Bestens gekühlt

Ein wichtiger Faktor für die Stabilität eines Netzgerätes ist die Temperatur. Die Leistungsumwandlung geht mit Verlusten einher, die sich in Form von unerwünschter Wärmeentwicklung äußern. Normalerweise wird diese Wärme an die Umgebung abgeführt, und zwar durch Zwangsbelüftung, Konvektion oder Konduktion, häufig aber auch mit einer Kombination aus allen dreien. Lassen aber die Umgebungsanforderungen keine traditionelle Luftkühlung zu, wie zum Beispiel in Reinräumen für die Halbleiterproduktion, setzt man stattdessen vermehrt auf die Kühlung durch Flüssigkeit.

Die Wasserkühlung stellt eine bewährte Technik zur Wärmeabfuhr in ausgefeilten Prozessanlagen, die in kontrollierten Umgebungen eingesetzt werden, dar. Diese Kühltechnik schützt nicht nur die Umgebungsluft vor etwaigen Schmutzpartikeln, sondern schützt auch das Netzgerät vor Schmutzteilchen aus der Luft, was der Lebensdauer des Netzgerätes zugutekommt. Zudem sind Netzgeräte mit Wasserkühlung deutlich leiser im Vergleich zu Geräten mit Luftkühlung.

Der herausragende Vorteil von Netzgeräten mit Wasserkühlung ist jedoch in ihrer hohen Leistungsdichte zu sehen: Mit Wasserkühlung und einer ausgefeilten digitalen Regelung ist es möglich, die Leistungsdichte der Stromversorgungen bis auf das Doppelte anzuheben. Ein Netzgerät mit einer Leistung von 30 kW lässt sich mit Hilfe der Wasserkühlung auf eine Bauform von drei Höheneinheiten reduzieren. Bei Verwendung einer Luftkühlung lassen sich dagegen in der Regel nur 15 kW in der gleichen Bauhöhe unterbringen. In drei Höheneinheiten ließe sich damit ein Netzgerät mit 30 kW Leistung unterbringen, während eine konventionelle luftgekühlte Lösung hier nur auf 15 kW käme. Netzgeräte mit Wasserkühlung sind somit besonders für Anwendungen, die hohe Leistungen erfordern, vorteilhaft.

Vorteile der digitalen Technik

In einer Zeit, in der man fast alles mit dem Attribut digital bewirbt, können die wirklichen Vorteile der digitalen Regelung leicht aus dem Blick geraten. Netzgeräte etwa werden traditionell mithilfe einer relativ einfachen analogen Regelschleife ausgestattet. Diese reguliert die Verstärkung entsprechend der Ausgangsleistung. Die einfache Kompensation von Lastschwankungen durch eine solche Rückkopplung ist zweifellos reaktionsschnell und kann in vielen einfachen Anwendungen eine zufriedenstellende Regelung ermöglichen. Allerdings ist die analoge Regelung unflexibel und anfällig für Oszillationen und Überkompensation. Als Abhilfe versieht man die Regelung meist mit einer Hysterese, die Oszillationen unterbinden soll. Ein Stellsignal in einer rein analogen Regelschleife mit einer präzisen Hysterese zu versehen, kann sich allerdings schwierig gestalten und Stabilitätsprobleme hervorrufen.

Bild 2: Die Status-LEDs auf der Frontseite der Stromversorgungsserie ASD.Ametek

Viele der heutigen anspruchsvollen Fertigungsprozesse tolerieren nur geringfügige Instabilitäten in der Stromversorgung und setzen ein Maß an Regelung voraus, das mit analoger Technik nur schwierig zu realisieren ist.

Sorgfältig implementiert, ist die digitale Regelung der analogen Technik in Sachen Stabilität und Flexibilität überlegen. Allerdings gilt es auch beim Design programmierbarer Stromversorgungen zwischen verschiedenen Fähigkeitsgraden zu unterscheiden.

Ein programmierbares Netzgerät enthält üblicherweise mindestens zwei Regelschleifen: Die äußere Regelschleife vergleicht den Ist-Wert am Ausgang mit dem Sollwert des Stroms beziehungsweise der Spannung und passt die Stellgröße entsprechend an. Die innere Regelschleife kann aus mehreren einzelnen Rückkoppelschleifen bestehen, die gemeinsam dafür sorgen, dass das Netzgerät und/oder die angeschlossenen Verbraucher vor Problemen wie zu hohen Temperaturen, zu hohen oder zu niedrigen Spannungen, Kurzschlüssen, dem Umschalten der Betriebsart, Blindlasten oder schnellen Lastwechseln geschützt sind.

Bei einer analogen Lösung müssen wegen des unflexiblen Designs stets Kompromisse eingegangen werden, beispielsweise zwischen Stabilität, Einschwingverhalten, Überschwingern und Regelgenauigkeit, um nur einige Parameter zu nennen.

Diese Parameter werden von der Toleranz und Stabilität diskreter aktiver und passiver Bauelemente diktiert, die ihrerseits genutzt werden, um die Schleifenverstärkung zu definieren und die Filterung des Rückkoppelsignals und die Komparator-Parameter festzulegen. Ein Universal-Netzgerätedesign kann folglich niemals den Anforderungen aller Anwendungen gerecht werden. Ziel ist es vielmehr, ungefähr 80 Prozent aller möglichen Applikationen abzudecken.

Die Verfügbarkeit hochpräziser und schneller integrierter Schaltungen für die Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlung (ADCs und DACs) zusammen mit relativ leistungsfähigen und dennoch preisgünstigen digitalen Signalprozessoren (DSPs) macht es inzwischen möglich, den Großteil der fest vorgegebenen diskreten Bauelemente durch flexible integrierte Schaltungen zu ersetzen. Das Resultat ist eine vollständig digitalisierte äußere Regelschleife, bei der Parameter wie die Schleifenverstärkung, die Filterung des Rückkoppelsignals und so weiter nicht mehr starr festgelegt, sondern dynamisch anpassbar sind.

Bis vor kurzem konnten die allgemein angebotenen ADCs, DACs und DSPs den hohen Geschwindigkeitsanforderungen der inneren Regelschleifen nicht gerecht werden. Diese Situation hat sich jedoch zum Nutzen der Netzgeräte-Designer geändert, so dass diese Bauelemente jetzt auch in die inneren Regelschleifen Einzug gehalten haben.

Diese Weiterentwicklung der digitalen Technik hat Ametek Programmable Power (Vertrieb: Compumess Elektronik) in der Entwicklung und Design seiner neuen programmierbaren DC-Stromversorgungen umgesetzt und brachte die Serie ASD (Advanced Sorensen Design) auf den Markt: Sie besteht aus zwölf programmierbaren DC-Stromversorgungen mit 0…40 V beziehungsweise 0…60 V und Leistungen von 10 bis 30 kW, die auf einem rein digitalen Konzept basieren und deren Vorteile in der digitalen Echtzeitregelung und der Wasserkühlung liegen.

Anstelle einer analogen Rückkoppelschleife nutzt die ASD-Serie einen DSP zur Stabilisierung der Stromversorgung. Neben verbesserten Regeleigenschaften bringt dies eine ganze Reihe weiterer Features mit sich. Da die Regelung infolge der digitalen Implementierung bedeutend flexibler ist, haben die Anwender wesentlich mehr Einfluss auf die Regelcharakteristik. Besonders nützlich ist dies immer dann, wenn für empfindliche Verbraucher die Anstiegsraten von Strom und Spannung limitiert werden müssen.

Mit einem externen Temperatursensor ausgestattet, kann die ASD-Serie sogar als Ersatz für eine speicherprogrammierbare Steuerung dienen, wenn in einer Anwendung ein Heizelement zum Einsatz kommt und eine Temperaturregelung benötigt wird.

Diagnose-Möglichkeiten

Die digitale Regelung impliziert, dass eine Signalumwandlung erfolgt. Analoge Messwerte werden zunächst in digitale Daten umgewandelt und die Regelsignale in Form von Bits und Bytes digital erzeugt, bevor sie entweder in ein moduliertes digitales Signal (zum Beispiel ein PWM-Signal) oder ein analoges Signal umgewandelt werden. Dieser Datenpfad ist unerlässlich für die Implementierung eines Regelalgorithmus in einem DSP. Als Nebenprodukt der dabei generierten enormen Datenmengen stehen aber wertvolle Informationen über die Funktion des Netzgeräts und der angeschlossenen Verbraucher zur Verfügung. In Verbindung mit einer eingebauten Echtzeituhr können diese Daten sogar mit Zeitstempeln versehen werden und den Betrieb des Netzgeräts akkurat protokollieren.

Die ASD-Serie bietet all diese technischen Eigenschaften. Die Daten werden hier jedoch noch besser genutzt und dafür verwendet, eine Reihe analytischer Funktionen zu implementieren. Das Netzteil zeichnet beispielsweise die vom Bediener per Steuer-Software eingegebenen Betriebsbedingungen auf, die auch zum Konfigurieren des Netzgeräts herangezogen werden können. Dank des DSP verfügt die ASD-Serie außerdem über eine als ADAM (Advanced Diagnostics and Maintenance) bezeichnete Funktion.

ADAM fungiert als eine Art Blackbox und ermöglicht den Zugriff auf zahlreiche Parameter wie zum Beispiel Spannung, Strom, Leistung und Lastimpedanz. Damit stehen aussagefähigere Informationen zur Verfügung, mit denen Fehler nicht nur eingekreist, sondern auch vorhergesagt werden können.

Bild 3: Die externen Schnittstellen auf der Rückseite der ASD-Stromversorgung.Ametek

Da zusätzlich auch Schnittstellen für Industriestandard-Netzwerke (Modbus-TCP, Modbus-RTU, Ethernet und Internet Protocol) vorhanden sind, kann auf diese Daten auch aus der Ferne zugegriffen werden. Auch die Fernkonfiguration ist möglich.

Fazit

Die von Compumess erhältlichen wassergekühlten DC-Stromversorgungen der Serie ASD sind aber vor allem wegen ihrer hohen Leistungsdichte bemerkenswert: selbst die 30-kW-Modelle haben eine Einbauhöhe von lediglich 3 HE, was Platz im Testlabor spart. Besonders im Einsatz für High-Power-Anwendungen wie zum Beispiel der Bordnetzsimulation mit 48 V_DC im Automobilbereich kommt die platzsparende Bauweise der ASD-Serie voll zur Geltung. Weitere Einsatzmöglichkeiten bieten sich unter anderem in Semiconductor-Anlagen (zum Beispiel als Quelle für thermische Verfahren), in der Galvanisierung sowie in Burn-in-Anwendungen.