Hutschienenmontierbare unterbrechungsfreie DC-Stromversorgungen zum Schutz von DC-gespeisten Geräten

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USVs) sind integraler Bestandteil vieler industrieller Anwendungen. Überall dort, wo eine Unterbrechung der primären Stromversorgung zu Datenverlusten führen, empfindliche Geräte beschädigen, die Sicherheit gefährden oder Leben bedrohen könnte, ist eine USV Teil des Systems. Diese kritischen Systeme schalten die Last bei einem externen Stromausfall automatisch auf Batteriebetrieb um, so dass Zeit gewonnen wird, um eine andere Stromquelle anzuschließen oder die Geräte sicher abzuschalten.

USV-Systeme werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Telekommunikation, Krankenhäuser und Rechenzentren. USVs für Gleichstromlasten schützen Geräte im Transportwesen, in der Stromerzeugung, in der Fabrik- und Gebäudeautomatisierung, in der Halbleiterfertigung, im Sicherheitsbereich und in vielen anderen Bereichen.

Eine USV ist mehr als nur ein einfacher Schalter zwischen einer externen Stromversorgung und einer Backup-Batterie, sie muss auch den Zustand der Batterie und die Eingangs-/Ausgangsspannungen verwalten. Ein Techniker, der eine USV zu einem bestehenden oder geplanten Gerät hinzufügt, muss ein Produkt auswählen, das den Anforderungen der Last und der Batterie entspricht, sowie die Anforderungen an die Schnittstelle und den sicheren Betrieb der USV berücksichtigen.

Verständnis der Funktionsprinzipien von USVs

Bei Geräten, die für die Einspeisung von Wechselstrom (AC) ausgelegt sind, wird eine AC-USV verwendet, die den Gleichstrom einer Pufferbatterie mit Hilfe von Wechselrichterschaltungen in einen für die Last geeigneten Wechselstromausgang umwandelt (Abbildung 1). Im Normalbetrieb umgeht die extern zugeführte Wechselspannung die Batterie und den Wechselrichter und versorgt die Last direkt. Bei einem Stromausfall wird die Energie aus der Batterie durch den Wechselrichter geleitet, um die Last mit der erforderlichen Spannung zu versorgen, bis die Batterie leer ist, die Stromversorgung wiederhergestellt ist oder eine andere Stromquelle angeschlossen wird.

Eine Wechselstrom-USV enthält auch einen Gleichrichter, der ins Spiel kommt, solange Wechselstrom verfügbar ist. Der Gleichrichter wandelt einen Teil des zugeführten Wechselstroms in Gleichstrom mit einer zum Laden der Batterie geregelten Spannung um.

Abbildung 1: Eine Wechselstrom-USV umgeht die Batterie, bis sie benötigt wird, und wandelt dann mit einem Wechselrichter den Gleichstrom aus der Batterie in den von der Last benötigten Wechselstrom um. Ein Gleichrichter lädt die Batterie auf, während der Wechselstrom zur Verfügung steht. (Bildquelle: TDK-Lambda)

Eine Gleichstromlast hingegen kann über eine DC-USV direkt an eine Pufferbatterie angeschlossen werden. Eine DC-USV hat zwei Hauptfunktionen. Wenn eine externe Stromversorgung vorhanden ist, arbeitet sie als interner bidirektionaler DC/DC-Wandler. Dadurch kann sie sowohl die Batterie aus gleichgerichteter Wechselspannung aufladen als auch in die für die Gleichstromlast geeignete Spannung umwandeln (Abbildung 2). Bei einer externen Stromunterbrechung fungiert sie als DC/DC-Wandler und liefert eine geregelte Spannung von der Batterie an die Last.

Abbildung 2: Bei einer DC-USV versorgt die Batterie die Last direkt. Wenn die Stromversorgung wiederhergestellt ist, versorgt die gleichgerichtete externe Wechselspannung die Last und lädt die Batterie. (Bildquelle: TDK-Lambda)

Die DC-USV DUSH960 von TDK-Lambda (Abbildung 3) arbeitet mit DC-Eingangsspannungen zwischen 12 V und 60 V. Sie liefert bis zu 20 A und 960 W bei benutzerprogrammierten Spannungen zwischen 12 und 48 VDC. Als programmierbare DC/DC-Wandler können die DUSH960-Einheiten ohne Batterie in einem Eingangs- und Ausgangsbereich von 10 V bis 60 V (12 V bis 48 V nominal) eingesetzt werden.

Da die Pufferbatterie die Last direkt versorgen kann, ohne dass ein Wechselrichter erforderlich ist, sind DC-USV-Systeme äußerst effizient. Sie können zuverlässig 96% bis 98% der aus der Batterie entnommenen Energie liefern.

Abbildung 3: Die DC-USV-Modelle DUSH960 wandeln die Gleichspannung aus den Backup-Batterien in die von einer Gleichstromlast benötigte Spannung um. Sie sorgen auch für das Wiederaufladen der Batterien, wenn die Stromversorgung wiederhergestellt ist. (Bildquelle: TDK-Lambda)

DC-USV-Batterieoptionen

Da DC-USVs, wie die der Serie DUSH960, Gleichstromwandler sind, können sie mit einer Vielzahl von Energiespeichertechnologien eingesetzt werden. Blei-Säure-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien (Li⁺), Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) und Superkondensatoren können mit diesen DC-USVs für Speicherkapazitäten bis zu 20 A und 1000 Ah eingesetzt werden.

Jeder Batterie- oder Superkondensatortyp ist in einer Reihe von Versorgungsspannungen erhältlich, die von der Größe und Konstruktion des Netzteils abhängen. Darüber hinaus ändert sich die Batteriespannung mit der Entladung der Batterie, mit Temperaturschwankungen und mit der Anzahl der Lade- und Entladezyklen.

Die DC/DC-Wandlerfunktion der DUSH960 eliminiert diese Schwankungen und stellt sicher, dass die programmierte Gleichspannung an die Last geliefert wird, unabhängig davon, ob die Notstromversorgung 10 V, 58 V oder etwas dazwischen liefert.

Sicherheitsvorkehrungen und Sicherheitsbewertungen

Neben den DC/DC-Wandlerfunktionen der Serie DUSH960 verfügen die Geräte über Messfunktionen und Schaltungen zum Schutz von Batterie und Last. Die DC-USVs schützen vor einer Verpolung der Batterie, die die Batterie und andere empfindliche Elektronik beschädigen könnte. Ihre Sensoren überwachen auch den Zustand der Batterien, erkennen und verhindern Tiefentladung und Überstrom.

Wenn die Stromversorgung wiederhergestellt ist und das System die Batterie auflädt, stellt die Firmware das passende Ladeprofil für den angeschlossenen Batterietyp bereit. Die Geräte überwachen auch die Umgebungstemperatur und optimieren die Ladespannung entsprechend, indem sie sie bei wärmeren Umgebungstemperaturen absenken und bei kalter Umgebung erhöhen.

Die DUSH960-Einheiten sind für den Nennbetrieb in einem breiten Temperaturbereich ausgelegt: -40ׄ°C bis +40°C. Zwischen -50°C und +70°C ist der Betrieb zulässig, jedoch muss die zulässige Stromstärke mit steigender Temperatur linear um 12 W/°C von 15 A reduziert werden.

Die Einheiten sind nach mehreren Sicherheitsstandards zertifiziert, darunter IEC/EN/UL/CSA 61010-1, IEC/EN/UL/CSA 61010-2-201 und IEC/EN/UL/CSA 62368-1 (Ausgabe 3). Sie tragen außerdem die CE- und UKCA-Markierungen für die Niederspannungs- und RoHS-Richtlinien.

DC-USV-Installation und Schnittstellen

Die DUSH960-Einheiten erfüllen nicht nur internationale Sicherheitsstandards, sondern sind auch für eine standardisierte Installation ausgelegt. Die Montage der DUSH960-Einheiten ist schnell und einfach, da es sich um Hutschienenmodule handelt. Mit einer Breite von 55 mm, einer Höhe von 115 mm und einer Tiefe von 110 mm (2,13 in. x 4,53 in. x 5,17 in.) wiegen die kompakten DUSH960-Einheiten nur 470 g bei der DUSH960-1248-1M und 500 g bei der DUSH960-1248-0M. Beide Einheiten sind mit den Hutschienen TS35/7.5 und TS35/15 kompatibel.

Damit die Benutzer die eingebauten Sensoren und die Programmierbarkeit optimal nutzen können, verfügen die DUSH960 über mehrere Schnittstellenoptionen. Auf der Vorderseite des Modells DUSH960-1248-0M (Abbildung 4) befindet sich ein 1,5 Zoll LCD-Farbbildschirm und vier Bedientasten ermöglichen die manuelle Überwachung und Programmierung.

Abbildung 4: Die USV DUSH960-1248-0M verfügt über einen LCD-Farbbildschirm mit vier Bedientasten auf der Vorderseite. Das Bedienfeld enthält auch Anschlusspunkte für Modbus/RTU, Batterietemperatursensoren und mehr. (Bildquelle: TDK-Lambda)

Die Frontplatte der DUSH960-1284-1M verfügt über Indikator-LEDs in einem kostenoptimierten Modell für weniger gut zugängliche Anwendungen. Diese LEDs signalisieren Fehler, Warnungen und Alarme und zeigen den Betriebsmodus der DC-USV an: normaler Netzbetrieb mit Batterieerhaltung, normaler Netzbetrieb mit Batterieladung oder Backup-Modus.

Zu den weiteren Kommunikations- und Sensoranschlüssen gehören ein isoliertes Remote-Ein-/Aus-Signal und zwei normalerweise offene (NO) Trockenkontakt-Relaiskontakte, die bei Bedarf Signale liefern, aber im offenen Zustand keinen Strom verbrauchen. Eingänge für optionale Batterie-Temperatursensoren sind am Gerät vorhanden; die Sensoren sind separat erhältlich.

Die Variante DUSH960-1248-0M verfügt außerdem über einen 5A-Hilfsausgang von der Batterie. Obwohl die Spannung an diesem Ausgang ungeregelt ist und der Entladespannung der Batterie entspricht, bietet der Anschluss einen Überstromschutz.

Alle Modelle der DUSH960 lassen sich auch an industrielle Automatisierungssysteme anschließen. Ein Mini-USB-B-Anschluss ermöglicht die Verbindung über RS485 mit einer Modbus/RTU-Steuersoftware. Diese Verbindung und die mitgelieferte PowerCMC-Software ermöglichen es dem Benutzer, die Leistung des Geräts zu überwachen, Vorlagen für die Eingangs- und Ausgangsspannung und andere Parameter einzustellen, mehrere Geräte zu standardisieren und Alarmprotokolle zu führen.

Fazit

USVs liefern kritische Notstromversorgung, um ein sicheres Herunterfahren zu ermöglichen, wichtige Daten zu sichern, die Sicherheit der Benutzer und der Öffentlichkeit zu gewährleisten und wirtschaftliche Verluste zu vermeiden. Mit standardisierter Hutschienenmontage, gesicherter DC/DC-Wandlung und vielfältigen Schnittstellenoptionen bieten die DC-USV-Produkte DUSH960 von TDK-Lambda hocheffiziente, anpassbare Backup-Lösungen über einen weiten Bereich von Eingangs- und Ausgangsspannungen und sind mit den gängigsten elektrolytischen und elektrostatischen Energiespeichertechnologien kompatibel.