Intelligente Stromversorgung

Definition Was ist eigentlich ein Hutschienen-Netzteil?

Autor: Sariana Kunze

Eine Stromversorgung ist das Herz einer jeden industriellen Anwendung. Fällt sie aus, steht die Produktion still. Wir zeigen, wie sie funktioniert, was sie auszeichnet und geben fünf Tipps für die Auswahl.

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Fällt aus irgendwelchen Gründen das Herz einer Applikation, die Stromversorgung, aus, steht die ganze Produktion still.
Fällt aus irgendwelchen Gründen das Herz einer Applikation, die Stromversorgung, aus, steht die ganze Produktion still.
(Bild: Lütze)

Fast alle Schaltschränke, Schaltkästen und dezentrale Einheiten besitzen im Bereich der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik eine DC 24V-Stromversorgung.

In der Industrie müssen Stromversorgungen besondere Leitungsmerkmale erfüllen. Hauptsächlich geht es dabei um Effizienz und Zuverlässigkeit. Als ein fester Bestandteil sind sie in zahlreichen Anwendungsbereichen zu finden: Wie dem Maschinen- und Anlagenbau, der Elektrokonstruktion, Automobilindustrie, Industrie-Automation, Logistik, Prozessindustrie, Marine und vielem mehr.

Definition: Hutschienen-Netzteil

Bei einem Hutschienen-Netzteil handelt es sich um ein Schaltnetzteil, welches unstabilisierte Eingangsspannung in geregelte Ausgangsspannung umwandelt. Schaltnetzteile gehören zur Gruppe der Stromrichter. Im Unterschied zu konventionellen Netzteilen erfolgt die Wandlung beim Schaltnetzteil mit einer höheren Frequenz, da die Transformatoren bei hohen Frequenzen für die gleiche Leistung weniger Magnetkernvolumen benötigen. Dafür wird die Netzspannung meist gleichgerichtet, gesiebt, durch einen elektronischen Schalter in eine höherfrequente Spannung zerhackt und nach der Transformation im hochfrequenten Zwischenkreis auf die gewünschte Spannung erneut gleichgerichtet. Schaltnetzteile werden wegen ihres hohen Wirkungsgrades – häufig über 90 Prozent – vor allem eingesetzt, um Masse und Material zu sparen.

Der Namensgeber des Netzteils ist die Montageart. Die Hutschiene, TS 35, wird in den meisten industriellen Anwendungen eingesetzt. Sie ist ein fester Bestandteil von Schaltschränken, Verteilerkästen und Maschinen. Die Stromversorgungen werden auf einer genormten Hutschiene, auch DIN-Schiene genannt, aufgesteckt. Dabei handelt es sich um eine Tragschiene aus Metall mit festgelegten Standardmaßen. Diese Maße wurden vom Deutschen Institut für Normung (DIN) definiert. Die Montageart ist weltweit etabliert und wurde in eine europäische (EN) und internationale (IEC) Norm übernommen.

Fünf Tipps: Was es bei der Auswahl zu beachten gilt

Parameter: Grundsätzlich muss geklärt werden, ob eine Stromversorgung für ein 1-phasiges oder 3-phasiges System benötigt wird. Welche Spannung und Ströme sind am Ausgang erforderlich? Da nicht jedes Netzteil automatisch im Parallelbetrieb genutzt werden kann, sollte klar sein, ob die Stromversorgung für den Einzel- oder Parallelbetrieb eingesetzt wird.

Energieeffizienz: Ein hoher Wirkungsgrad bedeutet eine geringere Verlustleistung und damit weniger Wärmeentwicklung im Gesamtsystem. Deshalb sollte der tatsächliche Wirkungsgrad für die benötigte Last geprüft und Leistungsverluste berücksichtigt werden. Ein effizientes Hutschienen-Netzteil bleibt selbst unter Volllast kühl, was sich positiv auf die umliegenden Systemkomponenten auswirkt. Zudem trägt ein hoher Wirkungsgrad u. a. zu einer längeren Lebensdauer des Netzteils bei. Ein Temperaturanstieg von nur 10 °C halbiert beispielsweise die Lebensdauer der Elektrolytkondensatoren, die bei einem Hutschienen-Netzteil lebensdauerbestimmend sind. Bereits bei der Auswahl der Topologie des Schaltnetzgerätes werden wichtige Weichen in Bezug auf den Wirkungsgrad und die Kosten gestellt. Zu den derzeit effizientesten Topologien zählen die soft-schaltenden Resonanzwandler, bei denen die Verluste durch das Schalten im Nulldurchgangspunkt verringert werden. Durch die Kombination mit aktiver Synchrongleichrichtung und einer aktiven Leistungsfaktorkorrektur werden die Verluste weiter reduziert.

Betriebsumgebung: Die Umgebung eines Netzteils hat Auswirkungen auf dessen Lebensdauer. Deshalb ist es wichtig, die Umgebungstemperatur im Durchschnitt und maximal zu kennen. Ab einer bestimmten Temperatur ist bei Netzteilen ein Derating, die Reduktion der Ausgangsleistung, notwendig. Auch spielen eine hohe Luftfeuchtigkeit, starke Verschmutzung oder Vibration eine Rolle. Generell gilt: Das Netzteil sollte an der kühlsten Stelle im Schaltschrank installiert werden.

Bauform: Eine schmale Baubreite bei einer Stromversorgung hilft dabei, Platz im Schaltschrank zu sparen. Entscheidend hierfür ist, dass im Netzteil wenig Wärme entsteht. Je geringer die Wärmeentwicklung desto kompakter können die Geräte gebaut werden.

Normen: Bei Stromversorgungen hat sich noch kein übergreifender Produktstandard durchgesetzt. Ein Grund ist, dass sich die Anforderungen je nach Anwendung und Einsatzbedingung unterscheiden können. Diese richten sich nach den normativen Anforderungen für das Endgerät oder die Einrichtung. Versucht man eine Stromversorgung für viele Produktstandards gleichzeitig auszulegen, steigt der Aufwand immens. Trotzdem hatte sich die EN 60950-1, die sich eigentlich an Einrichtungen der Informationstechnik richtet, als der meist verwendete Standard im Bereich der Stromversorgungen etabliert. Diese Norm und die EN 60065 wurde nun Ende 2020 durch die EN 62368-1 abgelöst. Durch die EN 62368-1 soll die Normenvielfalt reduziert werden sowie richtungsgebend für HBSE (hazard based safety engineering / gefahrenbasierte Sicherheitstechnik) für die Elektronikindustrie sein.

Neben dem Netzgerät sind beim Aufbau einer zuverlässigen Stromversorgung weitere Komponenten zu berücksichtigen. Je nach Anforderung sind dies u. a. DC unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Batteriemodule, Buffer-Module, Redundanzmodule, elektronische Lastenüberwachungen sowie ein optionales Kommunikationsmodul.

Wenn die Stromversorgung auch kommunizieren kann

Mit der Pro 2 Stromversorgungsserie hat Wago Netzgeräte von 120 bis 960 Watt im Portfolio. Über ein aufrastbares Kommunikationsmodul lassen sich die Geräte an einen Feldbus anbinden und ermöglichen so einen kontinuierlichen Datenaustausch.
Mit der Pro 2 Stromversorgungsserie hat Wago Netzgeräte von 120 bis 960 Watt im Portfolio. Über ein aufrastbares Kommunikationsmodul lassen sich die Geräte an einen Feldbus anbinden und ermöglichen so einen kontinuierlichen Datenaustausch.
(Bild: Wago)

Bislang war für die Stromversorgung im Schaltschrank keine Datentransparenz oder ein durchgängiges Monitoring möglich. Dank der zunehmenden Digitalisierung können nun auch bisher nicht berücksichtigte Daten gesammelt und ausgewertet werden. Mit einer permanenten Vernetzung können Stromversorgungen kommunizieren. Neben der klassischen Funktion als Wandler bieten die Geräte auch die Möglichkeit, Daten durch modulare Kommunikation zu liefern. Predictive Maintenance oder Langzeit-Monitoring wird dadurch möglich. So können ungeplante Stillstandzeiten vermieden, Fehler schneller gefunden sowie analysiert und Wartungen zum idealen Zeitpunkt festgelegt werden. Diese Möglichkeit reduziert Ausfallzeiten und Kosten.

Quellen:

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Über den Autor

 Sariana Kunze

Sariana Kunze

Fachredakteurin Automatisierung, Vogel Commnications Group GmbH & Co. KG