Stromversorgung Warum die Netzqualität für Entwickler relevant ist

Autor / Redakteur: Christian Korreng* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Programmierbare Stromversorgungen sind unverzichtbar, um die hohen Anforderungen an elektronische Geräte sowie die Auflagen für saubere und zuverlässige Versorgungsnetze zu erfüllen.

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Elektronik: In Entwicklungs- und Laborumgebungen werden programmierbare Stromversorgungen eingesetzt. Nur sie liefern die Energie zuverlässig und mit der gewünschten Spanng, Strom und Frequenz.
Elektronik: In Entwicklungs- und Laborumgebungen werden programmierbare Stromversorgungen eingesetzt. Nur sie liefern die Energie zuverlässig und mit der gewünschten Spanng, Strom und Frequenz.
(Bild: Heiko S. / Pixabay )

Aktuelle elektronische Geräte werden oft mit einem hochgenauen und geregelten Gleichstrom (DC) betrieben. Sie sind jedoch zunächst auf Wechselstrom (AC) angewiesen, der meist aus dem öffentlichen Netz oder anderen Quellen wie Wandlern oder Generatoren bezogen wird. Die Umwandlung in Gleichstrom erfolgt im Netzteil des jeweiligen Gerätes. Störungen auf der AC-Seite können zu Störungen auf der DC-Seite und damit zu Fehlern oder Ausfällen in der Geräteelektronik führen. Da moderne Geräte die Energie selten konstant aus dem Versorgungsnetz entnehmen, entstehen durch den Betrieb ebenfalls Störungen auf der AC-Seite des Versorgungsnetzes.

Dieses Gegenspiel ist oft ein Problem für das Design und die Prüfung von Stromversorgungen und damit für moderne elektronische Geräte. Der folgende Beitrag beschreibt häufig auftretende Probleme herkömmlicher Stromversorgungstechnologien und zeigt mögliche Lösungsansätze auf. Konventionelle Technik bestand früher aus Transformator, Gleichrichter und Längsregler in Netzteilen. Sie war aufgrund ihrer Bauart groß, schwer und verfügte über einen schlechten Wirkungsgrad. Typisch waren sehr warme Geräte.

Die Netzgeräte wurden weitestgehend durch Schaltnetzteile ersetzt. Vereinfacht dargestellt wird durch Ein- und Ausschalten der teils gleichgerichteten Netzspannung im kHz-Bereich der Transformator mit wesentlich höheren Frequenzen betrieben. Dadurch können anstatt Eisen leichtere Materialien im Übertrager eingesetzt und der Wirkungsgrad optimiert werden. Anschaulich wird das, wenn ein 30 kg schwerer Eisentransformator mit einem 500 g schweren Schaltnetzteil verglichen wird. Durch das Zerhacken der Spannung entstehen jedoch hochfrequente Störungen und Oberschwingungen sowohl auf der Geräte- als auch auf der Netzseite.

Programmierbare Stromversorgung im Einsatz

Durch den Einsatz von Halbleiterschaltern und intelligenter digitaler Regelung lassen sich viele Parameter im Netzteil beeinflussen. Beeinflusst wird direkt die Aussendung von Störungen als auch deren Robustheit. Ein elektrisches Gerät als System besteht aus Versorgung, Netzteil und Gerätefunktion. Es ist essentiell, die jeweiligen Auswirkungen der Elemente aufeinander zu prüfen und zuverlässig zu erproben. Netzbedingte Fehler sicher und genau erkennen und einordnen zu können ermöglicht es, die zu prüfenden Geräte in Übereinstimmung mit den eigenen Designspezifikationen sowie den zugehörigen Industriestandards und gültigen Normen zu bringen.

Sollen Geräte auf Robustheit oder Störaussendung untersucht werden, dann ist das Versorgungsnetz ungeeignet für die direkte Versorgung: Es kommt zu Schwankungen und unvorhersehbaren externen Störeinflüssen. Aus diesem Grund werden in Entwicklungs- und Laborumgebungen programmierbare Stromversorgungen eingesetzt. Sie liefern die Energie zuverlässig und genau in der gewünschten Form mit Spannung, Strom und Frequenz. Außerdem lassen sich Störgrößen gleichzeitig eingangs- als auch ausgangsseitig erkennen, messen und aufzeichnen.

Mechanische Motorgeneratoren wurden traditionell zur Umwandlung von Spannung und Frequenz verwendet. Das ist vor allem bei Anwendungen notwendig, die nicht der Spannung und Frequenz des Versorgungsnetzes entsprechen. Das ist in der Flugzeugelektronik eine Frequenz von 400 Hz oder in der Bahntechnik die bekannte 16 ⅔ Hz. Auch wenn mechanische Motorgeneratoren viele Jahre gute Dienste geleistet haben, so haben sie Nachteile durch ihre Wartungsintensivität, Größe, Gewicht und Leistung. Viele der noch bestehenden Anlagen werden zunehmend durch programmierbare und geregelte Stromversorgungen basierend auf Leistungshalbleitern ersetzt. Moderne programmierbare Stromversorgungen bieten viele inte­grierte Zusatzfunktionen. Mit ihnen lassen sich typische aus Versorgungsnetzen stammende Störsignale gezielt in Richtung Prüfling ausgeben. Netzstörungen auf den Prüfling können gezielt erprobt werden.

Wichtige IEC-Prüfnormen für den AC-Fehlerschutz

Beispiel für softwaregesteuerte Kurvenformen, die mit der Serie AFV-P von Preen passend zu den Normen konfiguriert und abgespielt werden können. Diese und andere Varianten, wie Aussetzer, lassen sich programmieren, damit die gewünschten Sequenzen zur Prüfung und Analyse ablaufen.
Beispiel für softwaregesteuerte Kurvenformen, die mit der Serie AFV-P von Preen passend zu den Normen konfiguriert und abgespielt werden können. Diese und andere Varianten, wie Aussetzer, lassen sich programmieren, damit die gewünschten Sequenzen zur Prüfung und Analyse ablaufen.
(Bild: LXinstruments)

Moderne Stromversorgungen trennen das tatsächliche Versorgungsnetz und ihren Ausgang. Damit ermöglichen sie eine stabile, saubere Ausgangsspannung und Frequenz, die weitestgehend vor Netzfehlern geschützt ist. Netzseitig auftretende Störgrößen, wie Spannungseinbrüche- oder Frequenzschwankungen, sowie das Verhalten auf der Ausgangsseite, müssen aufgezeichnet werden können. Schlussendlich muss es Entwicklern und Laboren ermöglicht werden, Geräte sowohl unter optimalen als auch unter genau festgelegten und wiederholbaren Fehlerzuständen zu betreiben, um die Auswirkungen der Fehler auf das Gerät wiederholbar zu untersuchen. Zum Untersuchen und Verifizieren solcher Tests hat die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) eine Reihe von Standards zur Prüfung der Störfestigkeit veröffentlicht. Die in den Normen aufgeführten Störsignalformen können durch programmierbare Stromversorgungen individuell angepasst und ausgeführt werden. Einige Beispiele wichtiger Normen im Überblick:

Ursachen für eine schlechte Qualität der Netzversorgung

Die IEC 61000-4-11 ist die Norm „Prüfungen der Störfestigkeit gegen Spannungseinbrüche, Kurzzeitunterbrechungen und Spannungsschwankungen“. Die aufgeführten Störungen gelten als die häufigsten Ursachen für eine schlechte Netzversorgungsqualität. Die IEC 61000-4-14 „Prüfung der Störfestigkeit von Geräten und Einrichtungen mit einem Eingangsstrom bis einschließlich 16 A je Leiter gegen Spannungsschwankungen“ zielt darauf ab, die Auswirkungen von Störungen in der Netzversorgungsspannung zu erkennen. Zufällig variierende schwere Lasten in Industrieumgebungen wie Lichtbogenöfen, Walzwerke oder große Motoren mit wechselnden Lasten verursachen häufig Spannungsschwankungen im Netz.

Ein häufiges Symptom ist transientes Flimmern in einer Beleuchtungsanlage. Die IEC 61000-4-28 „Prüfung der Störfestigkeit gegen Schwankungen der energietechnischen Frequenz (Netzfrequenz)“. Sie beschreibt grundlegende Tests, die zur Erfüllung von generischen Standards beitragen sollen. Da die Frequenz von Wechselstromquellen in der Regel 50 Hz bis 60 Hz beträgt, sind ihre Auswirkungen auf Geräte relativ einfach zu berechnen. Die Probleme, die sie verursachen können, sollten jedoch nicht unterschätzt werden. Eine weitere wichtige Norm, die von einer programmierbaren Stromversorgung abgedeckt werden sollte, ist die „Norm für elektrische Eigenschaften von Fluggeräten, MIL-STD-704 Revision F“. Obwohl es sich um eine amerikanische Militärnorm handelt, wurde MIL-STD-704 von einer Reihe von Ländern übernommen.

Moderne programmierbare Stromversorgungen, wie vom Hersteller Preen, eignen sich zum Prüfen der genannten Normen, indem sie als Stromversorgungen für die zu prüfenden Geräte eingesetzt werden.

Saubere Verbraucher und Netze bekommen

Programmierbare Stromversorgung: Für die Entwicklung und Vorzertifizierung greifen Ingenieure auf eine programmierbare Stromquelle zurück.
Programmierbare Stromversorgung: Für die Entwicklung und Vorzertifizierung greifen Ingenieure auf eine programmierbare Stromquelle zurück.
(Bild: LXinstruments)

Durch den Einsatz von Leistungshalbleitern werden Transformatoren eliminiert. Oft werden dazu Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) eingesetzt. Die IGBTs wandeln den Wechselstrom zunächst in Gleichstrom um, der den sogenannten Zwischenkreis speist. Aus diesem Zwischenkreis wird dann wieder Wechselstrom erzeugt. Diese Methode ermöglicht einen individuell einstellbaren AC-Ausgang, der die benötigte Spannung und Frequenz entsprechend generieren kann – frei von Störungen, die durch das Netz eingeschleppt werden. Die Preen-AFC-Serien bauen mit einer Vielzahl von Produktreihen auf der beschriebenen Leistungshalbleiterarchitektur auf und sind daher bestens für Normenprüfungen ge­eignet, egal ob sie in der Entwicklung zur Vorprüfung oder im jeweiligen Prüflabor eingesetzt werden. Darüber hinaus wird die AFC-Serie in der Produktion sowie Forschung und Entwicklung branchenübergreifend von Haushaltsgeräten, allgemeiner und Indus­trie-Elektronik, medizinischen Geräten und der Beleuchtungstechnik eingesetzt. Die Baureihe AFV+ ist eine programmierbare AC-Stromquelle mit hoher Leistung, die Energie mit THD ±0,5 Prozent und bis zu 2.000 kVA liefert.

Sie eignet sich, um Spannungs- und Frequenzbedingungen verschiedener Länder und Regionen zu simulieren und verfügt über programmierbare Funktionen die einzelne oder kontinuierliche Ausgangsänderungen einfach simulieren können. Mit diesen und weiteren optionalen Funktionen eignet sie sich für die Designverifizierung in der Forschung und Entwicklung, für die Qualitätssicherung und für Produktions­kontrollen. Verglichen mit konventionellen Stromversorgungen punkten die modernen Stromversorgungen ganz klar durch die Flexibilität, den hohen Wirkungsgrad und die dadurch geringen Wärmeverluste. Damit entfallen sowohl Wartungskosten als auch die früher notwendige Kühlung, was in der Summe zu höherer Wirtschaftlichkeit führt.

Eine galvanische Trennung wird durch integrierte Transformatoren erreicht. Allerdings mit den folgenden Vor- und Nachteile: Eine ohne Ausgangstransformator konzipierte programmierbare Stromversorgung bietet durch die höhere Dynamik einen breiteren Frequenzbereich und mehr Funktionen für die Prüfung von Netzstörungen (Transientenprüfung, Oberschwingungsanalyse oder DC-Offset-Prüfung). Fehlt die galvanische Trennung am Ausgang, beschädigt das die Geräte, wenn es zu einer Fehlfunktion am Prüfgerät kommt oder wenn Rückstrom in die Spannungsversorgungen zurückfließt. Designs mit einem integrierten Transformator sind robuster bezüglich induktiver Last. Der größte Vorteil einer programmierbaren Stromversorgung liegt jedoch in ihrer Programmierbarkeit.

Einrichten einer programmierbaren Stromversorgung

Eine programmierbare Stromversorgung lässt sich anhand der beschriebenen IEC-Prüfnormen einrichten. Danach lässt sich die programmierbare Stromversorgung zum Entwickeln von elektrischen und elektronischen Geräten verwenden, deren Messdaten aufzeichnen und diagnostizieren. Außerdem kann der Entwickler sie zur Zertifizierung oder Fehleranalyse verwenden. Das zu prüfende Gerät muss im Feld zuverlässig und fehlerfrei arbeiten. Um das zu erreichen, muss die programmierbare Stromversorgung selbst IEC-konform zertifiziert sein und Anwender sollten Einstellungen gemäß den IEC-Normen vornehmen können.

Dazu unterstützt die Baureihe AFV+ Anwendungen, bei denen eine galvanische Trennung notwendig ist. Die Baureihe simuliert Spannungs- und Frequenzbedingungen verschiedener Länder und Regionen und deckt Anwendungen für Haushaltsgeräte, Motoren, medizinische Geräte, Beleuchtung und EMV-Labore ab. Zu wichtigen Funktionsmerkmalen einer programmierbaren Stromversorgung gehören die programmierbaren Funktionen STEP und RAMP, um einzelne oder kontinuierliche Ausgangsänderungen zu simulieren.

Eine flexible und komfortable Steuerung, die verschiedenste Arten von Netzstörungen und Aussetzern simulieren kann, wird erreicht:

  • Indem alle drei Phasen sich unabhängig einstellen lassen,
  • lastabhängige Spannungsabfälle der Anschlussleitungen durch sogenanntes Sensing kompensiert werden und
  • der Phasenwinkel eingestellt wird.

Die Baureihe AFV+ verfügt über die standardmäßigen Schnittstellen RS-232, RS-485 und RS-422 sowie eine Ethernet-Schnittstelle, um sie aus der Ferne einzurichten, zu programmieren und zu steuern. Die einstellbare Ausgangsspannung der Stromversorgung reicht von 5 bis 520 VL-L und Frequenzen von 45 bis 500 Hz.

* Christian Korreng ist Vertriebsleiter bei LXinstruments in Nufringen.

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