Sicher versorgt – auch unter Extrembedingungen

Funktionale Sicherheit ist zu einem Schlüsselbegriff für industrielle Prozesse geworden. Denn Produktionsausfälle kommen Unternehmen nicht nur teuer zu stehen, sie stellen auch ein hohes Gefährdungspotenzial für Mensch und Umwelt dar, wenn beispielsweise bei einer Störung schädliche Gase austreten.

Sicherheitsgerichtete Systeme (SIS) sollen die Risiken für einen Ausfall minimieren und im Falle einer Störung die Anlagensicherheit gewährleisten. Ihre Strukturen ähneln denen konventioneller Automationssysteme – die Anforderung an die Ausfallsicherheit ist jedoch ungleich höher. Für ihren kontinuierlichen Betrieb sind daher zuverlässige Komponenten gefordert. Ein neuralgischer Punkt ist dabei die Stromversorgung.

Software takes the lead

Virtuelle Steuerungen revolutionieren regelrecht die Welt der Automatisierung: Software übernimmt die Führung, Hardware wird zur Nebensache. Weniger Verdrahtung, mehr Flexibilität – und sogar SIL3-Sicherheit sind jetzt softwarebasiert möglich.

Das in Bremen ansässige Unternehmen Eplax entwickelt, produziert und vertreibt solche technisch anspruchsvollen Produkte zur Stromversorgung. Einen Schwerpunkt stellen dabei DC/DC-Wandler und kundenspezifische Netzteile dar. „Wir stimmen unsere Entwicklungen präzise auf den jeweiligen Bedarf ab“, erklärt Niklas Lüdemann, bei Eplax zuständig für das Supply Chain Management. „Unsere Netzteile können unsere Kunden von anderen Zulieferern so nicht beziehen.“

Anwendungsspezifische Netzteile als Problemlöser

Für das SIS eines namhaften Herstellers entwickelte Eplax ein Schaltnetzteil, das besonderen Anforderungen gerecht werden sollte. Das zu versorgende SIS ist für SIL 3 zertifiziert, das heißt, es dient der Absicherung der dritthöchsten Risikostufe von insgesamt vier Levels. Dreh- und Angelpunkt des Konzepts war daher die Ausfallsicherheit. „Wir entwickelten ein Netzteil mit einer n+1 redundanten Betriebsmöglichkeit“, so Lüdermann. Fällt eine Einheit aus, können also die verbleibenden Einheiten die Last vollständig übernehmen. Weitere Sicherungsmerkmale des Netzteils sind ein zweifach eingebauter Überspannungsschutz, der den Anforderungen an die funktionale Sicherheit gemäß der Norm IEC 61508 entspricht, sowie ein Schutz gegen Dauerüberlast und Kurzschluss. Eine Strombegrenzungsfunktion regelt die maximale Ausgangsleistung auf 1.200 W ab. Fällt die Spannung auf unter 22 V, setzt das Netzteil einen Alarm ab.

Eine zusätzliche Herausforderung stellte der vorgesehene Einsatzbereich des Netzteils dar. „Die hohe Ausfallsicherheit sollten wir gemäß Kundenvorgabe für einen Betrieb unter rauen Umgebungsbedingungen ermög­lichen, wie sie zum Beispiel auf einer Ölförderplattform herrschen“, ergänzt Lüdermann. Extrem niedrige oder hohe Umgebungstemperaturen sowie ständige Vibrationen sollten also keinen Einfluss auf den zuverlässigen Betrieb haben können. „Das Gerät ist geeignet für Umgebungstemperaturen von bis zu 70 °C und zudem nach IEC Ex für den Betrieb in zeitweise explosiven Umgebungen zugelassen.“

Kühlkörper sichern den Langzeitbetrieb

Ein auf die Betriebstemperaturen abgestimmtes Thermomanagement schützt das Netzteil nicht nur vor Ausfällen durch Überhitzung. Es sorgt auch für dessen Zuverlässigkeit im 24/7-Betrieb. Eplax arbeitet im Bereich Kühllösungen seit 2001 mit CTX zusammen. „In der Elektronik gilt die Regel, dass jede Erwärmung um 10 Kelvin die Lebensdauer eines Bauteils halbiert“, erläutert Thomas Windeck, Vertriebsleiter des Kühlkörperherstellers aus Nettetal. „Für die Sicherheit eines Systems ist es also unabdingbar, entstehende Verlustleistungen mit einer bedarfsgerechten Kühllösung effizient abzuleiten.“ Die wichtigsten Kriterien für die Wahl eines geeigneten Kühlkörpers sind dabei dessen Material, das Herstellverfahren und eine passende Kühlkörpergeometrie.

Für das Netzteil steuerte CTX Clip-Kühlkörper bei. Sie verfügen über eine Rippenstruktur mit einer großen Gesamtoberfläche, wodurch sie auf engem Bauraum ein hohes Maß an Wärmeableitung leisten können. In den Netzteilen, die 420,5 × 140 × 90 mm messen, sind jeweils drei kompakte Kühlkörper verbaut. In Summe transportieren sie eine Verlustleistung von bis zu 50 W ab. Die Kühlkörper für Eplax werden im Extru­sionsverfahren gefertigt. Dabei wird zähflüssiges Aluminium durch eine Matrize gepresst, wodurch die Ausgestaltung des Kühlkörpers und damit seine Kühlleistung bestimmt werden. „Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in seiner Individualität und gleichzeitigen Möglichkeit zur Serienfertigung“, so Windeck. „Eine Matrize lässt sich individuell erstellen, womit auch komplexe Kühlkörpergeometrien machbar werden. Ist eine Matrize erst mal gefertigt, können wir damit beliebig viele Kühlkörper produzieren.“ Das senkt die Produktions- und Stückkosten. Als einfach per Clip aufzusteckende Lösung ist der Kühlkörper zusätzlich geeignet für die Serienfertigung.

Eplax schätzt die Variabilität seines Partners CTX – ebenso die technische Expertise, die hohe Qualität der Bauteile und den reibungslosen Austausch, der schnell zum Ergebnis führt, wie Niklas Lüdermann ausführt.

Passgenau für die Serienfertigung konzipiert

Passgenaue aktive und passive Kühllösungen für die Leistungselektronik in verschiedenen Branchen sind das Schwerpunktthema von CTX. Speziell für die Stromversorgung entwickelt, fertigt das Unternehmen Kühlkörper unter anderem für Schaltnetzteile, Wechselrichter und Wandler. Neben Profilkühlkörpern bietet es für diesen Bereich auch Flüssigkeitskühlkörper und Kombinationen mit Lüftern an. Zusätzlich kann CTX auf alle Herstellungsverfahren zurückgreifen, mit denen sich eine Vielzahl von Kühlkörperarten fertigen lassen. Neben dem Extrusionsverfahren sind dies der Druckguss, das Skived-Fin-Verfahren, die Stanzbiegetechnik sowie verschiedene Verbindungstechniken. Das Unternehmen kann so jeden Kühlkörper als Standardversion oder auch in einer projektspezifischen Ausführung herstellen.

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Bernhard Richter

FAQ: Ausfallsichere Stromversorgung für SIS

1. Was sind sicherheitsgerichtete Systeme (SIS)? 
Sicherheitsgerichtete Systeme, kurz SIS, dienen dazu, industrielle Anlagen im Störfall abzusichern. Sie sollen Risiken für Mensch, Umwelt und Produktion minimieren, etwa wenn gefährliche Stoffe austreten könnten oder ein Produktionsausfall droht.

2. Warum ist die Stromversorgung bei SIS besonders kritisch? 
Die Stromversorgung ist ein zentraler Punkt für die Ausfallsicherheit. Fällt sie aus, kann auch das Sicherheitssystem seine Schutzfunktion verlieren. Deshalb müssen Netzteile für SIS besonders zuverlässig, robust und auf Dauerbetrieb ausgelegt sein.

3. Welche Lösung hat Eplax für das SIL-3-zertifizierte SIS entwickelt? 
Eplax entwickelte ein Schaltnetzteil mit n+1 redundanter Betriebsmöglichkeit. Das bedeutet: Fällt eine Einheit aus, übernehmen die verbleibenden Einheiten die Last vollständig. Zusätzlich verfügt das Netzteil über Überspannungsschutz, Schutz gegen Dauerüberlast und Kurzschluss sowie eine Alarmfunktion bei Spannungsabfall.

4. Welche Rolle spielt CTX beim Thermomanagement des Netzteils? 
CTX liefert die passenden Clip-Kühlkörper für das Netzteil. Diese leiten entstehende Verlustwärme effizient ab und tragen damit dazu bei, Überhitzung zu vermeiden und die Lebensdauer der elektronischen Komponenten zu erhöhen.

5. Für welche Einsatzbedingungen ist das Netzteil ausgelegt? 
Das Netzteil ist für raue Umgebungsbedingungen konzipiert, etwa auf Ölförderplattformen. Es eignet sich für Umgebungstemperaturen bis 70 °C, hält Vibrationen stand und ist nach IEC Ex für den Betrieb in zeitweise explosionsgefährdeten Umgebungen zugelassen.