Spitzenlast bei Netzteilen – Wie viel und für wie lange?

09.05.2025
Leistungssteuerungssystem
Die Auswahl eines Netzteils erfordert mehr, als nur sicherzustellen, dass die Nennleistung über der erwarteten Last liegt und das Thema damit als erledigt gilt. Die erwartete Last ist nur ein Teil des Ganzen. Die meisten Anwendungen haben eine typische Last, eine maximale Last und kurze Zeiträume mit einer Spitzenlast, die sowohl die typische als auch die maximale Last überschreitet. Um solche Situationen zu bewältigen, können Netzteile für eine begrenzte Zeit Spitzenlasten über ihrer maximalen Nennleistung liefern. Der Wirkungsgrad von Netzteilen ist von entscheidender Bedeutung, da er den Energieverbrauch reduziert und die Gesamtleistung verbessert, indem er die Verluste und Wärmeentwicklung minimiert.

Inhaltsverzeichnis

Die Stromversorgungsumgebung

Netzteile, sowohl AC/DC als auch DC/DC, müssen mehreren Bedingungen gerecht werden, die die Leistungsabgabe beeinflussen können – darunter Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit sowie Eingangs- und Ausgangsspitzen. Ein effektives Energiemanagement ist dabei entscheidend und betont die Bedeutung der Energieeinsparung. Ein Netzteil muss unter den maximalen Nennbetriebsbedingungen sofort die Nennleistung liefern und dies so lange aufrechterhalten, wie es die Auslegung des Auslastungsgrads erlaubt.

Die Überwachung des Netzteilbetriebs ist unerlässlich, um sichere Temperaturen zu gewährleisten und sowohl Leistung als auch Zuverlässigkeit. Die meisten Lasten arbeiten jedoch nicht mit konstantem Energiebedarf. Mechanische Belastungen von Motoren, Gegen-EMF, Einschaltströme und Lastspitzen beim Starten tragen alle zur Lastschwankung bei. HLK-Systeme haben erhebliche Auswirkungen auf den Energieverbrauch und den Grundlastbedarf, was die Notwendigkeit effizienter Upgrades und Nachrüstungen deutlich macht.

Berücksichtigung der Spitzenlast

Die meisten Netzteile können kurzzeitig Ströme über dem Nennwert bereitstellen, insbesondere bei Lastspitzen während hoher Energieanforderung. Die Komponenten beginnen jedoch zu überhitzen und es besteht die Gefahr eines temperaturabhängigen Ausfalls. Daher spezifizieren viele Netzteile zusätzlich zur kontinuierlichen Nennlast auch eine zulässige Spitzenlast. Das Management von Spitzenlasten durch betriebliche Anpassungen ist entscheidend für die Aufrechterhaltung des Betriebs und die Kontrolle der Kosten. Zwei weitere Faktoren sind bei der Betrachtung der Spitzenlast entscheidend: die maximale Dauer der Spitzenlast und die Abkühlzeit zwischen den Spitzen.
Diagramm der Spitzenlast-Dauer und des Auslastungsgrads
Abb. 1: Diagramm der Spitzenlast-Dauer und des Auslastungsgrads des DIN-Schienennetzteils der RECOM RACPRO1-T480-Serie.
Bei der Entwicklung einer Stromversorgung betrachten die Ingenieure die erwarteten Betriebsbedingungen und planen einen Spielraum oder eine Überkapazität über der Nennleistung ein, um Spitzenlasten auszugleichen. Der Headroom ist für kurze Zeiträume verfügbar, um kurze Lastspitzen auszugleichen. Der Spitzenbedarf beeinflusst zeitabhängige Tarifmodelle und Strategien des Lastmanagements und motiviert Verbraucher dazu, ihr Stromverbrauchsverhalten anzupassen. Das kann finanzielle Auswirkungen haben, da Spitzenlasten häufig gesondert berechnet werden. Die Leistungsfähigkeit von Netzteilen in Anwendungen mit hohen Spitzenlasten ist entscheidend, um Netzbelastungen während dieser Zeiträume zu reduzieren.

Mit der richtigen Spitzenlastfähigkeit kann eine kleinere, kostengünstigere Versorgungseinheit über die gesamte Lebensdauer der Anlage zuverlässig eingesetzt werden. Abbildung 1 zeigt die Spitzenlastfähigkeit (auch als »Boost-Leistung« bezeichnet) eines AC/DC DIN-Schienennetzteils der Serie RACPRO1-T480. Die Grafik aus dem Produktdatenblatt zeigt zwei verschiedene Spitzenlastfähigkeiten.

Erstens kann das Netzteil eine Spitzenleistung von 250% der Nennleistung für bis zu 20 Millisekunden liefern. Das Diagramm weist darauf hin, dass Ströme über 150% (lila gekennzeichnet) zu leichten Auslösebedingungen für Sicherungen führen können. Eine Spitzenlast von bis zu 150% der maximalen Nennlast des Netzteils ist für bis zu 7,5s zulässig

Eine genauere Betrachtung des Diagramms zeigt, dass die Last nach einer Spitzenlast mit maximaler Dauer für 52,5 Sekunden auf 100% oder weniger abfallen muss. Spitzenlasten dürfen nur alle 60 Sekunden auftreten und jeweils höchstens 20ms bei 250% oder 7,5s bei 150% andauern. Das entspricht einem Auslastungsgrad von 0,03% bei 250% und von 12,5% bei 150%.

Mehrere Spitzenlasten

Bestimmte Anwendungen erzeugen mehrere Spitzenlasten. Beispielsweise kann ein Fördermotor mit konstanter Last betrieben werden, aber bei gelegentlicher starker Belastung einen Spitzenwert erreichen. Batterien spielen in solchen Spitzenlastzeiten eine entscheidende Rolle bei der Netzstabilisierung, indem sie in Zeiten geringer Nachfrage Energie speichern und bei Bedarf abgeben.

Bei der Auswahl eines Netzteils für Anwendungen mit mehreren Spitzen ist der Auslastungsgrad – also die Zeit zwischen den Spitzen – ebenso wichtig wie der Spitzenlastwert selbst. In diesem Zusammenhang ist auch die Vehicle-to-Grid-Technologie (V2G) relevant, da sie Elektrofahrzeugen ermöglicht, als dezentrale Energiespeicher zu fungieren und somit das Spitzenlastmanagement sowie die Netzstabilität zu verbessern. Das Konzept der durchschnittlichen Leistung ist hier ebenfalls relevant: In vielen Szenarien liegt die benötigte Durchschnittsleistung deutlich unter dem Spitzenbedarf. Dies erlaubt die Auswahl kleinerer, kosteneffizienter Netzteile – ohne Kompromisse bei der Zuverlässigkeit.

Zusammenfassung

Die Nennlast ist die maximale Leistung, die ein Netzteil ohne Unterbrechung liefern kann, solange es innerhalb der Umgebungsgrenzen betrieben wird. Die Spitzenlast hingegen ist die maximale Leistung, die ein Netzteil liefern kann, ohne dabei Schaden zu nehmen oder seine Lebensdauer zu beeinträchtigen. Sie kann das Zwei- bis Dreifache der maximalen Dauerlast betragen und hängt von der maximalen Dauer sowie dem Auslastungsgrad der Spitzen ab. Spitzenlasten entstehen durch Einschaltstrom beim Start, Motorstart-Stromspitzen und unüblichen Bedingungen, die bei einer Leistungslast über die Dauerleistung hinaus auftreten können. Netzteile sind für Spitzenlasten ausgelegt, sodass eine kleinere Versorgungseinheit langfristig zuverlässig eingesetzt werden kann.

Systementwickler müssen nicht nur die Dauerlast der Geräte an ihre Stromversorgung anpassen, sondern auch die Spitzenlastwerte, deren Dauer sowie die Zeitabstände zwischen einzelnen Spitzen berücksichtigen. Dies kann zusätzliche Zeit in Anspruch nehmen, da sowohl für die Netzteile als auch für die Last Datenblätter der Ausrüstung herangezogen werden müssen. Die Informationen sind jedoch für die Lebensdauer und Zuverlässigkeit entscheidend. Energieeffiziente Geräte spielen eine wichtige Rolle bei der Steuerung des Energieverbrauchs und der Reduzierung der Spitzenlastanforderungen.
Anwendungen
  Serie
1 AC/DC, 480 W, Single Output, DIN-Rail RACPRO1-T480 Series
Fokus Neu
  • Slim Design (52mm) with 25° Push-In connectors
  • Fast tool-less mounting and demounting
  • PFC >0.9 and Active Inrush Current Limitation
  • DC-Input Range 430V to 815V/850V 10s