Immer unter Strom Redundante Systeme gegen den Betriebsausfall

Unterschiedliche Redundanzarten Die funktionelle Redundanz (Redundanz von lat. redundans: \’im Überfluss vorhanden\‘) wird in sicherheitskritischen Systemen eingesetzt, wo ein Systemausfall nicht akzeptabel ist. Teilsysteme werden mehrfach parallel ausgelegt, damit beim Ausfall einer Komponente eine andere den Dienst übernimmt. In Flugzeugen beispielsweise werden hydraulische, mechanische und elektronische Systeme miteinander kombiniert, um die Ausfallwahrscheinlichkeit des Gesamtsystems auf ein Minimum zu reduzieren. In der Leistungselektronik werden redundante Stromversorgungen durch Dioden oder p-Kanal Power Mosfets im Ausgang voneinander entkoppelt, damit sie sich nicht gegenseitig beeinflussen können. Die Einzelspannungsgeräte der Quel GmbH sind für den Betrieb mit einfacher Redundanz ausgestattet bzw. aufrüstbar. N+1-Redundanz bedeutet, dass ein System aus N+1 Einheiten besteht und N Einheiten zur Aufrechterhaltung der Funktion benötigt werden. In der Leistungselektronik heißt das, dass zu jedem Zeitpunkt auch bei Ausfall einer Komponente der Leistungsbedarf des Gesamtsystems gedeckt bleiben muss. Fällt ein aktives Gerät aus, kann die Funktion der ausgefallenen Einheiten dadurch aufrechterhalten werden, dass eine bis dahin nicht stromführende Einheit den Ausfall durch Zuschaltung kompensiert (\’kalte Redundanz\‘) oder dass alle N+1 Einheiten im Normalbetrieb arbeiten und der Ausfall einer Einheit durch alle noch aktiven Komponenten aufgefangen wird (\’heiße Redundanz\‘). Der Vorteil der heißen Redundanz, wie sie die Geräte von Quel bieten, ist eine sofortige Verfügbarkeit der maximal erforderlichen Leistung. Ein genereller Nachteil der N+1-Redundanz ist, dass bei einem weiteren Ausfall einer aktiven Einheit das System nicht mehr voll zur Verfügung steht und damit in der Regel als ausgefallen betrachtet wird. Dem steht der Vorteil einer wesentlich höheren Wirtschaftlichkeit gegenüber. Bei homogener Redundanz arbeiten gleiche Komponenten parallel miteinander. Mit dieser Auslegung lässt sich der Entwicklungsaufwand durch identische Komponenten reduzieren. Diese Auslegung sichert gegen zufällige Ausfälle, z.B. Alterung, Verschleiß und erhöht die Gesamtzuverlässigkeit. Bei inhomogener Redundanz koppelt man Komponenten unterschiedlicher Hersteller zusammen, um das Restrisiko von Entwicklungs- und Fertigungsmängeln gleicher Hersteller zusätzlich noch auszuschließen. Dies bringt aber den Nachteil schlechterer Wirtschaftlichkeit und potentieller Probleme im Zusammenspiel der Einzelkomponenten mit sich. Damit die zu versorgenden Systeme, wie z.B. Kraftwerksleitwarten, unterbrechungsfrei weiter laufen können, müssen die Stromversorgungen im Fehlerfall während des Betriebes ausgetauscht werden können (hot swapping). Im Anwendungsfall Stromversorgungssysteme sind hochkapazitive Kondensatoren verbaut. Damit beim Laden dieser Kondensatoren keine hohen Spitzenströme über die Kontakte der Steckverbindungen fließen, wird die Stromversorgung über im frontseitig bedienbaren Ziehgriff integrierten Schalter eingeschaltet. Durch diese Schaltfunktion im Ziehgriff ist ein unproblematischer Austausch der Module auch während des Betriebes möglich. IM400: Redundante Systemstromversorgung Damit die Geräte zu einer sehr hohen Ausfallsicherheit kommen, hat Quel bei der redundanten Systemstrom-Lösung IM400 auf mechanische Bauelemente wie Lüfter verzichtet. Zusätzlich werden die internen Temperaturen durch einen bewusst \’luftigen\‘ Aufbau gering gehalten. Trotzdem stehen 400W in nur 21TE bei 220mm Baugruppentiefe zur Verfügung (48VDC-DC Betrieb, Einspeisung mit 220Vdc). Der Wirkungsgrad in diesem entkoppelten System beträgt 92%. In einem 6HE hohen, 295mm tiefen (oder Sonderausführung: 4HE, 355mm tiefen) Rack können 1.600W oder bis zu vier Stromversorgungen zusammen mit einer Anzeige- und Überwachungseinheit platziert werden. Im Baugruppenträger stehen diverse Einspeisemöglichkeiten (von oben, unten oder auch seitlich zugentlastet) zur Verfügung. Neben der DC-Einspeisung ist auch AC- oder auch AC- und DC-Mischbetrieb möglich. Die am Baugruppenträger (BGT) befestigte Anschlussplatine übernimmt die einfache Verkabelung der bis zu vier Stromversorgungen mit zusätzlicher gemeinsamer Ein- und Ausgangsfilterung. Bei Verdrahtung über die Anschlussplatine ist zu beachten, dass alle Stromversorgungen eingangs- und ausgangsseitig jeweils auf einem gemeinsamen Bezugspotenzial liegen. Die am 19\“-Rack befestigte Anschlussplatine dient der flexiblen Verkabelung der bis zu vier Stromversorgungen mit zusätzlicher gemeinsamer Ein- und Ausgangsfilterung. Redundanzüberwachung Bei N+1-Redundanz steht immer ein Gerät als Ausfallsicherheit parat, um im Notfall den Strom eines ausfallenden Gerätes zu übernehmen. Über einen DIP-Schalter am Baugruppenträger wird die Anzahl N der Geräte eingestellt (N = 2 bis 4). Der Controller misst den Gesamtstrom der Anlage und kann aus der Geräteanzahl und dem Gesamtstrom das Vorhalten der Redundanz berechnen, mitteln und anzeigen. Bei Unterschreitung der Leistungsreserve eines Gerätes gibt es eine Alarmmeldung, die alle zehn Sekunden überprüft wird. Es wird über die DIP-Schalter eingestellt, ob die Anlage paarweise überwacht werden soll oder als Gesamteinheit. Die Spannungen der bis zu vier Ausgänge werden angezeigt, sowie deren Ströme. An Relaisfunktionen stehen vier DC-OK-Signale für jeden Ausgang, die Netzüberwachung für max. zwei Einspeisenetze, Redundanz OK und Summenmeldung OK zur Verfügung mit max. 1A Kontaktbelastung bei 60V. Redundante Module Um im Eingang auch mehrfach redundant einspeisen zu können, haben sich drei Modultypen mit unterschiedlichen Netzeingangs- und Ausgangsbedingungen herauskristallisiert. – Batterie-Bereitschaftsparallelbetrieb – AC-DC-Betrieb – DC-DC-Betrieb Der Betrieb der einzelnen Module wird durch eine LED angezeigt. Der Anschluss erfolgt über H15-Steckerleisten. Jedes Modul ist einzeln durch eine Diode entkoppelt und beliebig mit weiteren Modulen parallelisierbar. Die Anzahl der eingesteckten Module sowie die Art der Redundanz wird über DIP-Schalter auf der Rückwandplatine einmalig bei der Inbetriebnahme parametriert. Ladegleichrichter Modul Die Ladegleichrichtermodule sind zur schonenden Ladung von Blei-Gel-Batterien im Bereitschaftsparallelbetrieb ausgelegt. Geladen wird nach IU-Ladekennlinie (Konstantstrom/-Spannung). Die voreingestellte Ladeschlussspannung von 2,3V / Zelle kann am Modul nachjustiert werden. Das Lademodul ist im Netzeingang Power-Faktor-korrigiert nach EN61000 Teil 3-2. In einem 19\“-BGT können bis zu drei Module mit Batterie- und Redundanzüberwachung untergebracht werden. AC-DC- und DC-DC-Konverter Die AC-DC-Module sind zur Versorgung aus dem 230Vac-Netz ausgelegt und tolerieren eine Eingangsspannungsschwankung von maximal ±20%. Der Netzeingangsstrom wird Power-Faktor-korrigiert, um die Anforderungen nach der Norm EN61000 Teil 3-2 zu erfüllen. Die DC-DC-Module sind ausgelegt zur Einspeisung aus Gruppenbatterien oder Generatoren mit DC-Ausgang und transformieren die Eingangsspannung in eine vom Eingang potentialgetrennte Ausgangsspannung. Der Ausgang ist kurzschlussfest. In einem 19\“-Baugruppenträger können bis zu vier Module mit Redundanzüberwachung untergebracht werden.