Bild 1: Redundante Stromversorgungskonzepte sind häufig mit Redundanzmodulen kombiniert.

Bild 1: Redundante Stromversorgungskonzepte sind häufig mit Redundanzmodulen kombiniert.Phoenix Contact

Redundante Stromversorgungen verbaut man überall dort, wo Stillstandzeiten unbedingt zu vermeiden sind. Für einen Verbraucher mit 20 A Nennstrom bedeutet dies beispielsweise, dass zwei Stromversorgungen mit je 20 A ausgangsseitig parallel geschaltet sind. Kommt es bei einem der Netzteile zu einem internen Defekt oder zum Ausfall der primärseitigen Netzspannungsversorgung, übernimmt das zweite Gerät automatisch die Belieferung der Last. Dazu müssen die Stromversorgungen so dimensioniert sein, dass ein Netzteil den gesamten Strombedarf der angebundenen Verbraucher in allen Betriebszuständen abdecken kann.

Mögliche Fehlerquellen

Um die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls auf ein Minimum zu reduzieren, gilt es, sämtliche möglichen Fehlerquellen zu berücksichtigen. Nachfolgend sind deshalb potenzielle Ursachen für Störungen in einem redundanten Stromversorgungsaufbau beschrieben sowie entsprechende Lösungen aufgeführt (Bild 2):

Bild 2: Mögliche Fehlerquellen in einem redundanten Stromversorgungssystem.

Bild 2: Mögliche Fehlerquellen in einem redundanten Stromversorgungssystem.Phoenix Contact

  • Fehler in einer Phase der primärseitigen Spannungsversorgung (1)

Die parallel angeschlossenen Netzteile werden an unterschiedlichen Phasen betrieben. Auf diese Weise hat die Störung oder der Ausfall einer Phase keinen Einfluss auf die Belieferung der Last.

  • Kurzschluss oder Kabelbruch in der zuführenden Leitung zur Stromversorgung (2) oder Ausfall eines Netzteils (3)

Beide Fehlerursachen beeinträchtigen die Versorgung der Last nicht. Eine Redundanz liegt vor, weil die zweite Stromversorgung die gesamte Last weiter beliefern kann, sofern das andere Gerät keine Ausgangsspannung mehr zur Verfügung stellt.

  • Kurzschluss zwischen Stromversorgung und Redundanzmodul (4)

Auf einen Blick

Gute Versorgung zu sichern, gelingt durch redundant aufgebaute Stromversorgungskonzepte. Doch Vorsicht: an verschiedenen Stellen des Systems lauern dort mögliche Fehlerquellen. Es lohnt sich, hier genauer hinzuschauen und Gefahren vorab abzuwenden.

In diesem Fall reicht der parallele Betrieb von zwei Netzteilen nicht aus. Es ist vielmehr eine Diode oder ein Redundanzmodul notwendig, das die beiden Stromversorgungen voneinander entkoppelt. Das zweite Netzteil beliefert so weiterhin die Last und speist nicht in den Kurzschluss. Ohne Entkopplung würde die Last nicht mehr versorgt, da der Strom der redundanten Stromversorgung in den Kurzschluss fließt.

  • Kabelbruch zwischen dem Netzteil und dem Redundanzmodul (5)

Indem der Betreiber die Eingangsspannung am Redundanzmodul überwacht, fällt ein Fehler in der Verdrahtung sofort auf. Nach dem Beheben des Fehlers arbeiten die Stromversorgungen wieder redundant.

  • Interner Defekt im Redundanzmodul (6)

Eine Selbstüberwachung meldet interne Fehler, so dass ein Austausch des schadhaften Geräts umgehend erfolgen kann.

  • Kabelbruch zwischen Redundanzmodul und Last (7)

Um die Verfügbarkeit der angebundenen Last zu erhöhen, sollte auch die Verdrahtung bis zum Verbraucher redundant ausgeführt sein. Besitzen alle Module zwei Plus-Ausgangsklemmen, ist eine einfache und schnelle Installation sichergestellt.

  • Zu hoher Laststrom – entweder durch eine fehlerhafte Last oder die nachträgliche Ergänzung von weiteren Verbrauchern (8)

In diesem Fall schaffen die Überwachung des Laststroms und das Verschicken einer Warnmeldung, sobald ein eingestellter Wert überschritten ist, Abhilfe.

Überwachung des Laststroms

Bild 3: Überwachung der Redundanz über den Laststrom.

Bild 3: Überwachung der Redundanz über den Laststrom.Phoenix Contact

Ein Beispiel verdeutlicht den Vorteil, der sich aus der Kombination von Laststromüberwachung und Warnmeldung ergibt (Bild 3). Schließt der Anwender bei einer Anlagenerweiterung zusätzliche Lasten an eine redundante Stromversorgung an, kann dies zum Verlust der Redundanz führen. Eine Steuerung, die 5 A benötigt, versorgt beispielsweise zwei redundante Netzteile; sie liefern je 5 A Nennstrom. Nun koppelt der Anwender eine weitere Last mit 3 A an. Aufgrund ihrer Leistungsreserve liefert die Stromversorgung problemlos 8 A, ohne dass ein Spannungseinbruch zu verzeichnen ist. Allerdings liegt keine Redundanz mehr vor. Fällt jetzt eines der beiden Netzteile aus, kann das zweite Gerät die 8 A nicht zur Verfügung stellen, denn dafür reicht seine Leistungsreserve nicht aus.

Vor diesem Hintergrund erweist sich die Kontrolle des Laststroms als wichtig. Dann bemerkt der Anlagenbetreiber sofort, wenn keine Redundanz mehr vorhanden ist. Das Produkt-Portfolio von Phoenix Contact für Redundanzmodule umfasst daher Oring-Geräte mit einer Funktion, die den Anwender bei Überlast informiert. Dies geschieht erst nach vier Minuten Verzögerung, damit hohe Ströme, die zum Beispiel durch das Anlaufen von Motoren entstehen, nicht als dauerhafte Überlast Meldung finden.

Verdopplung der Lebensdauer

Durch Unsymmetrien – also die ungleichmäßige Einstellung der Ausgangsspannungen – speist oftmals lediglich ein Netzteil die Last, während das andere Gerät im Leerlauf arbeitet. Dies führt zu einer thermischen Belastung der speisenden Stromversorgung und somit zu einer schnelleren Alterung. Betreibt der Anwender die Netzteile jeweils nur mit dem halben Nennstrom, sinkt deren Temperatur um rund 10 °C und die Lebensdauer erhöht sich beträchtlich.

Die von Phoenix Contact entwickelte und in die Oring-Module integrierte Auto Current Balancing Technology (ACB) verdoppelt die Lebensdauer des Stromversorgungssystems, indem sie beide Netzteile gleichmäßig auslastet. Zu diesem Zweck arbeiten die Module mit Mosfets anstelle herkömmlicher Schottky- oder Silizium-Dioden. Die Mosfets regeln Eingangsspannungs-Differenzen bis 300 mV aus. Der Laststrom teilt sich automatisch vollkommen symmetrisch auf. Zudem lässt sich im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen bis zu 70 Prozent Energie einsparen. Die geringe Verlustleistung sorgt darüber hinaus dafür, dass alle Schaltschrank-Komponenten kühler bleiben.

Bild 4: Die durchgängige Überwachung der Redundanz erhöht die Verfügbarkeit, überwachte Abschnitte erscheinen grün.

Bild 4: Die durchgängige Überwachung der Redundanz erhöht die Verfügbarkeit, überwachte Abschnitte erscheinen grün.Phoenix Contact

Volle Überwachung

Oring-Module überwachen als einzige Geräte die gesamte redundante Lösung von den Ausgangsspannungen der Stromversorgungen über die Verdrahtung und die Entkopplungsstrecke bis zum Laststrom (Bild 4). Die potenzialfreien Signalkontakte „Redundancy Ok“ und „ACB Ok“ sowie die LED-Anzeigen dienen der Kontrolle der einwandfreien Funktion der Geräte. Die Auslastung der Stromversorgungen wird übersichtlich mittels Bargraph signalisiert. So lässt sich auf einen Blick erkennen, welche Eingangsspannung höher ist; respektive welche Stromversorgung stärker belastet ist.

Der Anwender kann verschiedene Zustände einfach ablesen und auf diese Weise Probleme schnell feststellen und kurzfristig beheben. Ein rotes Blinken zeigt beispielsweise an, dass die Netzteilspannung an einem Eingang um mehr als 300 mV höher ist als am anderen Eingang. Handelt es sich um ein dauerhaftes rotes Leuchten, ist ein Mosfet in diesem Pfad defekt. Anzeige und Darstellung entsprechen dabei der Empfehlung der Normen-Arbeitsgemeinschaft Mess- und Regeltechnik (NAMUR).

Anwendungsspezifisch wählen

In sensiblen Applikationen sorgt ein redundanter Aufbau der Automatisierungslösung für hohe Verfügbarkeit. In diesem Zusammenhang sind auch entsprechende Stromversorgungskonzepte zu empfehlen, wobei je nach Anwendung zwischen Varianten ohne Entkopplung sowie inklusive Modellen mit Entkopplung über eine Diode oder ein Mosfet abzuwägen ist.

Phoenix Contact Power Supplies

Die AP-Tronic AG aus Bad Sassendorf, die zur Phoenix-Contact-Gruppe gehört, wird ab Jahresbeginn 2014 mit dem Geschäftsbereich Stromversorgungen der Phoenix Contact Electronics GmbH aus Bad Pyrmont als eigene Gesellschaft, die Phoenix Contact Power Supplies GmbH, den Standort Paderborn beziehen. Dafür wurde das ehemalige Verwaltungsgebäude des Leuchtenherstellers Hella erworben. In Paderborn werden zukünftig rund 140 Mitarbeiter tätig sein. Industrielle Märkte wie Automation, Umwelttechnik, erneuerbare Energien sowie die Prozesstechnik liegen im Fokus der Gesellschaft.