Zuverlässige Aufrechterhaltung der Stromversorgung für Sicherheits- und Kommunikationssysteme

Wohn-, Geschäfts- und Industriekomplexe, die automatisiert werden, müssen ein breites Spektrum an Sicherheits- und Notfallkommunikationssystemen enthalten, um den Versicherungsanforderungen und den örtlichen Bauvorschriften zu genügen und um eine Baugenehmigung zu erhalten. Ein gemeinsamer Faktor dieser Systeme ist, dass sie alle eine Wechselstromversorgung benötigen, um Gleichstrom mit niedrigerer Spannung zu erzeugen, und dass sie alle eine äußerst zuverlässige Batterie-Backup-Lösung benötigen.

Die Bereitstellung einer einfachen AC/DC-Stromversorgung und eines Backup-Systems ist jedoch für moderne Gebäude und Standards nicht ausreichend. Ein umfassendes, normgerechtes System benötigt verschiedene eindeutige Alarmmeldungen, die über Schalterschließungen bereitgestellt werden, um bestimmte interne und externe Fehlerzustände zu signalisieren. Darüber hinaus müssen die Systeme in modernen intelligenten Gebäuden verschiedene Arten der Konnektivität sowie Flexibilität bei der Montage und den Betriebsmodi unterstützen, wenn sie den Anforderungen verschiedener Installationen, Batterietypen und anderer Variablen gerecht werden sollen.

Es ist möglich, die für die AC/DC- oder DC/DC-Stromversorgung, das Aufladen und die Verwaltung der Akkus sowie die Systemüberwachung, das Management und die Alarmsteuerung erforderlichen Komponenten aus verschiedenen Teilsystemen zusammenzustellen. Das Ergebnis kann ein für die Anwendung vollständig optimiertes Design sein. Aber zu welchem Preis? Es ist zeitaufwändig, kostspielig und lenkt von der eigentlichen Aufgabe ab. Der Entwurf muss außerdem von den zuständigen Aufsichtsbehörden zertifiziert werden, was die Kosten und die Entwicklungszeit erhöht.

Eine Alternative ist die Verwendung eines integrierten Komplettnetzteils, das die wichtigsten Leistungsanforderungen erfüllt und gleichzeitig die Nachteile einer Neuentwicklung vermeidet.

In diesem Artikel werden die Anforderungen an Energiesysteme für die Gebäudeautomation erörtert, bevor integrierte Stromversorgungslösungen von MEAN WELL vorgestellt werden. Der Artikel befasst sich mit den Merkmalen und der Anwendung dieser hochentwickelten, intelligenten Leistungssubsysteme und zeigt, wie sie eine nahtlose Funktionsintegration sowie Flexibilität und Programmierbarkeit der Parameter bieten.

Neue Anforderungen an Gebäudemanagement- und Sicherheitsstromsysteme

Vom Stromversorgungssystem eines Büros oder eines großen Wohngebäudes wird heute erwartet, dass es viele Funktionen unterstützt, von denen einige für einen effizienten Betrieb erforderlich sind und andere aus Sicherheitsgründen vorgeschrieben sind. Zu den Funktionen, die eine Stromschienenunterstützung erfordern, gehören:

• Feuermelder und Brandschutzsysteme
• Ausrüstung für die Notfallkommunikation
• Notbeleuchtung (aufgrund eines Brandes oder eines anderen Stromausfalls)
• Zugangskontrollsysteme für Gebäude
• Zentrale Brandmelde- und Sicherheitsüberwachungsanlage

Je nach Größe des Gebäudes muss das Stromversorgungs-Subsystem kritische Funktionen über mehrere Stockwerke hinweg unterstützen und bidirektional sein, wobei die primäre Wechselstromleitung (oder Gleichstromleitung) den Akku auflädt, wenn diese Option verfügbar ist, und der Akku die verschiedenen Lasten und Subsysteme unterstützt, wenn die primäre Leitung nicht verfügbar ist (Abbildung 1).

Abbildung 1: In vielen Anlagen muss ein Stromversorgungs-Subsystem den Bedarf mehrerer Stockwerke decken und gleichzeitig einen Akku aufladen und entladen, wenn die primäre Stromversorgung ausfällt. (Bildquelle: MEAN WELL)

Ein wichtiger Aspekt ist das Laden und Verwalten des Backup-Akkus, der für seine kritische Rolle als unterbrechungsfreies Stromversorgungssystem (USV) ordnungsgemäß überwacht werden muss. Hier gibt es keine einheitliche beste Vorgehensweise, da Akkus mit unterschiedlichen elektrischen Kapazitäten und Typen weit verbreitet sind, darunter Lithium- und Bleisäurebatterien, die jeweils ihre eigenen Lade-/Entladerichtlinien haben.

Darüber hinaus gibt es viele Normen und Bauvorschriften, die zusätzlich zu den herkömmlichen für jede AC/DC- oder DC/DC-Versorgung erfüllt werden müssen. Aufgrund der Zunahme fortschrittlicher Gebäudearchitekturen und der Erkenntnis, was die Technologie in intelligenten Gebäuden leisten kann, haben Behörden in Europa, den USA und China Sicherheitsvorschriften für Sicherheits- und Brandschutzsysteme erlassen, unter anderem:

• Europäisches Komitee für Normung (CEN) EN 54-4: Feuermelde- und Feueralarmsysteme - Teil 4: Stromversorgungseinrichtungen (Britische Norm. BS EN. 54-4).
• Vereinigte Staaten: UL2524: ANSI/CAN/UL-Norm für gebäudeinterne 2-Wege-Notfunk-Kommunikationsverstärkungssysteme.
• Vereinigte Staaten: National Fire Protection Association NFPA 1221: Standard für die Installation, Wartung und Nutzung von Kommunikationssystemen für Notdienste.
• China: GB 17945-2010: Brandnotbeleuchtung und Evakuierungsanzeigesystem.

Hinzu kommen die üblichen grundlegenden Sicherheitsvorschriften für Wechselstrom sowie Normen für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) (leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen, Oberschwingungsströme und Spannungsflicker) gemäß EN55032 (CISPR32) und N61000-3-2 sowie für EMV-Immunität (elektrostatische Entladung (ESD), abgestrahlte Emissionen, EFT-Bursts, Überspannungen, leitungsgebundene Störungen und Magnetfelder) gemäß EN61000-4.

All diese Anforderungen zusammengenommen bedeuten, dass eine Stromversorgungseinheit (PSU) mehr ist als nur eine einfache AC/DC- oder DC/DC-Versorgung. Sie muss mehrere Funktionen mit einem hohen Maß an Zuverlässigkeit und Leistung bereitstellen, überwachen, verwalten und unterstützen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ein modernes Netzteil hat zwei Hauptaufgaben: Es versorgt verschiedene Verbraucher mit Gleichstrom niedriger Spannung und bietet gleichzeitig ein leistungsstarkes Akkumanagement. (Bildquelle: MEAN WELL)

Verpackung und Montage sind ebenfalls wichtig

Physikalische Größe, Betriebstemperaturbereich, Kühlung und Montage sind ebenfalls wichtige Faktoren für ein Netzteil. Diese Geräte sind in der Regel in einem Abstellraum untergebracht, in dem oft nur wenig Platz und Kühlung vorhanden ist. Neben dem Netzteil und dem Akku können in diesem Schrank auch Daten- und Telekommunikationsgeräte für das Gebäude, wie Switches und Router, untergebracht werden, so dass der Platz knapp ist und die bequeme Rackmontage ein attraktives Merkmal darstellt.

Integrierte Stromversorgungen erfüllen die Anforderungen an das Energiemanagement von Gebäuden

MEAN WELL bietet das DRS-240-12, ein 12V/20A-Komplettgerät für 240 Watt, sowie ein größeres Modell, das DRS-480-24, ein 24V/20A-Gerät für 480 Watt, an, um die Anforderungen von Gebäudeautomationsdesignern hinsichtlich Leistung, Formfaktor, Montage und Designvereinfachung zu erfüllen. Andere Geräte der Serie DRS-240 bieten verschiedene Spannungs-/Stromkombinationen: 24 Volt/10 A, 36 Volt/6,6 A und 48 Volt/5 A; für die Serie DRS-480 sind die Kombinationen 36 Volt/13,3 A und 48 Volt/10 A verfügbar.

Die Geräte DRS-240 und DRS-480 lassen sich direkt auf weit verbreiteten Hutschienen des Typs TS-35/7,5 oder 15 montieren, die dem Industriestandard entsprechen. Dies vereinfacht die Montage und ermöglicht es, dass andere Systeme und deren Gehäuse problemlos daneben montiert werden können. Das Hutschienendesign bedeutet außerdem, dass sich alle Anschlüsse, Indikatoren und Anzeigen an der Vorderseite befinden, ohne dass eine Rückwand oder gar ein seitlicher Zugang erforderlich ist. Dies ist ein Vorteil bei der Planung der Verkabelung, der Installation, der Konfiguration, der Prüfung und der Neuverkabelung, falls erforderlich.

Der verfügbare Platz in diesen Schränken ist knapp bemessen, daher ist ein kompakter PSU-Formfaktor wichtig. Die DRS-240-Geräte sind nur 86 × 125 × 129 Millimeter (Breite × Höhe × Tiefe) groß, während die DRS-480-Geräte 110 × 125 × 151 mm groß sind (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die DRS-Geräte für 240 Watt (links) und 480 Watt (rechts) bieten einen kompakten Formfaktor und werden auf einer Standard-Hutschiene montiert; das 480-Watt-Gerät ist etwas größer. (Bildquelle: MEAN WELL)

Die Umgebungsbedingungen in diesen Schränken stellen ebenfalls eine Herausforderung für die kurz- und langfristige Performance dar. Alle Mitglieder der DRS-Familien sind für den Betrieb bei -30 bis +70 °C und 20 bis 90 % relativer Luftfeuchtigkeit (RH) ohne Kondensation bei freier Luftkonvektion ausgelegt. Die Zuverlässigkeit der DRS-240-Geräte wird mit mindestens 564.700 Stunden gemäß Telcordia SR-332 (Bellcore) und mindestens 73.300 Stunden gemäß MIL-HDBK-217F (bei 25 °C) angegeben; die entsprechenden Zahlen für die DRS-480-Geräte liegen nur geringfügig darunter.

Netzstromeingang führt zu DC- und Akkumanagement-Ausgang

In Anbetracht der Schwankungen des Netzes und des Wunsches nach weltweiter Anwendbarkeit und einfacher Installation ist auch der Eingangsleistungsbereich wichtig. Diese Netzteile sind für 90 bis 305 Volt AC und 127 bis 431 Volt DC spezifiziert. Viele der Funktionen in diesen Geräten sind für das Laden, Entladen, die Statusanzeige und die allgemeine Verwaltung des Akkus vorgesehen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das Blockdiagramm der DRS-Netzteile zeigt ihre interne Komplexität und die Menge an Schaltkreisen, die für das Akkumanagement, das Laden/Entladen, die Anzeigen und den Schutz zuständig sind. (Bildquelle: MEAN WELL)

Die zweistufige/dreistufige Ladekurve und die Einstellung des Ladestroms (zwischen 20% bis 100%) können manuell über einen DIP-Schalter an der Vorderseite eingestellt werden. Der maximal verfügbare Akkuladestrom ist eine Funktion des maximal verfügbaren Ausgangsstroms des jeweiligen DRS-Modells. Der Akkuladealgorithmus ist lastabhängig und die Flexibilität der Ladeparameter ermöglicht es dem DRS-240/480, eine Vielzahl von Blei- und Lithiumakkus optimal zu verwalten.

Aufgrund der Bedeutung der Akkufunktion verfügt das System auch über Anzeigen für einen niedrigen Akkuladezustand und einen Schutz gegen Verpolung. Diese und andere Merkmale sorgen für ein robustes, zuverlässiges Akku-Subsystem, das über das Stromnetz aufgeladen werden kann, aber auch innerhalb von 10 Millisekunden umschalten und seine Nennleistung abgeben kann, wenn das Hauptstromnetz nicht verfügbar ist.

Fehler und Probleme werden auftreten

Es ist unvermeidlich, dass es interne oder externe Bedingungen gibt, die die Fähigkeit eines Netzteils, alle spezifizierten Funktionen zu erfüllen, beeinträchtigen. Aus diesem Grund enthalten die DRS-Geräte neben den bereits erwähnten Anzeigen für niedrige Akkuladung und verpolte Anschlüsse auch Statusanzeigen für Zustände wie Kurzschluss, Überlast, Überspannung und Übertemperatur.

Wichtig sind auch die greifbaren Statusanzeigen der wichtigsten Betriebszustände AC Fail, DC OK, Battery Low und Charger Fail, die durch LEDs und Form-C-Relais bereitgestellt werden (Abbildung 5). Die Form-C-Relais sind deutlich gekennzeichnet und bieten einen „trockenen“ Kontaktschluss, der aus mehreren Gründen verwendet wird (und in einigen Fällen vorgeschrieben ist).

Abbildung 5: Auf der Vorderseite sieht der Benutzer nur die Stromanschlüsse, Anzeigen und Relaiskontakte. (Bildquelle: MEAN WELL)

Diese Kontaktverschlüsse sind eindeutig und bieten mehrere Vorteile. Sie werden seit langem eingesetzt und sind daher sowohl mit alten als auch mit neuen Systemen und Komponenten kompatibel und leicht zu integrieren (sogar mit grundlegenden Komponenten wie einer externen Blinkleuchte und Glocke); sie sind äußerst zuverlässig und robust; und das Schließen eines Schalters ist die definitivste Anzeige, die ein System liefern kann, insbesondere wenn es Probleme gibt, die den Betrieb von Schnittstellen beeinträchtigen können, die eher „elektronischer Natur“ sind, wie z. B. Open-Collector-Ausgänge oder sogar Halbleiterrelais (SSRs).

Kommunikation ist ebenfalls obligatorisch

Ein modernes PSU muss auch eine Netzwerkanbindung für die Verwaltung, Einrichtung und Berichterstattung auf hohem Niveau bieten. Die Standard-Netzteile der DRS-Familie unterstützen Modbus-Verbindungen, mit einer CAN-Bus-Option, die auch mit einer verfügbaren intelligenten Programmiereinheit verwendet werden kann. Dieses Programmiergerät wird für die externe Einstellung von Parametern verwendet, die mit den Ladekurven und -modi des Akkus verknüpft sind, wie z. B. Konstantstrom (CC), Kegelstrom (TC), Konstantspannung (CV) und Erhaltungsspannung (FV), um die vielen verschiedenen Akkutypen, die in der Industrie verwendet werden, zu berücksichtigen (Abbildung 6).

Abbildung 6: Mithilfe des Modbus-basierten Programmiergeräts kann der Benutzer die zahlreichen Akkuladespezifikationen so einstellen, dass sie optimal auf die Akkugröße und den Akkutyp abgestimmt sind. (Bildquelle: MEAN WELL)

Obwohl die Netzteile der DRS-Familie viele Funktionen und Merkmale bieten, ist ihr Anschluss eigentlich recht einfach. Dies ist ein wichtiger Vorteil und in der Praxis zu bevorzugen, zumal diese Geräte oft über viele Jahre im Einsatz sind (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die interne Komplexität und Raffinesse der DRS-Netzgerätefamilien ist für den Benutzer, der sich nur mit einigen wenigen Anschlüssen und Anzeigen auf der Vorderseite befassen muss, unsichtbar. (Bildquelle: MEAN WELL)

Fazit

Netzteile wie die der Familien DRS 240 und DRS 480 von MEAN WELL bieten mehr als eine einfache AC/DC- oder DC/DC-Wandlung. Sie sind eine zugelassene Stromversorgungslösung für Brandschutz- und Gebäudesicherheitssysteme, einschließlich Notkommunikationseinrichtungen. Wie gezeigt, vereinfachen die DRS-Geräte durch die Integration aller erforderlichen Funktionen in ein kleines, effizientes, zuverlässiges, leicht zu montierendes und anzuschließendes Hutschienengehäuse die Dokumentation, die Installation und den Betrieb und bieten gleichzeitig die Funktionalität, die Merkmale und die Leistung, die erforderlich sind, um eine Reihe von Vorschriften zu erfüllen.

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