Pufferlösungen für DC-Systeme: Schnelle und zuverlässige Überbrückung bei kurzzeitigen Stromausfällen
Dieser Blogartikel analysiert die technischen Anforderungen, Auswahlkriterien und Grenzen von kondensatorbasierten Puffermodulen anhand praxisnaher Anwendungsbeispiele.
Netzausfälle stellen ein signifikantes Risiko für die Betriebskontinuität elektrischer Anlagen dar. In Deutschland beträgt die durchschnittliche Nichtverfügbarkeit elektrischer Energie gemäß SAIDI (System Average Interruption Duration Index) 12,2 Minuten* pro Letztverbraucher und Jahr (Stand: 2022). Im Vergleich dazu liegt der entsprechende Wert in den USA bei 125,7 Minuten**.
Die Ursachen für diese Unterbrechungen sind vielfältig und reichen von witterungsbedingten Einwirkungen, wie z. B. Eislast und Blitzschlag, über technische Defekte in der Übertragungs- und Verteilungsebene bis hin zu gezielten Eingriffen in die Netzstruktur, in Form von Sabotage oder Cyberangriffen.
Insbesondere in industriellen Anwendungen führen selbst kurzzeitige Spannungsunterbrechungen auf der DC-Seite zu erheblichen Störungen: ungeplante Anlagenstillstände, Datenverlust in speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), Taktfehler in Antriebsreglern sowie thermische und mechanische Belastungen durch unkontrolliertes Abschalten von Lasten.
Zur Absicherung kritischer DC-Verbraucher werden daher unterbrechungsfreie Stromversorgungen (DC-USV) sowie Puffermodule eingesetzt.
- Kondensatorbasierte Puffermodule für kurzzeitige Überbrückungen im Millisekundenbereich
- Batteriespeicherbasierte DC-USV-Systeme für längere Pufferzeiten im Minuten- bis Stundenbereich
„Dieser Blogbeitrag ist der erste Teil einer zweiteiligen Serie, die technische Spezifikationen, Entscheidungsfaktoren und Einsatzgrenzen von Puffermodulen anhand realer Anwendungsszenarien beleuchtet. Im Folgeartikel werfen wir einen detaillierten Blick auf DC-USV-Lösungen und ihre Rolle für eine langfristig zuverlässige Stromversorgung.“
„Selbst kurze Stromausfälle in industriellen DC-Systemen können kostspielige Unterbrechungen verursachen. PULS sorgt für Zuverlässigkeit – mit kondensatorbasierten Modulen zur kurzfristigen Pufferung und DC-USV-Systemen für langfristige Versorgungssicherheit.“
Kondensatorbasierte Puffermodule: Zuverlässige Überbrückung von Netzunterbrechungen im Millisekundenbereich
Gerade sehr kurzfristige Netzunterbrechungen und -schwankungen im Millisekunden Bereich werden häufig unterschätzt und können einen großen Einfluss auf Industriesysteme haben. Handelsübliche Industrienetzteile besitzen bereits einen integrierten Hold up-Speicher, der für etwa 25 ms bis 50 ms die Überbrückung von derartigen Ereignissen übernimmt. Reicht dies nicht aus, muss für zusätzliche Pufferzeit gesorgt werden.
Zur Verlängerung der Pufferzeit bieten Puffermodule mit Elektrolytkondensatoren eine ideale Lösung. Diese Module sind:
- Optimiert für die Überbrückung von Stromausfällen bis zu 200 Millisekunden unter Nennlast
- Kompakt, wartungsfrei und einfach zu installieren
- Ausgelegt für weite Temperaturbereiche und eine lange Lebensdauer (typischerweise über 10 Jahre)
Die Überbrückungszeit während einem Netzausfall wird direkt durch die im Kondensator gespeicherte Energie bestimmt, die wiederum von der Spannung und Kapazität des Kondensators abhängt. Diese Energie (E) lässt sich mit folgender Formel berechnen:
Es gilt:
- E = Energie in Joule (J)
- C = Kapazität in Farad (F)
- U = Spannung in Volt (V)
Diese Gleichung ist entscheidend für die Auslegung kondensatorbasierter Puffermodule in industriellen DC-Systemen. Um den Energieinhalt zu erhöhen, können Entwicklungsingenieure entweder die Kapazität oder die Ladespannung steigern. Da die Spannung jedoch einen quadratischen Einfluss auf die Energie hat (eine Verdopplung der Spannung vervierfacht die Energie), legt PULS bei der Produktentwicklung besonderen Fokus auf die Spannungsoptimierung, um die Pufferleistung zu maximieren.
Nahtloser Übergang nach Stromausfällen
Auch der Zeitraum nach dem Netzausfall muss berücksichtigt werden, denn das vorgeschaltete DC-Netzteil muss nach der Unterbrechung verzögerungsfrei wieder übernehmen. Daher ist bei der Auslegung der Pufferung auch die Auswahl eines geeigneten Netzteils mit entsprechendem Einschaltverhalten entscheidend.
Visualisierung der Überbrückungsphase
Ein typisches Szenario bei einem Stromausfall umfasst zwei Spannungskurven:
- Die Wechselspannung (AC) am Eingang, die bei einem Stromausfall abfällt
- Die Gleichspannung (DC) am Ausgang, die dank des Puffermoduls stabil bleibt
Sobald die Ausgangsspannung des Netzteils unter den Schwellwert von 22,5 V fällt, übernimmt das Puffermodul nahtlos die Versorgung der angeschlossenen Verbraucher mit stabiler DC-Spannung. Nach Wiederkehr der Netzspannung stellt das Netzteil, ohne Unterbrechung, wieder die Versorgung sicher.
Individuelle Puffer-Spannungskonfiguration für spannungssensible Anwendungen
PULS bietet bei den Puffermodulen der UF-Serie die Möglichkeit, die minimale Pufferspannung gezielt auf 1 V unterhalb der eingestellten Ausgangsspannung zu konfigurieren. Wird beispielsweise eine Ausgangsspannung von 28 V am Netzteil eingestellt, kann das Puffermodul so parametriert werden, dass es bis zu einer Untergrenze von 27 V puffert – anstelle des standardmäßigen Schwellwerts von 22,5 V.
Diese feinjustierte Spannungsanpassung ist besonders vorteilhaft für spannungssensible Lasten oder Systeme mit engeren Toleranzanforderungen, bei denen bereits geringe Spannungseinbrüche zu Instabilität oder Datenverlust führen können.
Im Normalbetrieb werden Puffermodule erst aktiv, wenn die Ausgangsspannung auf 22,5 V abfällt. Mit dieser konfigurierbaren Funktion beginnt die Pufferung jedoch früher – und sorgt so für eine stabilere und zuverlässigere Gleichstromversorgung kritischer Komponenten.
Puffermodule ermöglichen kontrolliertes Herunterfahren von Systemkomponenten bei längeren Stromausfällen
Kondensatorbasierte Puffermodule eignen sich ideal für Anwendungen, die eine begrenzte Überbrückungszeit benötigen, um Systeme nach einem Netzausfall sicher herunterzufahren. Diese Module bieten ein kurzes, aber entscheidendes Zeitfenster, um Geräte in einen definierten, spannungsfreien Zustand zu versetzen – und minimieren so das Risiko von Datenverlust oder beschädigter Hardware.
Die frühzeitige Erkennung von Spannungseinbrüchen ist für diese Strategie entscheidend. In der Regel erfolgt dies über das DC-OK-Signal am Ausgang des Netzteils. Sobald ein Einbruch erkannt wird, übernimmt das Puffermodul sofort die Lastversorgung und hält die Gleichspannung stabil, bis die gespeicherte Energie aufgebraucht ist.
Die Möglichkeit, das System kontrolliert herunterzufahren, gewährleistet einen fehlerfreien Neustart und schützt empfindliche Komponenten wie SPS, Industrie-PCs und Automatisierungssteuerungen. Sie ist ein entscheidendes Merkmal zur Sicherstellung der Betriebssicherheit in industriellen Umgebungen.
Hinweis: Liegt die tatsächliche Last unterhalb des maximal zulässigen Ausgangsstroms des Puffermoduls, verlängert sich die verfügbare Pufferzeitentsprechend. Eine sorgfältige Dimensionierung unter Berücksichtigung der realen Leistungsaufnahme ist daher entscheidend für die Effektivität der Abschaltstrategie.
Kondensatorbasierte Puffermodule zur Absicherung von Teilsträngen
In industriellen DC-Systemen können kondensatorbasierte Puffermodule gezielt eingesetzt werden, um empfindliche Teilbereiche der Stromversorgung zu schützen. Durch die Integration eines Redundanzmoduls wird die Ausgangsseite des Netzteils in gepufferte und ungepufferte Zweige unterteilt – wodurch die Energieverteilung entsprechend der Lastsensibilität optimiert wird.
Leistungshungrige Verbraucher wie Aktoren werden direkt am Netzteil betrieben und nicht in die Pufferung einbezogen. Die Pufferenergie steht somit ausschließlich für empfindlichere Komponenten wie Sensoren, SPS, Industrie-PCs oder Logik zur Verfügung.
Diese gezielte Absicherung einzelner Pfade verlängert die verfügbare Pufferzeit deutlich – je nach Systemarchitektur oft bis in den Sekundenbereich. Er ermöglicht eine zuverlässige Datensicherung, kontrollierte Abschaltsequenzen und eine höhere Widerstandsfähigkeit für spannungssensible Geräte.
Kaskadierung von Puffermodulen: Erhöhung von Pufferzeit und Spitzenstromfähigkeit
Die Puffermodule der PULS UF-Serie sind für die nahtlose Integration in industrielle DC-Systeme konzipiert. Ausgestattet mit Elektrolytkondensatoren funktionieren diese Module wie elektronische Kondensatoren und können parallel geschaltet werden – entweder am Ausgang des Netzteils oder direkt an der Last.
Durch das Kaskadieren mehrerer Puffermodule können Anwender:
- Die Pufferzeit bei Stromausfällen verlängern.
- Die Spitzenstromfähigkeit erhöhen, ohne das Netzteil überdimensionieren zu müssen.
- Das Systemdesign für dynamische Lastprofile optimieren.
Dieser modulare Ansatz bietet mehrere Vorteile:
- Kosteneinsparung durch kleinere, effizientere Netzteile
- Verbesserte Betriebssicherheit bei kurzfristigen Lastspitzen“
- Flexible Skalierbarkeit durch modulare Erweiterung der Pufferkapazität
Während kurzzeitiger Lastspitzen – z. B. beim Anfahren von Motoren oder Förderanlagen – kann das Puffermodul zusätzlich zum Netzteil Strom einspeisen. So werden Überlastsituationen abgefangen und sichert einen stabilen Betrieb, ohne dass das Netzteil überlastet wird.
Praktisches Beispiel: Pufferung in Intralogistiksystemen
In einer Förderanlage im Logistikbereich wird das Fördergut regelmäßig gestoppt und wieder angefahren. Beim Wiederanlauf entstehen kurzzeitig hohe Anlaufströme. Durch den Einsatz eines Puffermoduls kann ein kleineres Netzgerät verwendet werden, das für den Dauerbetrieb optimiert ist – die kurzzeitigen Lastspitzen deckt das Puffermodul ab.
Fazit: Auswahl der richtigen Pufferstrategie für eine zuverlässige Gleichstromversorgung
Dieser Artikel konzentriert sich ausschließlich auf kondensatorbasierte Puffermodule und deren Rolle bei der kurzzeitigen Sicherstellung der Gleichstromversorgung. Diese Module bieten schnelle Reaktionszeiten, skalierbare Energiespeicherung und gezielten Schutz für empfindliche Komponenten – ideal zur Überbrückung von Unterbrechungen im Millisekundenbereich, zur Steuerung dynamischer Lastprofile und für das kontrollierte Abschalten bei längeren Ausfällen.
Für Anwendungen die längeren Überbrückungszeiten – von mehreren Minuten bis hin zu Stunden – benötigen, bieten DC-USV-Systeme mit Batteriespeicher die erforderliche Autonomie und Flexibilität. Diese Systeme sind darauf ausgelegt, eine geregelte Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten, kritische Infrastrukturen zu unterstützen und erweiterte Funktionen wie Black-Start-Fähigkeit und intelligentes Batteriemanagement bereitzustellen.
In unserem nächsten Artikel beleuchten wir DC-USV-Lösungen im Detail – mit Fokus auf ihre technischen Vorteile, Konfigurationsmöglichkeiten und Einsatzszenarien in Umgebungen, in denen eine unterbrechungsfreie Stromversorgung essenziell ist.
Welche Backup-Lösung eignet sich am besten für Ihre Anwendung?
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* Quelle: Bundesnetzagentur | Daten von 2022 https://www.bundesnetzagentur.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/DE/2023/20231107_SAIDI.html
** Quelle: U.S. Energy Information Administration (EIA) | Daten von 2022 https://www.eia.gov/electricity/annual/table.php?t=epa_11_04.html
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