Bei der Auslegung von Anlagen der industriellen Automatisierung reduziert sich die Auswahl eines Schaltnetzteils sehr häufig auf zwei Parameter – die Ausgangsspannung und die erforderliche Leistung. In der Praxis entscheiden jedoch die Betriebsbedingungen und nicht die Leistung selbst am häufigsten über die Zuverlässigkeit der gesamten Anlage.
Die meisten Ausfälle resultieren nicht aus einem Defekt des Netzteils
Wenn die PLC, die Ein- und Ausgangsmodule sowie die übrigen Verbraucher eine Spannung von 24 VDC benötigen und zusammen etwa 120 W aufnehmen, erscheint die Wahl eines Netzteils mit einer Leistung von 150 oder 240 W naheliegend. Dieser Ansatz bewährt sich in vielen Standardanwendungen.
In der industriellen Praxis arbeitet das Netzteil häufig in einem dicht geschlossenen Schaltschrank, bei erhöhter Temperatur, in der Umgebung von leistungselektronischen Geräten sowie anderen wärmeabgebenden Geräten. Es kommt auch vor, dass die Versorgung ausschließlich zwischen zwei Phasen des 400-VAC-Netzes verfügbar ist oder dass die Verbraucher beim Anlauf einen Strom aufnehmen, der den Nennwert erheblich überschreitet.
Unter solchen Bedingungen können sich zwei Netzteile mit derselben Leistung völlig unterschiedlich verhalten. Das eine wird viele Jahre lang problemlos arbeiten. Das andere wird zufällige Neustarts der Steuerung, das Auslösen von Schutzeinrichtungen oder schwer zu diagnostizierende Unterbrechungen im Betrieb der gesamten Maschine verursachen.
Unsere Erfahrung zeigt, dass die Ursache solcher Probleme meist kein Fehler des Netzteils selbst ist, sondern dessen falsche Auslegung für die Betriebsbedingungen.
Ein gutes Netzteil bedeutet nicht nur die passende Leistung
In Gesprächen mit Maschinenkonstrukteuren begegnet uns häufig die Frage: „Welches 24-V-Netzteil eignet sich am besten für unsere Anwendung?“ Es gibt keine allgemeingültige Antwort. Viel wichtiger ist eine andere Frage: „Unter welchen Bedingungen wird dieses Netzteil arbeiten?“
Genau die Betriebsumgebung entscheidet darüber, welche Parameter bei der Auslegung berücksichtigt werden sollten. Am häufigsten analysieren wir:
- die verfügbare Versorgungsspannung,
- die Art der Verbraucher,
- die Umgebungstemperatur,
- die Möglichkeit des Auftretens von Überlasten,
- die Anforderungen an die Diagnose,
- den Montageort im Schaltschrank.
Erst nach Beantwortung dieser Fragen lässt sich bewusst der passende Netzteiltyp auswählen. Im Angebot von Breve finden sich unter anderem zwei Serien von Schaltnetzteilen für die DIN-Hutschiene, die für unterschiedliche Anwendungsanforderungen entwickelt wurden:
- KWR – ausgelegt für den Betrieb bei einem weiten Eingangsspannungsbereich,
- KDR – ausgelegt für Anwendungen, die eine hohe Überlastfestigkeit sowie einen hohen Wirkungsgrad erfordern.
Obwohl beide Geräte von außen ähnlich aussehen, ist ihr Einsatzbereich völlig unterschiedlich.
Problem Nr. 1 – im Schaltschrank ist kein Neutralleiter vorhanden
Dies ist eine deutlich häufigere Situation, als man annehmen könnte. In neuen Industrieobjekten, Umspannstationen, Kläranlagen oder Infrastrukturanlagen steht den Projektanten sehr oft nur die verkettete Spannung von 400 VAC zur Verfügung. Ein Neutralleiter ist nicht immer herangeführt.
In der Praxis bedeutet das, dass ein klassisches Netzteil mit einem Eingangsbereich von 85…264 VAC nicht direkt an die bestehende Installation angeschlossen werden kann. Am häufigsten begegnen uns drei Lösungen für dieses Problem.
Erste Lösung – Heranführung des Neutralleiters
Technisch ist dies eine korrekte Lösung. In der Praxis bedeutet es jedoch oft die Notwendigkeit eines Umbaus der Installation, der Durchführung zusätzlicher Messungen sowie erhöhter Investitionskosten. Es ist zudem in bestehenden Objekten nicht immer möglich.
Zweite Lösung – Einsatz eines Transformators
Die zweite Lösung ist der Einsatz eines spannungssenkenden Transformators. Dies ermöglicht die Verwendung eines Standardnetzteils für 230 VAC. Man sollte jedoch beachten, dass der Transformator:
- zusätzlichen Platz beansprucht,
- das Gewicht der gesamten Schaltanlage erhöht.
In kleinen Schaltschränken kann jeder Zentimeter Platz von Bedeutung sein.
Dritte Lösung – Einsatz eines Netzteils mit weitem Eingangsspannungsbereich
In vielen Fällen ist die einfachste Lösung der Einsatz eines Netzteils, das für den direkten Betrieb mit der verketteten Spannung ausgelegt ist. Die Serie KWR wurde genau für solche Anwendungen entwickelt.
Der Eingangsspannungsbereich beträgt 200–500 VAC sowie 230–700 VDC, wodurch das Netzteil ohne zusätzlichen Transformator direkt zwischen zwei Phasen des Dreiphasennetzes angeschlossen werden kann. Diese Parameter entsprechen Lösungen der Klasse WDR, die in industriellen Anwendungen eingesetzt werden.
Für den Konstrukteur bedeutet das vor allem einen einfacheren Entwurf sowie eine geringere Anzahl von Komponenten im Schaltschrank.
Beispiel aus der Praxis
Stellen wir uns die Modernisierung einer Pumpstation vor. In der bestehenden Schaltanlage steht nur die Spannung 3×400 VAC zur Verfügung. Das Projekt sieht die Montage vor von:
- einer PLC,
- einem Bedienpanel,
- Ein- und Ausgangsmodulen,
- einem industriellen Ethernet-Switch,
- einigen Relais.
Der Gesamtbedarf beträgt etwa 180 W. Auf den ersten Blick reicht ein beliebiges 240-W-Netzteil aus. Nach Beginn der Montage stellt sich jedoch heraus, dass in der Schaltanlage kein Neutralleiter vorhanden ist – zur Verfügung stehen nur drei Phasen.
In einer solchen Situation würde der Einsatz eines Standardnetzteils einen Umbau der Installation oder das Hinzufügen eines Transformators erfordern. Der Einsatz der Serie KWR ermöglicht es, das Gerät direkt aus zwei Phasen zu versorgen, was den Entwurf vereinfacht und die Anzahl der Komponenten reduziert. Dies ist eines der Beispiele, in denen die richtige Auswahl des Netzteils kostspielige Änderungen noch vor der Inbetriebnahme der Anlage vermeiden lässt.
Problem Nr. 2 – die Temperatur im Inneren des Schranks ist deutlich höher als angenommen
Dies ist einer der am häufigsten übersehenen Parameter bei der Auslegung. In der technischen Dokumentation werden die meisten Messungen bei einer Umgebungstemperatur von etwa 25°C durchgeführt. Das Innere eines arbeitenden Schaltschranks sieht jedoch völlig anders aus. Darin befinden sich unter anderem:
- Frequenzumrichter,
- Servoantriebe,
- Schütze,
- Sanftanlaufgeräte,
- Kommunikationsmodule,
- PLC,
- Sicherheitsrelais.
Jedes dieser Geräte gibt Wärme ab. Nach einigen Betriebsstunden kann die Lufttemperatur im Inneren des Schranks sogar um mehrere bis mehrere zehn Grad höher sein als die Umgebungstemperatur. Es ist nichts Außergewöhnliches, Werte von 45°C, 55°C und in manchen Anwendungen sogar über 60°C zu erreichen. Unter solchen Bedingungen arbeitet das Netzteil völlig anders als bei Labormessungen.
Warum veröffentlichen Hersteller ein Derating-Diagramm?
In den Datenblättern der meisten professionellen Schaltnetzteile findet sich ein Diagramm, das die zulässige Belastung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur darstellt. Ein Teil der Projektanten behandelt es als zusätzliche Information. In Wirklichkeit ist es eine der wichtigsten Kennlinien des Geräts.
Jedes Schaltnetzteil hat eine bestimmte Fähigkeit zur Wärmeabfuhr. Wenn die Temperatur der elektronischen Bauteile das zulässige Niveau überschreitet, beginnt ihre Lebensdauer rapide zu sinken. Deshalb wenden die Hersteller das sogenannte Derating an, also die schrittweise Begrenzung der zulässigen Leistung mit steigender Umgebungstemperatur. Solche Kennlinien finden sich ebenfalls in der technischen Dokumentation professioneller DIN-Netzteile, einschließlich Modellen mit erhöhter Umweltbeständigkeit.
Praktischer Tipp des Breve-Ingenieurs
Wählen Sie ein Netzteil niemals ausschließlich auf Grundlage der Leistung der Verbraucher aus. Wenn das Gerät bei einer Temperatur von über 50°C arbeiten wird, prüfen Sie stets das Derating-Diagramm des Herstellers sowie die empfohlenen Montageabstände. Einige zusätzliche Zentimeter freien Raums über und unter dem Netzteil können einen größeren Einfluss auf dessen Lebensdauer haben als eine Erhöhung der Leistung um eine Baugröße.
Zusammenfassung
Die Auswahl eines Schaltnetzteils für den Schaltschrank sollte man mit einer Analyse der tatsächlichen Betriebsbedingungen beginnen und nicht ausschließlich mit der Ausgangsspannung und der erforderlichen Leistung. Der Bereich der Versorgungsspannung, die Umgebungstemperatur, die Art der Verbraucher sowie die Art der Überwachung des Netzteilbetriebs haben einen unmittelbaren Einfluss auf die Zuverlässigkeit der gesamten Anlage.
Bereits in der Projektphase lohnt es sich, einige einfache Fragen zu beantworten:
- Ist in der Installation ein Neutralleiter verfügbar?
- Nehmen die Verbraucher beim Anlauf einen hohen Strom auf?
- Wie hoch wird die Temperatur im Inneren des Schranks sein?
- Soll das System den Zustand des Netzteils überwachen? (in Teil 2)
- Ist zukünftig ein Ausbau der Installation geplant? (in Teil 2)
Die Antworten auf diese Fragen führen sehr oft zur Wahl einer Lösung, die einen langjährigen und störungsfreien Betrieb des Geräts gewährleistet. Im Angebot von Breve finden sich sowohl Netzteile der Serie KWR, die für Anwendungen mit weitem Eingangsspannungsbereich bestimmt sind, als auch die Serie KDR, die für Anwendungen mit hoher Überlastfestigkeit sowie hohem Wirkungsgrad konzipiert wurde. Dadurch lässt sich eine Lösung auswählen, die den tatsächlichen Anforderungen des Projekts entspricht, anstatt sich ausschließlich an der Nennleistung zu orientieren.
