Ist Ihr Netzteil SOUR (Same Old sUpply Range) oder SWEET (Super Wide and Effectively EfficienT)?

Zitronen und Honig auf einem weißen Tisch
Die Netzstromverteilung in Gebäuden variiert in Bezug auf Spannungspegel und Spezifikationen in Abhängigkeit von Faktoren wie Anwendungserfordernissen, Sicherheit und Geschichte. Für AC-Verteilungen sind Nennspannung und -frequenz entscheidend, wobei die verschiedenen Spannungspegel durch weltweite Standards beeinflusst werden.

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Einleitung

Die Bestimmung der optimalen Stromversorgungslösung für eine Anwendung kann selbst für die erfahrensten Elektro-/Analogtechniker oder Einrichtungsarchitekten eine mühselige Aufgabe sein. Noch komplizierter wird es, wenn Lösungen vorgeschlagen werden müssen, die nicht nur die Anforderungen eines bestimmten Systems erfüllen, sondern so konzipiert sind, dass sie für eine ganze Einrichtung effizient funktionieren. Je nachdem, welchen Weg man einschlägt, kann die Erfahrung hier entweder SOUR (Same Old sUpply Range) oder SWEET (Super Wide and Effectively EfficienT) sein. RECOM bietet neuartige Lösungen an, um das Beste aus einfachem Design und hocheffizienter Stromverteilung herauszuholen. Man kann aus sauren Zitronen süße Limonade machen, aber RECOM schlägt Ihnen vor, statt dessen die universelle Fabrik der Zukunft zu bauen!

Universal AC, Wide Input und Universal-Wide Input

Herkömmliche Netzteile haben entweder einen AC- oder einen DC-Eingang. Selbst sogenannte Universal-Eingangsnetzteile (Power Supply Units, PSUs) sind auf 85 - 264VAC oder 130 - 370VDC begrenzt. Obwohl sie einen weiten Bereich sowohl für einen AC- als auch für einen DC-Eingang unterstützen, sind diese Bereiche begrenzt und schränken daher die Art der Geräte ein, die ohne zusätzliche kostspielige intermediäre Energiewandlung unterstützt werden können. AC-Grenzwerte sind mindestens so definiert, dass sie alle Bereiche von Netzeingängen abdecken [1], aber sie schränken immer noch den Anwendungsumfang ein, da sie mit niedrigeren AC- oder DC-Versorgungsspannungen nicht zurechtkommen.

Bei der Gleichstromversorgung gibt es ein viel breiteres Spektrum an Erfordernissen, da die meisten Lasten letztlich Gleichstrom benötigen (einige Motoren und Wechselrichter sind die häufigsten Ausnahmen von der Regel). Daher können Standards spezifisch für eine Produktklasse (wie der universelle serielle Bus oder Power over Ethernet, USB oder PoE) oder für einen Anwendungsbereich oder einen vertikalen Markt (wie das Hochspannungs-Datenzentrum, HVDC) sein. Aber ob Standard oder nicht - viele Lasten und Betriebsumgebungen werden breitere, vielleicht sogar unvorhersehbare oder unbekannte Eingangsspannungsbereiche unterstützen müssen. Im Allgemeinen ermöglicht die Unterstützung subminimaler Spannungen einen längeren Betrieb der Last bei Netzspannungseinbrüchen (auch bekannt als Brownout), während die Unterstützung von Spannungen oberhalb der maximalen Nennleistung den Schutz von Geräten und Benutzern ermöglicht.

Unabhängig vom AC- oder DC-Eingang und bei dem Versuch, erweiterte Spannungsbereiche über/unter der Nominalspezifikation zu unterstützen, muss auch der maximale Wirkungsgrad der Stromversorgung (zum Beispiel minimale Verlustleistung) in Abhängigkeit von den Lastbedingungen berücksichtigt werden. Mit anderen Worten, die Höhe der Eingangsspannung eines Netzteils oder Stromversorgungssystems wirkt sich auf den Wirkungsgrad der Leistungswandlung (auch bekannt als Kommutation) aus, selbst wenn die Last auf der Ausgangsseite statisch bleiben sollte. Die meisten Lasten sind jedoch in ihrer Stromaufnahme auch dynamisch [2]. Um die tatsächliche Leistung beurteilen zu können, muss man die Wirkungsgrad-Last-Kurve der Stromversorgungslösung kennen und studieren, wie das Beispiel in der folgenden Abbildung zeigt.


Abb. 1: Vergleich der Wirkungsgradkurven von Netzteilen, die für verschiedene Lastbereiche optimiert sind, Grafik: mit freundlicher Genehmigung von PowerRox [3]

Warum sollten sich Designer auf SOUR (Same Old sUpply Range) beschränken, wenn man doch so viel mehr bekommen kann? Die Möglichkeit, für eine Anwendung maximale Flexibilität in Bezug auf Kosten, Betriebszeit, Effizienz und Nachhaltigkeit in nahezu jeder Situation zu erreichen, selbst wenn die Versorgungsspannung unvorhersehbar oder unbekannt ist, ist ein sehr leistungsfähiges Werkzeug für jeden Konstrukteur, Werksleiter oder Einrichtungsarchitekten. Ein einziges Netzteil (keine Produktfamilie oder Optionen eines gemeinsamen Designs, sondern eine wahrhaft gemeinsame und universelle einzige Teilenummer), das einen Bereich von 24V bis 240V AC ODER DC unterstützt, öffnet wahrhaft die Tür zu einer TATSÄCHLICH universellen Unterstützung und einem noch nie dagewesenen Grad der Energieoptimierung.

RECOM ist das erste Unternehmen, das ein solch fortschrittliches Produkt auf den Markt bringt und neu definiert, was unter "universally-wide-input"-kompatibel zu verstehen ist. Wie das RAC15-K/WI SWEET (Super Wide and Effectively EfficienT) Lösungen für die Einrichtungen und Anwendungen von morgen ermöglicht, wird später noch näher besprochen.

Rationalisierung von Stromversorgungslösungen für effizienten Einsatz

Abb. 2: Modellreihe RAC15-K/WI
Das Konzept, dieselben Systeme oder Lasten sowohl über einen AC- als auch über einen DC-Eingang versorgen zu wollen, ist nicht neu. Unten sehen Sie eine ältere Abbildung aus einer offenen Industriekooperation zu "Architectures for the Modern Data Center", die dies veranschaulicht. Aber beachten Sie die separaten, unabhängigen Netzteile in einem einzigen System.

RECOM hat nun dieses hybride AC/DC-Konzept aufgegriffen und das branchenweit erste, voll integrierte AC- oder DC-Netzteil mit "universally-wide-input" entwickelt. Die Konsolidierung von Stromversorgungs-Subsystemen ermöglicht ein modulares Systemdesign, um das Potenzial einmaliger technischer (NRE) Ressourcen vollständig auszuschöpfen und die Rentabilität (ROI) für jene zu maximieren, die viele verschiedene Varianten (d. h. Lagerhaltungseinheiten oder SKUs) eines ähnlichen Systems unterstützen möchten. Ein Schaltschrank kann beispielsweise eine Wechselstromeinspeisung enthalten oder mit 24VDC betrieben werden (sehr häufig in DIN-Rail-Anwendungen [5]). Normalerweise wären zwei verschiedene Arten von Stromversorgungen erforderlich, aber im Fall des RAC15-K/WI kann ein einziges Teil beides leisten.



Abb. 3: Hybride AC/DC-System-Eingangsarchitektur, Grafik: [4]

Bei der Übertragung von Strom über lange Kabel treten I²R-Verluste auf, die dazu führen können, dass die nominale Versorgungsspannung außerhalb des Bereichs von standardmäßigen Netzteileingängen liegt [6]. So werden zum Beispiel für Signalsysteme entlang von Eisenbahnstrecken und Autobahnen oder für die Fernstromversorgung von Überwachungsstationen in Ökostrom- (Offshore-Windparks) und Smart-Grid-Anwendungen oft mehrere Kilometer lange Versorgungskabel verwendet. Die Auswirkung dieses Effekts kann anhand der folgenden Gleichung beurteilt werden. Selbst eine Last mit geringer Leistung (30W) erleidet entlang eines 5km langen 120VAC-Netzkabels von 1.5mm² einen Spannungsabfall von 25V (>20% Versorgungsspannungsverlust)!

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