Vom Netzteil zum Power System: Modulare Stromversorgungslösungen für anspruchsvolle Anwendungen
Die Auswahl einer geeigneten Stromversorgung beginnt häufig mit einigen grundlegenden Fragen: Welche Eingangsspannung steht zur Verfügung? Welche Ausgangsspannung wird benötigt? Wie hoch ist die erforderliche Leistung?
Bei vielen industriellen Anwendungen reicht diese Betrachtung jedoch nicht aus. Spätestens wenn hohe Anforderungen an Verfügbarkeit, Redundanz, Batterie-Backup oder Überwachung hinzukommen, wird aus der Auswahl eines einzelnen Netzteils die Planung eines kompletten Stromversorgungssystems – eines sogenannten Power Systems.
Wenn ein einzelnes Netzteil nicht mehr ausreicht
Ein klassisches AC/DC-Netzteil übernimmt zunächst eine klar definierte Aufgabe: Es wandelt die vorhandene Eingangsspannung in die für die Anwendung benötigte Ausgangsspannung um.
In komplexeren Anlagen entstehen jedoch schnell zusätzliche Anforderungen. Was passiert beispielsweise bei einem Ausfall der Netzversorgung? Muss das System unterbrechungsfrei weiterarbeiten? Werden neben DC-Verbrauchern auch AC-Verbraucher versorgt? Ist eine redundante Versorgung erforderlich? Müssen Batterien geladen und überwacht werden? Und wie werden Betriebszustände und mögliche Fehler an eine übergeordnete Steuerung oder Leitwarte gemeldet?
In solchen Fällen sollte die Stromversorgung nicht mehr ausschließlich auf Komponentenebene betrachtet werden. Entscheidend ist vielmehr das gesamte Stromversorgungskonzept.
Ein Power System kann deshalb je nach Anwendung neben der eigentlichen Leistungswandlung beispielsweise folgende Funktionen kombinieren:
- AC/DC-Gleichrichtung
- DC/DC-Wandlung
- DC/AC-Wechselrichtung
- EMV- und Netzfilterung
- Batterie-Backup und Batterieladung
- redundante Stromversorgung
- Lastverteilung und Absicherung
- Systemüberwachung und Diagnose
- Kommunikation mit übergeordneten Systemen
Welche dieser Funktionen tatsächlich benötigt werden, hängt von der jeweiligen Anwendung ab.
Modularität schafft Flexibilität
Ein wesentlicher Vorteil moderner Power-Systemlösungen ist ihr modularer Aufbau.
Anstatt ein System ausschließlich für einen festen Leistungsbedarf auszulegen, können mehrere Leistungsbausteine zu einer skalierbaren Lösung kombiniert werden. Steigt der Leistungsbedarf oder ändern sich die Anforderungen an die Anwendung, lässt sich das System entsprechend anpassen.
Parallel geschaltete Module können dabei nicht nur zusätzliche Leistung bereitstellen. Sie ermöglichen auch den Aufbau redundanter Versorgungskonzepte. Bei einer N+1-Redundanz steht beispielsweise zusätzlich zur für den normalen Betrieb erforderlichen Leistung ein weiteres Modul zur Verfügung. Fällt ein Modul aus, kann die Versorgung weiterhin aufrechterhalten werden.
Gerade bei Anlagen mit hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit kann diese Systemredundanz ein wesentliches Element des Stromversorgungskonzepts sein.
Zuverlässigkeit ist eine Systemeigenschaft
Die Zuverlässigkeit einer Stromversorgung wird nicht ausschließlich durch die Qualität eines einzelnen Netzteils bestimmt.
Auch Kühlkonzept, Redundanz, Wartbarkeit, Lastverteilung und die Anzahl potenzieller Verschleißteile beeinflussen die langfristige Verfügbarkeit eines Systems.
Ein Beispiel hierfür ist die MHE-Gleichrichterplattform von Inission Power. Der Hersteller setzt bei dieser Plattform auf natürliche Konvektion und damit auf einen Betrieb ohne integrierte Lüfter. Inission nennt für die MHE-Gleichrichter einen Wirkungsgrad von bis zu 97 Prozent, mehr als 15.000 installierte Module sowie eine Field Return Rate von unter 0,2 Prozent. Die Plattform ist für Stromversorgungssysteme bis 70 kW ausgelegt.
Damit zeigt sich ein wichtiger Grundgedanke bei Power-Systemen: Für die Gesamtverfügbarkeit einer Anlage müssen nicht nur elektrische Kenndaten, sondern auch Wartungsaufwand und mögliche Ausfallursachen berücksichtigt werden.
Monitoring und Kommunikation im Power System
Ein weiterer Unterschied zwischen einem einzelnen Netzteil und einer vollständigen Systemlösung liegt in der Überwachung und Steuerung.
Moderne Stromversorgungssysteme können ihren eigenen Betriebszustand kontinuierlich erfassen und diese Informationen an andere Systeme weitergeben. Dadurch lassen sich beispielsweise Gleichrichter, Wechselrichter, Batterien oder einzelne Versorgungspfade zentral überwachen.
Bei Inission Power übernehmen diese Aufgaben unter anderem die VIDI+ und VIDI2 System Controller. Neben der Steuerung der angeschlossenen Stromversorgungskomponenten unterstützen sie Funktionen wie Float- und Boost-Charging, temperaturkompensierte Batterieladung, Alarm- und Ereignisprotokolle sowie verschiedene Funktionen zur Batterieüberwachung. Dazu gehören unter anderem Batteriestrommessung, Batterietests, Battery Health Analysis, Tiefentladeschutz und Temperaturüberwachung.
Für die Einbindung in übergeordnete Systeme stehen verschiedene Kommunikationsmöglichkeiten wie Ethernet, Modbus, SNMP, RS-232 und IEC 61850 zur Verfügung.
Die Stromversorgung wird dadurch zu einem aktiv überwachten Bestandteil der gesamten Anlage.
Von einzelnen Modulen bis zum kompletten Versorgungssystem
Wie unterschiedlich solche Power-Systeme aufgebaut werden können, zeigt das Portfolio von Inission Power.
Die OPUS-HE-Systemfamilie umfasst nicht nur einzelne Gleichrichter, Wechselrichter und DC/DC-Wandler. Diese Komponenten können zusammen mit Systemcontrollern, Lastverteilung, Batterieschutz und weiteren Funktionen zu Wall-, Rack- oder Cabinet-Systemen kombiniert werden. Die Produktübersicht von Inission zeigt entsprechend Wall Charger, 19"-Rack-Systeme und Cabinet-Systeme sowie die zugehörigen Leistungs- und Steuerungsmodule.
Beispiel 1: Modulares DC-System
Für DC-versorgte Anwendungen lassen sich mehrere Gleichrichtermodule mit Batterie-Backup, Lastverteilung und Systemsteuerung zu einer gemeinsamen Lösung kombinieren. Durch den modularen Aufbau kann die benötigte Leistung an die jeweilige Anwendung angepasst und bei Bedarf redundant ausgelegt werden.
Die MHE-Gleichrichtermodule sind für unterschiedliche DC-Spannungsebenen verfügbar und können in größeren Rack- oder Cabinet-Systemen eingesetzt werden. Je nach Aufbau sind Systeme bis zu 70 kW möglich.
Damit lassen sich beispielsweise Stromversorgung, Batterieabsicherung, Überwachung und Verteilung innerhalb eines abgestimmten Systems zusammenführen.
Beispiel 2: Modulares Wechselrichtersystem
Auch für die Versorgung von AC-Verbrauchern bietet Inission modulare Systemlösungen. Die OPUS DAC60000 Wechselrichtermodule können parallel betrieben und redundant ausgelegt werden.
Inission nennt für diese Systeme einen Leistungsbereich von 1 bis 24 kVA. Neben den Wechselrichtern können unter anderem ein statischer Schalter, manueller Bypass und eine AC-Verteilung in das Gesamtsystem integriert werden.
So kann aus einzelnen Wechselrichtermodulen eine skalierbare und hochverfügbare AC-Versorgung entstehen.
Stromversorgung bereits auf Systemebene planen
Je komplexer eine Anwendung wird, desto sinnvoller ist es, die Stromversorgung frühzeitig als Bestandteil des Gesamtsystems zu betrachten.
Dabei stellen sich nicht nur Fragen nach Ausgangsspannung und Leistung. Ebenso relevant sind unter anderem verfügbare Eingangsspannungen, benötigte Überbrückungszeiten, Redundanzkonzepte, AC- und DC-Verbraucher, Filterung und EMV-Anforderungen, Kommunikationsschnittstellen, Umgebungsbedingungen sowie zukünftige Erweiterungsmöglichkeiten.
FORTEC Power unterstützt bei der Auswahl und Auslegung von Stromversorgungslösungen von einzelnen Standardkomponenten bis hin zu modular aufgebauten Power-Systemen. Gemeinsam mit Herstellern wie Inission Power lassen sich dabei auch komplexe Versorgungskonzepte mit Gleichrichtern, Wechselrichtern, DC/DC-Wandlern, Batterieintegration, Systemsteuerung und Überwachung realisieren.
Denn bei anspruchsvollen Anwendungen ist die passende Stromversorgung häufig mehr als nur ein Netzteil.
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