Redundanzmodul Stromversorgung konsequent getrennt

Autor / Redakteur: Stefan Grimm / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Worauf es bei redundanten Stromversorgungssystemen ankommt, erklärt Stefan Grimm von Phoenix Contact am Beispiel der Redundanzmodule S-Oring und der neuen Stromversorgungen Quint Power.

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Phoenix Contact bietet ein redundantes Stromversorgungskonzept gegen Ausfälle: Quint Power und Quint S-Oring.
Phoenix Contact bietet ein redundantes Stromversorgungskonzept gegen Ausfälle: Quint Power und Quint S-Oring.
(Bilder: Phoenix Contact)

Redundante Stromversorgungskonzepte kommen immer dann zum Einsatz, wenn beim Ausfall der Versorgungsspannung entweder hohe Kosten entstehen oder ein Ausfall Auswirkungen auf Mensch und Umwelt haben kann.

Der Parallelbetrieb zweier Stromversorgungen, die durch ein Redundanzmodul gekoppelt sind, stellt dabei bereits eine redundante Versorgung sicher. Die einkanaligen S-Oring-Module steigern im Zusammenspiel mit den neuen Stromversorgungen vom Typ Quint Power die Verfügbarkeit.

Das klassische Einsatzgebiet redundanter Stromversorgungssysteme sind die Bereiche Öl und Gas sowie die chemische Industrie. Hier kann der Ausfall einer Steuerung, etwa in einer Raffinerie, zu hohen Kosten oder gar zu Störfällen führen, die Mensch und Umwelt gefährden. Doch auch in anderen Bereichen der Industrie kann der Ausfall der Hilfsspannung schnell den Verlust einer kompletten Charge bedeuten, wie zum Beispiel in der Glasherstellung. Weitere Einsatzgebiete sind Kraftwerke und auch industrielle Produktionsanlagen, wo jede Minute Stillstand hohe Kosten verursacht.

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Überblick über Fehlerquellen in einem redundanten Stromversorgungsaufbau

Um auch bei einem redundanten Stromversorgungsaufbau die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls auf ein Minimum zu reduzieren, gilt es, sämtliche mögliche Fehlerquellen zu berücksichtigen. Nachfolgend sind deshalb potenzielle Ursachen für Störungen beschrieben:

  • Fehler in einer Phase der primärseitigen Spannungsversorgung
  • Kurzschluss oder Kabelbruch in der zuführenden Leitung zur Stromversorgung
  • Ausfall einer Stromversorgung
  • Kurzschluss zwischen Stromversorgung und Redundanzmodul
  • Kabelbruch zwischen der Stromversorgung und dem Redundanzmodul
  • Interner Defekt im Redundanzmodul
  • Kabelbruch zwischen dem Redundanzmodul und der Last
  • Kurzschluss zwischen einem Redundanzmodul und der Last
  • Laststrom ist zu hoch für eine Stromversorgung

Auch wenn die Stromversorgungen von Phoenix Contact – zum Beispiel die Modelle Trio Power oder Quint Power – bereits im Stand-alone-Betrieb hohe MTTF-(Mean-Time-To-Failure)Werte aufweisen, setzen Anlagenplaner bei sensiblen Applikationen auf redundante Stromversorgungen.

Konsequent getrennt bis zur Last

Hierbei werden primärseitig zwei Stromversorgungen parallel betrieben, so dass bei Ausfall einer Stromversorgung die zweite die Last vollständig übernimmt. Dazu sind sie so dimensioniert, dass der gesamte Strombedarf der angeschlossenen Lasten in allen Betriebszuständen von nur einem Modul abgedeckt wird. Die Stromversorgungen werden mit Hilfe einer passiven Diode oder eines aktiven Leistungshalbleiters (Mosfet) entkoppelt, so dass ein Kurzschluss in einer defekten Stromversorgung oder den Leitungswegen nicht dazu führt, dass die Versorgungsspannung am Verbraucher einbricht.

Die neuen Quint-S-Oring-Module – wobei S für „single“ steht – wurden für Anwender entwickelt, die extreme Anforderungen an die Verfügbarkeit der Versorgungsspannung stellen. Das Quint-S-Oring-Redundanzmodul ist zusammen mit Kunden aus dem Bereich der Prozessautomatisierung entstanden, die eine hohe Verfügbarkeit, wie sie die bestehenden Oring-Module bieten, noch einmal steigern wollten. Durch die konsequente Trennung der Strompfade und damit auch die Trennung der verschiedenen Potenziale bis zur Last werden auch bei Ausfall eines Redundanzmoduls die angeschlossenen Verbraucher weiterhin sicher versorgt. Auch Service-Einsätze und Wartungen beeinträchtigen die kontinuierliche Spannungsversorgung nicht.

Phoenix Contact bietet Quint S-Oring in zwei Varianten an, die speziell für den Einsatz in prozesskritischen Anwendungen konzipiert wurden.

Plus-Variante mit Überspannungsschutz

Die Geräte laufen an einer Spannung zwischen 12 V und 24 V. Da dies im SELV-(Safety-Extra-Low-Voltage-)Bereich liegt, sind sie berührungefährlich. Der Nennstrom beträgt 40 A bei 60 °C und 45 A bei 40°C. Zudem sind sie auf den sogenannten Boost-Mode der Quint-Stromversorgungen abgestimmt und können daher 60 A für 5 s sowie 215 A für 15 ms tragen.

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Quint S-Oring kann in einem Temperaturbereich zwischen –40 °C bis 70 °C betrieben werden. Die Module besitzen eine Baubreite von 32 mm, was es noch erlaubt, Leitungsquerschnitte von bis zu 16 mm2 anschließen zu können. Beide Varianten verfügen über einen Relais-Kontakt und eine Status-LED, die ein Monitoring der Leitungswege und des Gerätezustands ermöglichen und diese dann melden und anzeigen. So werden Fehler im System frühzeitig erkannt und beim nächsten Service-Einsatz behoben.

Die Plus-Variante der S-Oring-Module enthält zudem einen Überspannungsschutz (Over Voltage Protection, OVP), der am Eingang auftretende statische Überspannungen begrenzt, die größer als 30 V sind. Damit wird in dem Fall, dass die einspeisende Stromversorgung eine zu hohe Spannung ausgibt, eine Überspannung am angeschlossenen Verbraucher vermieden.

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Überblick über Fehlerquellen in einem redundanten Stromversorgungsaufbau

Um auch bei einem redundanten Stromversorgungsaufbau die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls auf ein Minimum zu reduzieren, gilt es, sämtliche mögliche Fehlerquellen zu berücksichtigen. Nachfolgend sind deshalb potenzielle Ursachen für Störungen beschrieben:

  • Fehler in einer Phase der primärseitigen Spannungsversorgung
  • Kurzschluss oder Kabelbruch in der zuführenden Leitung zur Stromversorgung
  • Ausfall einer Stromversorgung
  • Kurzschluss zwischen Stromversorgung und Redundanzmodul
  • Kabelbruch zwischen der Stromversorgung und dem Redundanzmodul
  • Interner Defekt im Redundanzmodul
  • Kabelbruch zwischen dem Redundanzmodul und der Last
  • Kurzschluss zwischen einem Redundanzmodul und der Last
  • Laststrom ist zu hoch für eine Stromversorgung

Marine-, Atex- und IECex-Zulassungen vorhanden

Außerdem besitzt die Platine der Plus-Variante eine Schutzlackierung. Diese schützt bei aggressiven Umgebungsbedingungen, wie sie beim Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen (Zone 2) auftreten können.

Marinezulassungen sowie Atex- und IECex-Zulassungen sind vorhanden. Der Einsatz von Mosfet-Leistungshalbleitern bietet Vorteile aufgrund der niedrigen Verlustleistung gegenüber konventionellen Dioden. Bei 40-A-Geräten beträgt die Verlustleistung in einer Diode etwa 24 W, bei einem Mosfet nur 6 W. Dies macht sich im Betrieb durch eine verlangsamte Gerätealterung und niedrigere Schaltschranktemperaturen bemerkbar. Außerdem benötigen die Dioden einen größeren Kühlkörper, der sich im Platzbedarf auswirkt.

* Stefan Grimm, Marketing Communications, Phoenix Contact Power Supplies GmbH, Paderborn

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