Stromversorgungen erfahren im Betriebsalltag nur wenig Aufmerksamkeit. Einmal installiert, wird einfach erwartet, dass sie mehr oder weniger unauffällig funktionieren, sprich hohe Einschaltströme und wechselnde Belastungen sowie kurze Spannungseinbrüche oder Kurzschlüsse sicher beherrschen. Um dies sicherzustellen und um auf etwaige Erweiterungen und andere Herausforderungen wie dynamische Lastspitzen vorbereitet zu sein, planen Projekteure häufig eine Leistungsreserve von 30 bis 50 % ein.

Der Lifetime-Indikator wird aus den bisherigen Betriebsbedingungen ermittelt und maßgeblich von der Betriebstemperatur bestimmt. Deshalb wurde bei der Entwicklung auf einen hohen Wirkungsgrad geachtet.

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Entsprechend groß, schwer und teuer wird das Netzteil. Bei Stromversorgungen in IP67 kommt erschwerend hinzu, dass es bislang keine Geräte gibt, die dem Instandhalter ein Monitoring des Gerätezustands ermöglichen, sei es über ein Display vor Ort oder über Feldbus. Zudem sind die Netzteile häufig an schwer zugänglichen Orten installiert, was bei einem Gerätetausch einen hohen Aufwand und längere Stillstandzeiten verursacht.

Um eine möglichst hohe Verfügbarkeit zu gewährleisten, setzen viele Betreiber daher auf vorbeugende Instandhaltungskonzepte und tauschen die Geräte im Rahmen von zweijährigen Wartungszyklen aus – lange vor Ende der eigentlichen Lebensdauer. Diese Vorgehensweise ist zwar sehr sicher, aber auch sehr teuer. Abhilfe versprechen intelligente IP67- Netzgeräte der Firma Balluff, die einerseits für eine lange Betriebsdauer ausgelegt wurden und andererseits ihren Zustand kontinuierlich erfassen. Drei LED-Anzeigen visualisieren sämtliche Informationen, die der Betreiber für die Realisierung eines zustandsorientierten Wartungskonzepts benötigt. Sensoren in den Netzteilen überwachen dazu in Kombination mit einem Mikrocontroller kontinuierlich die drei wesentlichen Verschleißfaktoren – Temperatur, Überlast und Störungen – sowie andere Randbedingungen. Der Controller berechnet daraus die Kennwerte für den Gesundheitszustand der Stromversorgung.

Die Netzteile wurden zudem so ausgelegt, dass sie auch unter Volllast zuverlässig funktionieren. Damit ist die übliche Überdimensionierung von 30 bis 50 % nicht mehr erforderlich. Dies wirkt sich positiv auf die Baugröße und Anschaffungskosten aus. Zudem steht eine hohe Leistungsreserve von 150 % für 4 s zur Verfügung. Damit können Einschaltvorgänge und auch nicht kalkulierbare dynamische Spitzen während des Betriebs mühelos beherrscht werden.

Hohe Temperaturen sind die Achillesferse

Großen Einfluss auf die Lebensdauer hat die Betriebstemperatur der Elektronik. Sie wird nicht nur durch die Umgebungsbedingungen vorgegeben. Weitaus stärker beeinflusst die Verlustleistung eines Geräts die Temperaturentwicklung im Gerät. Deswegen wurde mithilfe zuverlässiger Bauteile und Schaltungstechnologien, zum Beispiel eine spezielle Zerhackerschaltung, der Wirkungsgrad der primär getakteten Netzgeräte auf über 92 % gesteigert. Dadurch sinkt die thermische Belastung und die Lebensdauer steigt. Zum Vergleich: Standardnetzgeräte haben einen Wirkungsgrad zwischen 83 % und 87 % oder rund 15 % Verlustleistung.

Die Netzgeräte visualisieren ihren Betriebszustand über drei Indikatoren: Stresslevel, Loadlevel und Lifetime.

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Bei einem Netzteil mit 200 W bedeutet das eine Wärme-Abgabe von 30 W – das entspricht ungefähr der Leistung eines Lötkolbens. Beträgt der Wirkungsgrad 93 %, entstehen lediglich 14WVerlustleistung. Lebenszyklus-Simulationen haben ergeben, dass die Lebenserwartung mit steigenden Temperaturen rasch sinkt, bei einem Anstieg von 45 °C auf 90 °C beispielsweise auf nur noch 1/28 des ursprünglichen Wertes. Eine Lastzunahme von 0 (Leerlauf) auf 130 % führt dagegen nur zu einer Halbierung der Lebenserwartung.

Das zeigt: Die größte Hebelwirkung hinsichtlich Lebensdauer lässt sich durch die Erhöhung des Wirkungsgrads erreichen. Daraus resultiert einedeutlich geringere Wärmeentwicklung – ein wichtiger Aspekt hinsichtlich der Lebensdauer, die bei den Geräten 15 Jahre bei einer MTBF von 800 000 h (Meantime before Failure) beträgt. Generell gilt: DieWärme darf vor Ort erst gar nicht entstehen. Größere Kühlelemente, die die Wärme nur vermehrt aus dem Gehäuse abführen, sind dafür kein Ersatz.

Die Zustands-Indikatoren

Der interne Zustand der Stromversorgung wird über die Parameter „Loadlevel“, Stresslevel“ und „Lifetime“ ermittelt und über drei LED angezeigt. Die mehrfarbigen Leuchtdioden sind so lichtstark, dass sie noch aus mehreren Metern Entfernung zuverlässig wahrzunehmen sind. Auf Basis dieser Informationen lassen sich Instandhaltungsmaßnahmen oder der Zeitpunkt eines Gerätewechsels festlegen und die Ausfallwahrscheinlichkeit der Anlage drastisch senken.

Über den Loadlevel signalisiert das Gerät reversibel und verzögerungsfrei die aktuelle Auslastung. Bei 80 % Auslastung wird die gelbe LED dazugeschaltet, rot signalisiert Lasten über 100 %. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das Gerät im Power-Boost-Modus kapazitive Lasten beim Einschalten abfangen muss. Da der Loadlevel ausschließlich von der aktuellen Last abhängt, ist er ein Maß dafür, ob die Stromaufnahme über die Zeit zugenommen hat. Dies deutet auf mögliche Fehlerströme oder auch auf zusätzliche Stromverbraucher hin, die seit der Installation hinzugekommen sind, beispielsweise nach einer Anlagen-Erweiterung. Der Stresslevel repräsentiert quasi den Herzschlag des Geräts. Er wird aus der Last und der thermischen Belastung gebildet. Variiert die innereWärme-Entwicklung aufgrund einer veränderten Lastsituation und/oder einer anderen Umgebungstemperatur, wirkt sich dies etwas verzögert auf den Stresslevel aus. Die LED zeigt anhand ihrer Pulsgeschwindigkeit und des Farbwechsels, ob sich das Netzgerät noch „wohl“ fühlt. So kann mit einem Blick erfasst werden, ob die Betriebsbedingungen für das Netzgerät noch dieselben sind wie zum Beispiel vor einer Woche. Wenn nicht, können die Ursachen ermittelt und abgestellt werden. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die Lebensdauer aus. Letztere ist für die Instandhalteraminteressantesten und wird durch den ebenfalls mehrfarbigen Lifetime-Indikator signalisiert.

Die Lebensdauer resultiert aus der Summe aller bisherigen Belastungen und ist irreversibel. Wechselt diese Anzeige ihre Farbe auf Rot, beträgt die kalkulatorische Restlaufzeit nur noch wenige Jahre. Dann sollte ein Austausch des Gerätes zeitnah, zum Beispiel beim nächstenWartungsintervall, in Betracht gezogen werden. Die beiden ersten IP67-Netzeile der so genannten „Heartbeat“-Serie haben eine Ausgangsleistung von 192W– 24V(DC), 8A– und 90W(3,8 A). Versorgungsspannung und die Verbraucher werden über übliche 7/8-Zoll-Rundsteckverbinder angeschlossen. Ausgangsseitig stehen zwei Kanäle zur Verfügung. Für den Anschluss mehrerer Verbraucher gibt es passende T-Stecker und Kabelsätze.

Autor: Jürgen Gutekunst ist Leiter des Geschäftsbereiches Connectivity bei der Firma Balluff in Neuhausen.