Aufrechterhaltung der elektrischen Energiequalität innerhalb automatisierter Systeme

Wie bereits in einem früheren DigiKey-Artikel über die Besonderheiten von unsauberer Energieversorgung behandelt, gibt es ein halbes Dutzend Probleme mit der Stromqualität (einschließlich Spannungsspitzen, Ausfälle, Frequenzinstabilitäten und Rauschen), die durch Schwankungen im örtlichen Versorgungsnetz entstehen können. Erschwerend kommt hinzu, dass Variationen auch innerhalb jedes elektrisch betriebenen Automatisierungsgeräts entstehen können. Glücklicherweise gibt es eine Fülle von Komponenten, mit denen sich solche Probleme der Konsistenz von elektrischer Energie lösen lassen. Diese Stromversorgungen und andere Leistungskomponenten sorgen dafür, dass die Maschinen ihre beste Leistung erbringen und verhindern, dass die Maschinen negative Auswirkungen auf das örtliche Stromnetz haben.

Abbildung 1: Diese einphasige Stromversorgung der CP-Serie von PULS wird auf einer Hutschiene montiert, wie sie in der Industrieautomation üblich ist. Zu den Merkmalen gehören eine hohe Immunität gegen Transienten und Leistungsstöße sowie eine geringe elektromagnetische Emission, ein DC-OK-Relaiskontakt, 20% Ausgangsleistungsreserven (wird später in diesem Artikel behandelt) und ein minimaler Einschaltstromstoß. Das speziell beschichtete Netzteil führt auch eine aktive Blindleistungskompensation (PFC) aus. (Bildquelle: EE World)

Die beiden Hauptarten von Problemen mit der Stromqualität, die innerhalb von Geräten auftreten, sind Rauschen und harmonische Störungen.

Elektrisches Rauschen in der elektrischen Leistung bezieht sich auf hochfrequente Spannungsschwankungen. Hohe Frequenz ist natürlich relativ - gemeint sind immer Frequenzen, die wesentlich höher sind als die System-Wechselstromfrequenz. Im Zeitbereich betrachtet, sollte ein Wechselstrom als eine glatte Sinuswelle erscheinen. Rauschen läßt die Welle zerklüftet und rau erscheinen.

In der elektrischen Versorgung von Maschinen gibt es immer ein gewisses Rauschen, das durch den Widerstand der beteiligten leitenden Drähte verursacht wird. Solches Rauschen wird als thermisches Rauschen bezeichnet und stellt im Allgemeinen eine vernachlässigbare Störung dar. Signifikanteres und potenziell schädlicheres Rauschen wird durch lokale Lasten wie Schweißgeräte und Elektromotoren verursacht. Das von solchen Komponenten und Systemen ausgehende Rauschen lässt sich oft nur schwer quantifizieren und stellt das größte Risiko dar. Es kann dazu führen, dass betroffene Geräteunterkomponenten überhitzen, verschleißen oder sogar ausfallen.

Elektrische Oberschwingungen sind Spannungs- oder Stromstörungen bei Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache der System-Wechselstromfrequenz sind. Sie werden durch nichtlineare Lasten wie Gleichrichter, Computer-Netzteile, Leuchtstofflampen und bestimmte Arten von Elektromotoren mit variabler Drehzahl verursacht. Stromoberschwingungen neigen dazu, größer zu sein als Spannungsoberschwingungen und neigen sogar dazu, letztere anzutreiben.

Abbildung 2: Harmonische Wellenformen sind ganzzahlige Vielfache einer Grundwellenform, die (in elektrischen Energiesystemen) mit der Grundwellenform kombiniert werden und Probleme verursachen können. Oberschwingungen entstehen typischerweise durch eine elektrische Last oder innerhalb eines verbundenen Maschinenteils. (Bildquelle: Design World)

Diese elektrischen Oberschwingungen können den Wirkungsgrad und die Lebensdauer von Elektromotoren (aufgrund der Art und Weise, wie sie die Wärmeerzeugung induzieren) dramatisch verschlechtern. Sie können auch Vibrationen und Drehmomentschwankungen in der mechanischen Ausgabe von Elektromotoren verursachen, was die Lebensdauer der in den Motoren integrierten Unterkomponenten der Kraftübertragung - insbesondere der wellenstützenden Lager - verkürzt.

Wichtige Leistungsparameter

Zwei wichtige Spezifikationen für Stromversorgungen sind der Leistungsfaktor und die Haltezeit.

Der Leistungsfaktor ist ein dimensionsloses Verhältnis, das zur Beschreibung des Unterschieds zwischen Wirkleistung und Scheinleistung in Wechselstromsystemen verwendet wird. Die Scheinleistung ist die Kombination aus der Wirkleistung und der Blindleistung. Die Blindleistung wiederum wird dem Netz entnommen, vorübergehend gespeichert und dann ohne Verbrauch wieder abgegeben. Dies wird typischerweise durch induktive oder kapazitive Lasten verursacht, was dazu führt, dass Strom und Spannung phasenverschoben sind. Blindleistung erhöht die Belastung der Verteilungssysteme, verringert die Stromqualität und führt zu höheren Energiekosten.

Im Idealfall hat ein System einen Leistungsfaktor von eins - das heißt, es gibt keine Blindleistung im System. Designs mit Leistungsfaktoren unter 0,95 verursachen eine erhöhte Belastung des Verteilungssystems und können Blindleistungskosten verursachen.

Abbildung 3: Hier abgebildet ist ein AC/DC-Leistungsmodul der Serie TML 100C von Traco Power für 85 bis 100 Watt. Die aktive Leistungsfaktorkorrektur (PFC) gewährleistet einen Leistungsfaktor von besser als 0,95 (für 230 V_AC) und besser als 0,99 (für 115 V_AC). (Bildquelle: TRACO Power)

Überbrückungszeit (Haltezeit, Holdup time) ist, wie lange ein Netzteil nach einem Stromausfall noch Strom innerhalb seiner spezifizierten Spannung liefern kann. Betrachten wir den Fall von unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USVs) und Generatoren - Arten von Reservestromversorgungen, die verwendet werden, um die Kontinuität des automatisierten Betriebs bei Stromausfällen und Spannungsabfällen zu gewährleisten. Wie im letzten Abschnitt dieses Artikels ausführlicher beschrieben, muss eine USV über einen längeren Zeitraum Strom liefern. Je nach USV-Ausführung können diese jedoch eine Verzögerung von bis zu 25 Millisekunden zwischen einem Ausfall der Versorgungsspannung und dem Beginn der Stromversorgung durch die USV mit sich bringen.

Die Überbrückungszeit ermöglicht es der Stromversorgung, diese Lücke zu überbrücken, wobei weitgehend in Kondensatoren gespeicherte Energie verwendet wird. Tatsächlich haben Schaltnetzteile aufgrund ihrer Kondensatoren für höhere Spannungen tendenziell längere Haltezeiten als lineare Netzteile.

Weitere Merkmale zur Lösung maschineninduzierter Leistungsprobleme

Geerdete, isolierte und gefilterte Leistungswandler bilden die Grundlage für eine qualitativ hochwertige Stromversorgung.

Erdung: Eine ordnungsgemäße Erdung ist für die korrekte Funktion einer Stromversorgung unerlässlich. Sie stellt eine Referenzspannung (von der aus alle anderen Spannungen gemessen werden) und einen Rückweg für den elektrischen Strom zur Verfügung. Lesen Sie den DigiKey-Artikel Was Sie über Erdschlusserkennung und -schutz wissen müssen, um mehr über dieses Thema zu erfahren.

Isolation: Obwohl nicht isolierte Stromversorgungen energieeffizienter und kompakter sein können, schützt die Isolation zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung vor gefährlichen Spannungen, die im Falle eines Komponentenausfalls an den Ausgang gelangen. Eine Isolierung kann auch erforderlich sein, um Bediener vor gefährlichen Spannungen zu schützen oder um Geräte vor Transienten und Überspannungen zu schützen.

Zu den Formen der Isolation gehören:

• Physikalische Isolierung zwischen Komponenten
• Induktive Kopplung durch einen Transformator - Stromrichter, die die Spannung eines Stromversorgungssystems ändern
• Optische Kopplungen - die sich am besten für die Signalübertragung zwischen verschiedenen Teilen eines Stromversorgungssystems eignen und gleichzeitig ein sehr hohes Maß an Isolation gewährleisten

Abbildung 4: Stromversorgungen funktionieren oft als Stromrichter, um entweder 1) die Spannung oder Frequenz einer Wechselstromquelle zu ändern oder 2) Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln oder gleichzurichten. Ein typisches Beispiel: Dieser pulsfrequenzmodulierte (PFM) AC/DC-Konverter für 48 V (400 W) der Vicor Corp. verfügt über integrierte Filterung und transienten Überspannungsschutz. Ein Vorbehalt: Der VIA-Konverter (Vicor Integrated Adapter) akzeptiert nur Eingangssignale von einer externen gleichgerichteten Sinus-Wechselstromquelle - mit einem Leistungsfaktor, der vom Modul eingehalten wird. Die Oberschwingungen entsprechen IEC 61000-3-2 und die interne Filterung ermöglicht die Einhaltung der Überspannungs- und EMI-Anforderungen. (Bildquelle: Vicor Corp.)

Elektrische Filter und Überspannungsunterdrückung: Die Überspannungsunterdrückung beseitigt Transienten und Überspannungen und schützt elektrische Geräte vor den Auswirkungen dieser Überspannungsbedingungen. Im Gegensatz dazu glätten elektrische Filter die Systemspannung, um Rauschen und Oberwellen zu entfernen. Mehr über die Filter industrieller Stromversorgungen, die in großen Flugzeugen (mit 400Hz-Stromquellen) verwendet werden, erfahren Sie im Artikel Stromversorgungsbetrieb an einer 400Hz-Quelle. Oder denken Sie an einen anderen elektrischen Filtertyp, den LC-Filter, der besonders in automatisierten Installationen in der Nähe des Einsatzortes als Ergänzung zu Motorantrieben üblich ist. LC-Filter sind eine Art Schwingkreis (auch Abstimmschaltung genannt) mit einer Induktivität L und einem Kondensator C zur Erzeugung von Ausgangssignalen bei einer bestimmten Frequenz. LC-Filter für Motoren dienen gewöhnlich dem Zweck, die rechteckige PWM-Ausgangsspannung eines Antriebs in eine glatte Sinuswelle mit geringer Restwelligkeit umzuwandeln. Zu den Vorteilen gehört die Verlängerung der Motorlebensdauer durch Vermeidung von hohen dv/dt, Überspannung, Überhitzung und Wirbelstromverlusten.

Abbildung 5: Dies ist ein LC-Sinuswellenfilter von Schaffner EMC Inc., mit dessen Hilfe Motorantriebe glatte Sinuswellen ohne Spannungsspitzen in die angeschlossenen Motorwicklungen liefern. Der Filter ermöglicht auch Installationen mit längeren Motorkabellängen. (Bildquelle: Schaffner EMC Inc.)

Überspannungsableiter funktionieren entweder durch Blockieren oder Kurzschließen von Strom - oder durch eine Kombination von Überspannungsblockierungs- und Kurzschließungsmaßnahmen.

Überspannungsschutz durch Blockierung: Strom kann mit Induktivitäten blockiert werden, die plötzliche Stromänderungen dämpfen. Die meisten Überspannungsschutzgeräte verursachen jedoch einen Kurzschluss, wenn eine Überspannung auftritt und leiten den Strom zurück in die Stromverteilungsleitungen, wo er durch den Widerstand in den Leitungen des Stromkreises abgeleitet wird.

Überspannungsschutz durch Kurzschluss: Schneller Kurzschluss (ausgelöst, wenn die Spannung einen eingestellten Wert überschreitet) erfolgt über eine Funkenstrecke, eine Entladungsröhre oder ein Halbleiterbauelement. Nur selten (bei großen oder sehr lang anhaltenden Überspannungen) schmelzen die Stromleitungen oder internen Komponenten des Überspannungsschutzes durch Überspannungen. Kondensatoren können zudem plötzliche Spannungsänderungen dämpfen.

Zu den wichtigsten Spezifikationen für Überspannungsschutzgeräte gehören Klemmspannung, Ansprechzeit und Energienennwert. Die Klemmspannung - auch bekannt als Durchlassspannung - ist die maximale Spannung, die durch den Überspannungsschutz fließen darf. Typisch für 120V-Komponenten ist eine Klemmspannung von 220 V. Die Energieangabe (typischerweise in Joule) ist die maximale Leistung, die aufgenommen werden kann, bevor Komponenten innerhalb des Überspannungsschutzes durchbrennen und ausfallen.

Eine wichtige, aber oft übersehene Spezifikation für Überspannungsschutz ist, was passiert, wenn der Überspannungsschutz ausfällt. Wenn eine Überspannung die Energiestufe des Schutzbausteins überschreitet und interne Subkomponenten ausfallen, kann dieser Baustein nicht mehr vor weiteren Überspannungen schützen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass der Strom abgeschaltet wird: Einige Überspannungsschutzmechanismen (z.B. einige zum Schutz von Servern oder anderen elektronischen Speichern) liefern auch nach einem Ausfall weiterhin Strom. Der einzige Hinweis darauf, dass der Überspannungsschutz nicht mehr existiert, kann eine Warnleuchte sein. Andere Überspannungsschutzkomponenten unterbrechen tatsächlich den Strom oder reduzieren die Stromübertragung, wenn sie ausfallen.

USVs ergänzen Generatoren in kritischen Anwendungen

USVs und Generatoren für die Notstromversorgung gewährleisten die Kontinuität des Betriebs bei Stromausfällen und Spannungsabfällen. USVs verwenden Batterien und sind in der Regel so ausgelegt, dass sie für Zeiträume von einigen Minuten bis zu einigen Stunden Strom liefern. Generatoren verwenden einen Motor, um über einen längeren Zeitraum Strom zu erzeugen, der nur durch den verfügbaren Brennstoff begrenzt ist.

USVs bieten eine sofortige Reaktion auf einen Stromausfall und stellen so eine unterbrechungsfreie Stromversorgung sicher. Generatoren hingegen haben eine Startzeit von mindestens einigen Sekunden. Für Anwendungen, bei denen eine Dauerleistung erforderlich ist, muss eine USV mit einem Generator kombiniert werden, um Strom zu liefern, während der Generator anläuft.

Abbildung 6: Diese unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) für 24 V_DC und 5 A wird auf einer Hutschiene montiert und liefert bei Volllast bis zu 25 Minuten Backup-Strom. (Bildquelle: Phoenix Contact)

USVs schützen Geräte vor Stromausfällen. Offline- oder spannungs- und frequenzabhängige USVs sind die kosteneffektivsten, haben aber zwei wesentliche Mängel:

• Unter normalen Bedingungen leiten Offline-USVs Strom direkt an der Batterie vorbei zum Ausgang. Wenn die USV-Schaltung einen Stromausfall feststellt, verbindet ein Schalter die Batterie über einen Wechselrichter mit dem Ausgang. Das bedeutet, dass die Stromzufuhr bis zu 25 ms lang unterbrochen werden kann.
• Offline-USVs bieten auch wenig bis gar keinen Schutz gegen andere Probleme mit der Stromqualität, wie Überspannungen und Rauschen.

Im Gegensatz dazu arbeitet eine netzinteraktive oder spannungsunabhängige (VI) USV im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie eine spannungs- und frequenzabhängige USV, verfügt jedoch über einen zusätzlichen Spannungsstabilisator, um die Qualität der Leistungsabgabe im Normalbetrieb zu verbessern. Solche Systeme weisen immer noch eine Umschaltzeit auf, während der die Stromversorgung unterbrochen wird - aber das sind in der Regel nur etwa 5 ms, was weit innerhalb der Haltezeit der meisten Stromversorgungen liegt.

Die Online-USVs, auch bekannt als spannungs- und frequenzunabhängige USVs, gehen noch einen Schritt weiter und bieten den größten Schutz. Bei USVs ist die Last nicht direkt mit dem Stromnetz verbunden, sondern wird immer aus der Systembatterie gezogen, die kontinuierlich vom Stromnetz geladen wird. Der Netzwechselstrom wird in Batteriespannung umgewandelt und in Gleichstrom gleichgerichtet, so dass er die Batterie laden kann. Der Strom aus der Batterie wird dann zur Erzeugung von Wechselstrom invertiert und durch einen weiteren Transformator auf Netzspannung hochtransformiert. Dies bedeutet, dass Probleme mit der Netzqualität in der Versorgung keinen Einfluss auf die Ausgangsleistung haben und ein sehr hohes Maß an Netzqualität und Schutz gewährleistet ist. Sie führt jedoch auch zu einer erheblich geringeren Energieeffizienz und höheren USV-Kosten.

Für alle außer den empfindlichsten und kritischsten Lasten ist eine Offline-USV in Verbindung mit einer Stromversorgung mit ausreichender Überbrückungszeit die bessere Wahl.

Fazit

Die Bestimmung der Anforderungen eines Designs an die Stromqualität ist der erste Schritt zur Vermeidung von Ausfallzeiten und Wartungskosten durch eine unsaubere Stromversorgung, elektrisches Rauschen und Oberschwingungen. Diese Anforderungen sind je nach Maschinenkonstruktion und -funktionen sehr unterschiedlich. Sobald diese Parameter jedoch definiert sind, können Entwicklungsingenieure Stromversorgungen mit Filtern, Überspannungsschutz, Notstromversorgung und Leistungskonditionierung richtig spezifizieren. Dies kann die Zuverlässigkeit von automatisierten Geräten erheblich verbessern.