Bei sorgfältiger Betrachtung der globalen Spannungspegel ergibt sich ein Gesamtbereich von 100-240VAC bei entweder 50 oder 60Hz, was zu der Annahme verleitet, dass ein einziges Netzteil den gesamten Spannungs-/Frequenzbereich unterstützen kann und universell mit jeder Wechselstromquelle kompatibel ist. Aber so ist es nicht. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für ein Sicherheitsetikett eines Netzteils, wie man es auf jeder zertifizierten, internationalen, versandfähigen Lösung findet.
Es mag logisch erscheinen, einen möglichst weiten Bereich unterstützen zu wollen. Aber wie überall im Leben (insbesondere beim Strom) müssen wir Kompromisse eingehen, um eine Lösung für eine bestimmte Anwendung oder einen bestimmten Einsatzbereich zu optimieren. Außerdem müssen bei allen Designs Toleranzen berücksichtigt werden, um nicht-idealen Situationen Rechnung zu tragen. In Bezug auf Spannungen kann dies mit Maßnahmen zum Schutz vor Überspannungsszenarien (in der Regel im Zusammenhang mit der Sicherheit von Personen und dem Schutz von Geräten), Unterspannungsszenarien (Maximierung der Betriebszeit, auch zum Schutz von Geräten) und dem Ausgleich von Phasenströmen in mehrphasigen Lösungen zusammenhängen. Bei der Netzfrequenz kann dies mit der Netzqualität und der Netzstabilität zusammenhängen. Wie diese Schutzmaßnahmen/Mechanismen erreicht werden und warum, geht über den Rahmen unserer Betrachtung hinaus, wird aber im
RECOM "AC/DC Book of Knowledge: Practical tips for the User" [3], einem frei verfügbaren Dokument, ausführlich behandelt.
Wenn wir eine übliche Toleranzzahl von ±10% nehmen, wird schnell klar, wie wir einen universellen Bereich von 90-264VAC, 47-63Hz definieren können, der auf vielen Sicherheitsetiketten von Netzteilen zu finden ist. Dies war nur ein kurzes Beispiel, um zu zeigen, wie wir von so vielen internationalen Standards zu konsolidierten Bereichen für eine universellere Unterstützung kommen. Aber das ist sehr allgemein und geht nicht auf die Beweggründe für bestimmte Netzspezifikationen ein. Es gibt weitere unterstützte Bereiche, die speziell für militärische und/oder
industrielle Anwendungen vorgesehen sind, wie zum Beispiel ein 400Hz-Standard für die Stromversorgung von Flugzeugen und Schiffen. Mehrere Einzelspannungsquellen können auch durch den Phasenwinkel getrennt werden, um die Leistungsabgabe zu maximieren und gleichzeitig die Ströme zu minimieren, was bei dreiphasigen Wechselstromsystemen der Fall ist.
Letztendlich werden die meisten Endsysteme und -lasten mit Gleichstrom betrieben (Wechselstrommotoren sind die große Ausnahme), weshalb es sogar mehr Standards für Gleichspannungsversorgungen als für Wechselstrom gibt, wenn auch in der Regel nicht für Verteilungen in der Größenordnung von Einrichtungen/Gebäuden. Hochspannung ist als >1.000/1.500V (AC/DC) definiert, wobei so ziemlich alles, was >=60VDC ist, aus Sicherheitsgründen (Kontakt durch Personen) als höhere Spannung gilt, auch als Schutzkleinspannung (SELV) bekannt. Es gibt zwar keinen einheitlichen Standard (weltweit dafür zahlreiche) für das, was gemeinhin als Hochspannungsdatenzentrum (HVDC, nicht zu verwechseln mit DC für Gleichstrom) bezeichnet wird. Aber es gibt viele verschiedene Standards, die eine Verteilungsarchitektur im Bereich von 300-400VDC vorschreiben.
Die Logik ist, dass, wenn die Server-/Netzwerkhardware und die unterstützende Infrastruktur allesamt für die Unterstützung eines universellen Wechselstromeingangs bei einem
AC/DC-Netzteil mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC [4]) ausgelegt sind, dieselben Geräte auch die aus der gleichgerichteten AC-Eingangswellenform abgeleitete Gleichspannung verarbeiten können, so dass der Verzicht auf eine Wandlungsstufe (und alle durch ihre Weglassung gewonnenen Vorteile) gerechtfertigt ist. 24VDC-Verteilungen können in industriellen Umgebungen mit kleinen Relais/Leistungsschaltern/Motoren und kleineren Systemen, die für einen standardmäßigen, mechanischen Formfaktor, wie den DIN-Rail-Standard [5], optimiert sind, üblich sein. Andere bekannte Gleichstromverteilungen sind der universelle serielle Bus (USB, 5-20VDC) und
Power over Ethernet (PoE, 44-57VDC), die auch Strom- und Datenleiter in Hybridkabeln kombinieren.
Die Wahl einer Hauptverteilungsspannung für eine Einrichtung wird von vielen Faktoren bestimmt, die mit Entscheidungen über Investitions- und Betriebsausgaben (CAPEX bzw. OPEX) zusammenhängen, und nicht nur damit, welche Geräte daran angeschlossen werden sollen. Die Sicherheit ist fast immer ein Schlüsselfaktor bei der Festlegung von Verteilungsarchitekturen und muss auf der Grundlage der Worst-Case-Erwartungen für die Exposition des Anwenders, der Abstände zwischen den Leitern und der Randbedingungen der Betriebsumgebung berücksichtigt werden. Die Konsolidierung von Busarchitekturen für die Spannungsverteilung bietet viele Vorteile bei der Rationalisierung der Anschaffung von Geräten (CAPEX) und der effizienten Nutzung von Geräten/Maschinen (OPEX). Je weniger Wandlungsschritte von der vorgelagerten Quelle (d. h. Versorgungsnetz, Energiespeicher usw.) bis zur Endlast (d. h. System, ASIC, Motor usw.) erforderlich sind, desto größer ist der Nutzen in Bezug auf die Rationalisierung des Gerätekaufs und die Ausnutzung von Größenvorteilen. Die Gemeinsamkeit kann auch dazu beitragen, die Nettolastdynamik zu mindern, was eine Optimierung der Energieeffizienz durch Verringerung der Unvorhersehbarkeit und damit bessere Möglichkeiten für intelligente Energiemanagementtechniken (IPM [6]) erlaubt.
Ein gemeinsames Netz oder eine gemeinsame Verteilung bringt weit mehr Vorteile mit sich, als hier umfassend dargestellt werden können. Diese sollten aber in einigen anderen Kategorien Anerkennung finden. Die Möglichkeit eines besser vorhersehbaren Wartungsplans und weniger zu verwaltender Teilenummern kann zu signifikanten kurz- und langfristigen Kosteneinsparungen führen. Eine geringere Anzahl von zu ersetzenden/zu verwaltenden Teilen bringt viele offensichtliche Vorteile mit sich, die von der Einsparung von Benutzerzyklen am Verbrauchsort bis hin zur Verringerung von Gemein- und Versandkosten für Ersatzteile reichen.
Beim Übergang zu
intelligenten Gebäuden und Fabriken der Zukunft ist es für den Erfolg entscheidend, das Beste aus Konfigurierbarkeit und flexiblen Änderungen mit gemeinsamen Formfaktoren zu verbinden. Unter dem Gesichtspunkt der Qualität halten Systeme (insbesondere Komponenten und Motoren) länger, wenn sie unter stärker randbedingten, vorhersehbaren Betriebs- und Umgebungsbedingungen und Wartungszyklen funktionieren können. Je nachdem, wie weit man die Analyse treiben möchte, führen diese Vorteile erster Ordnung zu einer immensen Liste von Vorteilen zweiter Ordnung. Eine gemeinsame Verteilung kann beispielsweise kostspielige Reservestrom- und/oder
Energiespeicherlösungen vermeiden, die ansonsten als Energiepuffer für Zwischenspannungen dienen müssten. Wenn die gesamte Stromversorgungslösung bei der Wandlung von Eingangs- in Ausgangsleistung nur um ein paar Prozent effizienter wird, dann rechnen sich die CAPEX-Einsparungen, die sich von der Last bis zum Kraftwerk auswirken.
