Optimale Leistung von AC-zu-DC-Netzteilen in anspruchsvollen Umgebungen

Einleitung

AC-zu-DC-Netzteile finden sich in Anwendungen, in denen Energie aus dem Wechselstromnetz für Lasten mit fester oder variabler Gleichspannung oder -strom aufbereitet werden muss. Obwohl solche Geräte nur wenige Ein- und Ausgangsanschlüsse haben, haben Ingenieure häufig Schwierigkeiten, in ihrer jeweiligen Umgebung eine zuverlässige Leistung zu erzielen. Problematische Faktoren können von der Qualität der Wechselstromquelle, Kühlungsbeschränkungen, Steuerungsverkabelung, Luftqualität bis hin zum Verständnis des Benutzers für das Stromwandlungsprodukt reichen. Dieser Artikel beschreibt einige häufige Fallstricke und gibt Einblicke, wie maximale Leistung für spezifische Anwendungen erzielt werden kann.

Qualität der Stromversorgung

Wechselstromnetz

Der Anschluss eines AC-zu-DC-Netzteils an das Stromnetz ist erstaunlicherweise eine häufige Problemquelle. Weltweit variieren die Netzspannungen in verschiedenen Teilen der Welt von 200 VAC in Japan bis 696 VAC in den Niederlanden. Die Netzfrequenz variiert ebenfalls zwischen 50 und 60 Hz, aber bei heutigen Schaltnetzteilen hat die Frequenz im Allgemeinen nur geringe Auswirkungen auf die Leistung.

Jedes Jahr erhält Magna-Power Electronics Supportanrufe, dass das Netzteil eines Kunden aufgrund des Anschlusses an die falsche Netzspannung ausgefallen ist. Das Lesen des Typenschilds auf der Rückseite des Netzteils und das Messen der anliegenden Spannung kann katastrophale und kostspielige Ausfälle verhindern.

Die Stromqualität, also die Reinheit der am Netzteil anliegenden Spannung, kann die Ursache für einige überraschende Verhaltensweisen sein. Stromverteilungssysteme mit ihren zugehörigen Transformatoren und Verteilungsimpedanzen können Spannungsabfälle oder -überspannungen mit anderen Lasten im Stromnetz erzeugen; diese Lasten können harmonische Ströme zirkulieren lassen und Resonanzen zwischen induktiven und kapazitiven Komponenten anregen. Industrielle Netzteile mit 6-Puls-Wellenformen haben starke 5. und 7. Oberschwingungsanteile. Erneuerbare Energiequellen mit ihren zugehörigen Stromwandlungsanlagen können ebenfalls die am Netzteil anliegende Spannung beeinflussen.

Oberschwingungen, wie oben beschrieben, und Spannungstransienten im Wechselstromnetz können die Eingangsseite der Stromwandlungsschaltung beschädigen. Spannungstransienten können mit Varistoren oder anderen Spannungsbegrenzungsbauelementen unterdrückt werden, aber auch diese Bauelemente haben ihre Grenzen; sie können nur begrenzte Energiemengen absorbieren. Netzoberschwingungen können zerstörerischer sein, da diese Spannungsausschläge über längere Zeiträume auftreten. Um diese Art von Problemen zu überwinden, verwendet Magna-Power Electronics Eingangskomponenten mit einer Nennspannung von 1600V. Diese Spannungsbemessung reicht aus, um die meisten Netzbedingungen mit Ausnahme von Blitzeinschlägen zu bewältigen.

Die Phasenfolge ist die Phasenbeziehung der Leitungsspannung einer Drehstromquelle. Obwohl es Standards gibt, können die Phasenbeziehungen in Industrieanlagen variieren. Bei falscher Phasenfolge können Motoren rückwärts laufen und Netzteile mit Thyristoren (SCR) Fehlzündungen haben. Moderne SCR-Stromverarbeitungsgeräte umgehen Probleme mit der SCR-Zündschaltung, indem sie Phasenfolgevariationen erkennen und korrigieren.

Erdung

Erdungsprobleme treten in Industrieanlagen häufig auf. Eine ordnungsgemäße Erdung wird von vielen Elektroinstallateuren nur unzureichend verstanden, und in vielen Fällen sind nicht durchgängige Erdungsverbindungen vorzufinden. Der Hauptzweck der Netzteilerdung ist die Sicherheit und die EMV-Unterdrückung. Die Erdung bringt das Schutzgehäuse auf ein sicheres oder nahezu nullspannungsdifferentes Potential gegenüber umgebenden Geräten. Im Inneren des Netzteils wird eine Erdungsverbindung mit EMV-Filtern verwendet, um hochfrequente Stromanteile von den Ein- und Ausgangsanschlüssen fernzuhalten und innerhalb des Netzteilgehäuses zu halten.

Gemäß den elektrischen Vorschriften und aus Sicherheitsgründen sollte es nur eine Verbindung zur Erdung geben; die Erdungsverbindung sollte am elektrischen Gebäudeeingang, am Standort der Messgeräte, hergestellt werden. An diesem Punkt werden Erde und Neutralleiter miteinander verbunden und ein Erdungsstab in den Boden getrieben. Wenn die Anlagen des Gebäudes ordnungsgemäß verdrahtet sind, sollte nur ein geringer Strom im Erdungspfad fließen. Im Falle eines Blitzeinschlags steigt die gesamte Anlage auf dasselbe Spannungspotential an und schützt so Gegenstände oder Personen vor gefährlichen Spannungsdifferenzen.

Leider sind nicht alle Stromversorgungssysteme vorschriftsgemäß verdrahtet, und ein häufiges Problem besteht darin, dass die Erdungen für Computer und Messgeräte nicht auf demselben Spannungspotential wie die Leistungsgeräte liegen. Obwohl die Netzteile von Magna-Power Electronics versuchen, sich an solche Bedingungen anzupassen, kann eine schlechte Erdungsverbindung zwischen Benutzer- und Leistungsgeräten manchmal zu ungewöhnlichem Netzteilverhalten führen. Das häufigste Problem ist der Verlust der Kommunikation zwischen Netzteil und Computerausrüstung. In den meisten Fällen behebt das Verbinden der Erdungen zwischen Benutzerschnittstellengeräten und dem Netzteil dieses Problem.

Einige Anwendungen erfordern den Anschluss an externe Überwachungs- oder Steuerungsschaltungen. Viele, wenn nicht die meisten Netzteile haben Fehler- und Rückkopplungsschaltungen, die auf die Ausgangsklemmen bezogen sind. Ohne geeignete Isolation, wie optische Isolatoren, können sich Erdschleifen entwickeln, wenn die externe Schaltung und die Netzteil-Last geerdet sind. Steuerungsfehler können auftreten, wenn die externe Schaltung geerdet ist und die Netzteil-Last potentialfrei bleibt. In diesem Fall wird leitungsgebundene EMV-Störung auf die Erdungsleitungen der externen Schaltung geleitet.

Magna-Power Electronics hat viele Erdungsprobleme umgangen, indem die gesamte Steuerung nahe dem Erdpotential platziert wurde. Die Erdungsreferenz wird durch die Verbindung eines Widerstands und eines parallel geschalteten Kondensators hergestellt. Diese Komponenten ermöglichen es, das Netzteil und extern angeschlossene Schaltungen vor schlechten Erdungsumgebungen zu schützen und gleichzeitig eine geeignete Impedanz für die EMV-Unterdrückung bereitzustellen.

Selbst bei einem ordnungsgemäß geerdeten Stromversorgungssystem können Probleme durch eine EMV-erzeugende Quelle entstehen, die ein Spannungspotential im Erdungskreis erzeugt. Die Impedanz des Erdungskreises steigt mit der Frequenz, und die EMV-Quelle kann, abhängig von ihrem Standort im Stromversorgungssystem, Spannungen zwischen der externen Überwachungs- und Steuerungsschaltung einführen. Wie bei schlechten Erdungsbedingungen mindert das Verbinden der externen Geräte mit dem Netzteil solche elektrischen Störungsprobleme.

Umgebung

Netzteile enthalten wärmeerzeugende Komponenten: Transformatoren, Induktivitäten, Leistungshalbleiter und dergleichen. Ungeachtet ihrer Effizienz benötigen alle diese Komponenten Kühlung. Kleinere Netzteile setzen manchmal auf natürliche Konvektion, aber größere Geräte erfordern Zwangsluftkühlung oder Wasserkühlung. Wassergekühlte Einheiten sind ideal für Anwendungen mit schlechter Luftqualität oder für höher verdichtete Rackeinbauten geeignet, die die Anforderungen an den Luftstrom nicht erfüllen können. Vom Benutzer verursachte Kühlungsprobleme sind die häufigste Ursache für Feldausfallrücksendungen bei Magna-Power Electronics.

Luftkühlung

Bei Netzteilen, die eine Zwangsluftkühlung erfordern, können thermische Probleme durch Blockieren von Lüftungsöffnungen, schlechte Luftqualität und Lufteinschränkungen in Schrankgehäusen entstehen. Das Blockieren von Lüftungsöffnungen kann offensichtlich zum Geräteausfall führen. Das Anbringen von Temperatursensoren an kritischen Komponenten kann helfen, diesen Missbrauch zu erkennen, aber es gibt Grenzen dessen, was praktisch möglich ist. Die Vermeidung von Blockierungen der Gehäuselüftung gewährleistet die vom Hersteller vorgesehene Lebensdauer der Geräte.

Die Unterbringung eines Netzteils in einem Gerätegehäuse kann ebenfalls zu thermischen Problemen führen. Der Luftstrom innerhalb des Netzteils erfordert denselben Luftstrom innerhalb des Gehäuses. Die Eigenerwärmung von Gerätegehäusen ist ein häufiges Problem. Eine ungünstige Platzierung von Zuluft- und Abluftöffnungen kann dazu führen, dass warme Luft erneut erhitzt wird und nie nach außen abgeführt wird. Ein konservativer Ansatz zur Gehäusekühlung besteht darin, Zuluftöffnungen am Boden des Gehäuses und Lüfter mit der gleichen Nennleistung in Kubikfuß pro Minute am oberen Ende des Gehäuses anzubringen. Um den Lüfterdruck und die Lufteinschränkung zu minimieren, sollten die Lüftungsöffnungen am Boden des Gehäuses den Lüftungsöffnungen am oberen Ende entsprechen.

Eine Umgebung mit schlechter Luftqualität findet in der Regel ihren Weg ins Innere des Netzteilgehäuses. Leiterplatten sind ausgelegt, Spannungen von manchmal mehreren tausend Volt standzuhalten. Schichten aus Staub, Farbe und anderen Partikeln können elektrische Durchschläge verursachen. Das Einsetzen von Luftfiltern in das Gehäuse zur Reinigung der Zuluft kann dieses Problem minimieren, aber unsachgemäße Reinigung dieser Filter stellt ein weiteres Problem dar. Es gibt praktisch keinen guten Kompromiss zwischen schlechter Luftqualität und Filtrationsproblemen. Bei extrem schlechten Umgebungsbedingungen ist das Abdichten des Netzteils und die Nutzung von Wasserkühlung die beste Alternative für das Wärmemanagement und den zuverlässigen Betrieb.

Wasserkühlung

Wasserkühlung in anspruchsvollen Umgebungen kann viele Anwendungsprobleme lösen. Magna-Power Electronics verwendet Temperatursensoren zur Steuerung des Wasserdurchflusses, um Kondensation in Kühlkörperbaugruppen zu verhindern. Die Einhaltung der Herstellerspezifikationen für Wassertemperatur, Durchflussrate und Druck ist entscheidend für den korrekten Betrieb wassergekühlter Geräte.

Austretendes erwärmtes Wasser kann mit Wärmetauschern, Wasser-zu-Luft oder Wasser-zu-Wasser, in einem geschlossenen Kreislaufsystem gekühlt oder in einem offenen Kreislaufsystem abgeführt werden.

Benutzeranschlüsse

Steuerungs- und Überwachungsanschlüsse

Viele Anwendungen erfordern externe Geräte zur Überwachung und Steuerung von Netzteilparametern. Neben der Sicherstellung, dass elektrische Anschlüsse die Herstellernennwerte nicht überschreiten, kann die Platzierung der Kabel entscheidend sein. Spannungen und Ströme an den Ein- und Ausgangsklemmen von AC-zu-DC-Netzteilen enthalten höherfrequente Komponenten in Form von Transienten, EMV-Störungen und Oberschwingungen. Die Verlegung von Steuerungs- und Überwachungskabeln parallel zu stromführenden Kabeln kann zu unvorhersehbaren Ergebnissen führen. Es wird empfohlen, Steuerungs- oder Überwachungskabel separat, wenn möglich in einem eigenen Metallkabelkanal, zu verlegen.

Remote-Sense-Anschlüsse

Die Regelung der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms hängt von der Erfassung des gewünschten Ausgangsparameters und dessen Anpassung an eine Vergleichsreferenz ab. Sowohl die Referenz als auch die Ausgangserfassungsparameter können extern zum Netzteil sein. Die Fernerfassung (Remote Sensing) der Ausgangsspannung wird üblicherweise eingesetzt, um den Spannungsabfall in den mit der Last verbundenen Leitungen zu minimieren. Richtig eingesetzt bietet Remote Sensing eine überlegene Regelung am Lastpunkt.

Das Umschalten von Remote-Sense-Verbindungen oder die Konfiguration des Netzteils für Remote Sensing ohne Anschluss der Remote-Sense-Leitungen ist eine häufige, aber falsch angewandte Konfiguration. Ein Netzteil, das ohne Erfassung eines Ausgangsparameters betrieben wird, kann entweder Ausgangskomponenten im Netzteil oder die Last beschädigen. Ohne einen zu regelnden Ausgangsparameter treibt die Rückkopplungsschaltung die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom auf ihr Maximum. Der maximale, nicht geregelte Ausgang kann die sichere Ausgangsleistung der Netzteilkomponenten überschreiten.

Eine gängige Methode zur Behebung dieses potenziellen Problems ist das Hinzufügen von Widerständen zwischen den Ausgangsklemmen und den Remote-Sense-Klemmen. Die Konfiguration eines Netzteils für Remote Sensing und das Entfernen der Remote-Sense-Leitungen führt dazu, dass die Ausgangsspannung leicht über die Nennbedingungen ansteigt. Die Abweichung über die Nennbedingungen hinaus ist eine Funktion der lokalen Sense-Widerstände im Inneren des Netzteils.

Komplikationen beim Remote Sensing können auftreten, wenn Remote-Sense- und Stromleitungen umgeschaltet werden. Abbildung 1 zeigt eine häufige und falsch konfigurierte Systemanwendung; die Ausgangsklemmen sind als VO+ und VO- definiert, die Spannungserfassungsklemmen als VS+ und VS-. Diese Konfiguration wird eingesetzt, um Strom- und Remote-Sense-Leitungen zu verschiedenen Lasten mit demselben Netzteil umzuschalten. Elektronische Rückkopplungsschaltungen sind in der Regel schneller als das Schalten mechanischer Relais und Schütze, und während des Schaltvorgangs wird das Netzteil ohne Ausgangserfassung betrieben. Ein weiteres Problem bei dieser Konfiguration ist der Betrieb des Netzteils mit nur angeschlossener Erfassungsschaltung, Relais K2 ein und Relais K1 aus. Dies führt praktisch zu einem Kurzschluss der Sense-Leitungsverbindungen durch die Last. Dadurch werden die Schutzwiderstände R1 und R2 in Reihe mit der Last geschaltet, wenn das Netzteil bei maximaler Leistung betrieben wird.

Magna-Power Electronics verwendet einen alternativen Ansatz zum Remote-Sense-Schutz, der jedoch auch einige Nachteile hat. Wie in Abbildung 2 dargestellt, wird die Remote-Sense-Spannung, VSX+ minus VSX-, zu Beginn des Einschaltzyklus durch eine elektronische Umschaltung im Inneren des Netzteils getestet. Das Netzteil verwendet zu Beginn des Einschaltzyklus die lokale Erfassung. Es wird dann schnell, schneller als die Reaktion des Rückkopplungssystems, auf die Remote-Sense-Klemmen umgeschaltet, um festzustellen, ob die Remote-Sense-Leitungen mit der Last verbunden sind. Wenn eine Spannung vorhanden ist, bleibt das Netzteil in der Remote-Sense-Konfiguration; wenn nicht, wird die lokale Erfassungsverbindung wiederhergestellt. Das Verfahren funktioniert gut, es sei denn, der Benutzer schaltet die Remote-Sense-Verbindungen nach dem Einschaltzyklus um oder entfernt sie.

Belastende Lastbedingungen

Ausgangsstromwelligkeit

AC-zu-DC-Netzteile haben normalerweise Kondensatoren, die zwischen den Ausgangsklemmen des Netzteils angeschlossen sind. Diese Kondensatoren bieten einen Nebenschlusspfad zur Reduzierung unerwünschter Wechselströme, die während des Stromwandlungsprozesses erzeugt werden. Diese Kondensatoren haben einen internen Serienwiderstand und erzeugen bei Beaufschlagung mit Wechselströmen Verlustleistung, die zu Wärme führt.

Die Einhaltung der Kondensatorströme innerhalb tolerierbarer Grenzen kann zum Problem werden, wenn Wechselströme von der Last zu den vom Netzteil erzeugten hinzukommen. Solche Bedingungen können durch eine schaltende Last, wie einen Abwärtswandler (Buck-Converter), entstehen, die an die Ausgangsklemmen des Netzteils angeschlossen ist. Wie in Abbildung 3 dargestellt, wird das Netzteil einen Teil des Wechselstrom-Laststroms aufnehmen, abhängig vom Verhältnis des internen Serienwiderstands R1 und R2 der Kondensatoren C1 und C2.

Wiederholter Kurzschlussbetrieb

Wie bei übermäßiger Ausgangsstromwelligkeit können Ausgangskondensatoren, insbesondere Aluminium-Elektrolytkondensatoren, durch Kurzschließen der Ausgangsklemmen des Netzteils beschädigt werden. Der Spitzenstrom wird nur durch den internen Serienwiderstand der Ausgangskondensatoren plus die Leitungsimpedanz der Verbindungskabel begrenzt. Die im Kondensator gespeicherte Energie wird als Wärme im Kondensator freigesetzt; wiederholtes Kurzschließen der Ausgangsklemmen kann zu Degradation oder katastrophalem Ausfall führen. Folienkondensatoren, wie solche mit Polypropylenfolie, haben niedrigere Verlustfaktoren und können mehr Belastung als Aluminium-Elektrolytkondensatoren vertragen, aber diese Kondensatoren haben bei gleicher Größe niedrigere Kapazitätswerte, was die Filterleistung beeinträchtigt. Der Kompromiss zwischen Ausgangsrippelleistung und zuverlässigem, wiederholtem Kurzschlussbetrieb ist eine Designbeschränkung.

Rückgespeiste Spannung

DC-Netzteile werden häufig an Lasten angeschlossen, die über eine eigene Energiequelle verfügen, oder an Lasten, die Spannungen und Ströme erzeugen, die die Nennwerte des Netzteils überschreiten. Typische Beispiele sind Batterielasten, Gleichstrommotoren und Motorregler; diese Lasten sind zu bidirektionalem Energiefluss fähig.

Der Anschluss einer Batterie an die Ausgangsklemmen des Netzteils kann eine schnelle Aufladung der Ausgangskondensatoren verursachen und übermäßigen Ausgangsstrom erzeugen. Wie in Abbildung 4 dargestellt, verhindert eine in Reihe geschaltete Diode D1 zwischen dem Ausgang des Netzteils und der Batterie die Rückspeisung von Spannung an die Ausgangsklemmen des Netzteils. Die Konfiguration des Netzteils für Remote Sensing an der Last eliminiert den Diodenspannungsversatz. Außerdem verhindert die Diode die Entladung der Batterie über das Netzteil, wenn das Netzteil ausgeschaltet ist. AC-zu-DC-Netzteile haben typischerweise Entladewiderstände über den Ausgangskondensatoren, um gespeicherte Ladung zu entladen, wenn das Netzteil ausgeschaltet ist.

Gleichstrommotoren und Motorregler-Kombinationen können beim Versuch der Energierückgewinnung Spannungen rückspeisen. Wenn das Netzteil die Energie nicht abführen kann, liegt seine Ausgangsspannung auf der vom Motor oder Regler erzeugten Spannung. Das Einsetzen einer Diode, wie zuvor beschrieben, schützt den Ausgang des Netzteils vor Überschreitung seiner Spannungsnennwerte.

Sperrspannung

Die meisten AC-zu-DC-Netzteile verwenden eine Dioden- oder Synchrongleichrichterschaltung in der letzten Ausgangsstufe der Leistungsverarbeitung. Diese Komponenten begrenzen die Ausgangsspannung auf einige Volt in Sperrrichtung. Die Belastung eines Netzteils zur Erzeugung einer Sperrspannung stellt im Allgemeinen keine Zuverlässigkeitsprobleme für die Ausgangsstufe dar, einschließlich Aluminium-Elektrolytkondensatoren, solange die Ausgangsströme innerhalb der Nennwerte des Netzteils bleiben. Das Anlegen einer Sperrspannungsquelle, wie einer Batterie, kann Ausgangsleistungshalbleiter beschädigen, wenn die Ströme die Nennwerte überschreiten dürfen. Wie in Abbildung 5 dargestellt, kann der Schutz gegen Sperrspannung durch eine in Reihe geschaltete, schnell auslösende DC-Sicherung F1 und eine Diode D1 mit einer Stoßstrombelastbarkeit über dem i2t der Sicherung erreicht werden. Bei diesem Schutzkonzept löst eine Sperrspannungsverbindung die Sicherung aus, indem der Strom durch die Schutzdiode geleitet wird.