Redundanz und Parallelschaltung

Es gibt verschiedene Arten der Redundanz. Immer erforderlich ist eine Entkopplung, also eine Vermeidung der Rückspeisung. Realisiert wird dies über Dioden (Spannungsabfall und Verluste) oder aktiv durch MOSFETs (O-Ring) mit geringem Spannungsabfall und geringen Verlusten. In seltenen Fällen über Relais.

N+1-Redundanz

Bilder 1a - 1c: Lastverteilung über eine schräge Kennlinie mit Ausnutzung des Toleranzbereiches von ±3 % (±0,72 V). Inpotron

Bild 1b Inpotron

Bild 1c Inpotron

Bild 2: Ein Beispiel bei Verwendung von unterschiedlichen Leitungslängen. Inpotron

Bei der N+1-Redundanz ist in einem System mit N notwendigen Netzteilen ein zusätzliches Netzteil vorhanden, um einen eventuellen Ausfall eines Gerätes zu kompensieren. Sind beispielsweise vier Netzteile erforderlich, werden fünf verbaut. Fällt eines aus, kann das System weiter versorgt werden. Bei der N+1-Redundanz gilt es einiges zu beachten. Zum einen müssen die Netzteile entkoppelt sein, eine Rückspeisung von einem zum anderen Netzteil ist zu verhindern. Eine Meldung an Systembetreiber muss erfolgen und ausgewertet werden, um einen Service durchzuführen. Sinnvollerweise sollten die Netzteile gleich belastet sein. Eine Kommunikation zwischen den Netzteilen zur Lastaufteilung (Load-Sharing, Load-Balancing) ist erforderlich. Zu beachten gilt weiterhin, dass bei einem Systemstart über die Versorgungsspannung alle Netzteile gleichzeitig auf den Verbraucher geschaltet werden müssen, da es ansonsten zu Überlastungen und gegebenenfalls zu einem Systemausfall kommen kann. Das Reservenetzteil wird nur bei Ausfall eines Netzteils hinzugeschaltet. In diesem Fall lässt sich nur hoffen, dass das „schlafende“ Netzteil nach Jahren seine Aufgabe nicht vergessen hat. Hier ist ein gutes Timing notwendig. Vielfach wird dies mit einer leicht abgesenkten Ausgangsspannung des redundanten Netzteils realisiert.

Versorgungsredundanz

Bei der Versorgungsredundanz erfolgt die Speisung des Netzteils aus zwei unabhängigen Quellen, zum Beispiel AC- und DC-Eingang, bei dem meist AC Vorrang hat und DC der Notversorgung dient. Es gibt auch Lösungen, bei denen die Netzteile aus zwei Phasen (L1/L2) versorgt werden. Allerdings ist hierbei der Nachteil, dass ein Ausfall des Netzteils auch ein Ausfall des Systems bedeutet.

Bei der Redundanz durch eine DC-USV ist ein Speicher (Akku) Systembestandteil und er übernimmt die Notversorgung. Dieser Speicher muss im fehlerfreien Betrieb vom Netzteil geladen und überwacht werden. Bei Sicherheitsanwendungen gelten zudem besondere Bedingungen für die Prüfung der Akkus. Diese Art der Redundanz hat diverse Nachteile. Zum einen muss der Akku geladen werden, denn nur ein geladener und intakter Akku kann den Notbetrieb sicherstellen. Weiterhin kann der Ausfall des Netzteils einen Totalausfall des Systems bedeuten. Im besten Fall funktioniert dann noch der Akku-Notbetrieb. Ein weiterer Nachteil ist die beschränkte Lebensdauer der Akkus. Insbesondere Blei-Akkus sind Serviceteile. Auch hier muss eine Meldung an den Systembetreiber erfolgen und ausgewertet werden, um einen Service durchzuführen. Eine Kurzzeit-Überbrückung (Sekunden bis Minuten) mithilfe von Doppelschicht-Kondensatoren anstelle von Akku-Lösungen bietet eine Service-freie Möglichkeit, die Systemsicherheit zu erhöhen. Von Nachteil sind jedoch die hohen Kosten, ein großes Volumen und ein geringes Speichervermögen sowie ein eingeschränkter Temperaturbereich.

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Bild 3: Was passieren kann, wenn vorhandene Stromversorgungen zur Leistungserhöhung parallel geschaltet werden. Inpotron

Am Anfang des Artikels wurde die Parallelschaltung aus Systemabsicherungsgründen (= Redundanz) beschrieben. Soll eine Lastverteilung stattfinden, so sind hierzu Maßnahmen notwendig. Die sicherste und eleganteste ist eine Kommunikation zwischen den Netzteilen, die eine Stromsymmetrierung sicherstellt. Diese Konzeptionierung erfordert „einen“ Kommunikationspfad (Anschluss). Üblicherweise werden im Parallelbetrieb zwei Netzteile mit zirka 50 Prozent Belastung zur System-Redundanz verwendet. Die Lastverteilung kann zwischen den Netzteilen mittels „Intelligenz“ über eine Schnittstelle erfolgen, es gibt jedoch auch die Möglichkeit der „schrägen Kennlinie“. Letzteres ist mit dem Anwender abzustimmen, hier gilt es, den Toleranzbereich auszunutzen.

Parallelschaltung zur Leistungserhöhung

Gerne werden vorhandene Stromversorgungen zur Leistungserhöhung parallel geschaltet, um auf ein neues Modell mit größerer Leistung verzichten zu können. Häufige Gefahr hierbei ist eine Systemfehlfunktion beim Vorgang „Hochlauf“. Startverzögerungen zwischen zwei gleichzeitig eingeschalteten Netzteilen liegen durchaus im Bereich mehrerer 100 ms. Hochlaufzeiten bei wenigen, einstelligen ms.

Bild 4: Zur Leistungserhöhung müssen die Netzteile die Last aufteilen. Entweder über eine schräge Kennlinie oder mittels einer Kommunikation zwischen den Netzteilen, die eine Stromsymmetrierung sicherstellt. Inpotron

Was dabei passieren kann, veranschaulicht Bild 3. Die Netzteile hier im Beispiel starten unterschiedlich schnell, während der On-Zeit arbeiten sie im Überlastmodus. Sie starten dann wieder nach einer Verzögerungszeit, dieser Vorgang wird als hicc-up-Modus bezeichnet. Gleiches gilt für NT1 und NT2. Mit Glück überschneiden sich irgendwann die on-Zeiten und das System kann versorgt werden. Wenn nicht, dann nicht.

Um diese Problematik zur vermeiden, gibt es mehrere Optionen. Die Netzteile müssen zu 100 Prozent überlastfähig sein, also 200 Prozent der Nennlast tragen können. Das bedeutet meist eine deutliche Überdimensionierung und zusätzliche Kosten. Alternativ kann über eine zweite Leitung der Status des ersten Netzteils abgerufen werden und beide werden zeitgleich über einen elektronischen Schalter auf den Netzteilen auf den Verbraucher geschaltet. Ein weiterer Lösungsansatz ist die verzögerte Lastzuschaltung durch den Kunden. Hierfür muss der Anwender eine ausreichende Expertise mitbringen (Bild 4).

Bild 5: 50W-Redundanznetzteil mit präziser Lastaufteilung über schräge Kennlinie. Inpotron

Ganz wichtig hierbei ist, dass zur Leistungserhöhung die Netzteile die Last aufteilen müssten. Dies erfolgt entweder über eine schräge Kennlinie, wie vorab beschrieben, oder mittels einer Kommunikation zwischen den Netzteilen, die eine Stromsymmetrierung sicherstellt. Falls das nicht beachtet wird, so wird eines der Netzteile mit leicht höherer Ausgangspannung immer im Überlastmodus arbeiten und das zweite hat ein „gemütliches Leben“. Dies erzeugt ein System-hot-spot mit reduzierter Lebensdauer. Auch ärgerlich, das eine (überlastete) Netzteil schaltet nach einer undefinierten Zeit ab.

Bild 6: 300W-Versorgungs-Redundanznetzteil mit primärseitiger DC-Backup-Speisung. Inpotron

Das Fazit, das sich daraus ziehen lässt: Redundanz und Parallelschaltung müssen verstanden werden. Nur Profis beherrschen dies.

(ah)