DIN-Schienen-Netzteilen der DRx-Serie oder Produkten anderer Hersteller kombinieren.
Die Puffermodule können bei Maximallast mindestens 250 bzw. 380 ms Ausfall der Eingangsspannung eines 24-V-DC-Netzteils im DIN-Schienen- (49 mm Breite) bzw. Open-Frame-Gehäuse (175 mm × 85 mm × 57 mm) überbrücken. Sie eignen sich damit als Puffer kurzzeitiger Netzinstabilitäten oder für einen Spitzenlastbedarf von Lasten, die an ein AC/DC-Netzteil angeschlossen sind. Es sind zusätzliche Überbrückungszeiten von 250 ms bei 448 W Ausgangsleistung möglich.
Diese verlängern sich beispielsweise auf 2000 ms bei einer 2,5- bzw. 4-A-Last oder 14 s bei 0,25A. Die verlängerte Überbrückungszeit ermöglicht ein sicheres Herunterfahren der Geräte und vermeidet Datenverluste bei Unterbrechungen der Wechselstromversorgung. Mögliche Anwendungsbereiche sind die industrielle Automatisierung, Robotik und Halbleiterfertigung. Um ein unbeabsichtigtes Entladen der gespeicherten Energie zu vermeiden, lässt sich der Ausgang mittels einer Remote-On/Off-Funktion sperren. Zur Fernüberwachung stehen sowohl ein DC-OK-Relais als auch Optokoppler-Ausgänge zur Statusüberwachung zur Verfügung. Für noch längere Pufferzeiten lassen sich mehrere Module parallelschalten.
Als Energiespeicher kommen Elektrolytkondensatoren zum Einsatz. Damit entfallen regelmäßige Wartungsintervalle zum Batterietausch und die Zuverlässigkeit wird wesentlich gesteigert. Mit DC/DC-Wandlern wird dabei die Speicherkapazität erhöht und die Ausgangsspannung konstant gehalten. Eine Einschaltstrombegrenzung und interne Sicherungen sind ebenfalls vorhanden. Die Sicherheitszulassung umfasst IEC/UL/CSA/EN 62368-1 mit CE-Kennzeichnung gemäß den Niederspannungs-, EMV- und RoHS-Richtlinien.
Beim Modell mit 24-V-Ausgang kann mit einem Schalter zwischen zwei Betriebsmodi gewählt werden. Im ‚fixed Mode‘ liefert das Modul Energie, sobald die Eingangsspannung auf eine fixe Schwelle von 22,4 V absinkt. Im ‚variable Mode‘ liefert das Modul bereits Energie, sobald die Eingangsspannung um 1 V einbricht. Insgesamt sind hier Eingangsspannungen von 23 bis 30 VDC zulässig, der zulässige Arbeitstemperaturbereich geht von -20 bis +70 °C ohne Leistungsminderung. Die interne Speicherspannung liegt in diesen Modulen bei bis zu 220 VDC, um die Elkos optimal auszunutzen und hohe Wirkungsgrade zu erreichen.
Es geht auch größer…
Es gibt auch DC-USV- Lösungen mit noch höheren Speicherspannungen von 500 bis 1.000 V, um direkt an Zwischenkreise anzukoppeln. Es können also auch größere Anlagen und ganze Grid-Stromversorgungen zuverlässig und fast wartungsfrei mit Kondensatoren statt Batterien gegen Stromausfall oder Spitzenlasten abgesichert werden, dann allerdings nicht mehr als DIN-Schienen-Lösung. Ein Beispiel ist die Hafenanlage in Genua, da dort die Trafostation die Spitzenlasten nicht liefern kann, wenn mehrere Verbraucher kurzfristig im selben Moment Strom ziehen. Welche Bauformen und Energiespeichertechnologien die Richtigen sind, kann jeweils individuell entschieden und umgesetzt werden.
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