Netzteil-Derating im Schaltschrank: Temperaturreserve richtig planen

→ Produktkategorie: Messgeräte für den Schaltschrankbau

 

Ein Schaltnetzteil kann im klimatisierten Prüfraum problemlos seine Nennleistung liefern und im geschlossenen Schaltschrank bei sommerlichen Temperaturen trotzdem an seine thermische Leistungsgrenze geraten.

Ein typisches 24-V-Netzteil ist beispielsweise mit:

24 V / 10 A = 240 W

angegeben.

Diese Nennleistung gilt jedoch nicht automatisch bei jeder Umgebungstemperatur, Einbaulage und Einbausituation. Viele Industrienetzteile dürfen oberhalb einer bestimmten Temperatur nur noch mit einem reduzierten Anteil ihrer Nennleistung betrieben werden.

Genau hier setzt das sogenannte:

Derating

an.

Steigt die Temperatur am Netzteil über den für Volllast vorgesehenen Bereich, sinkt die zulässige Dauerlast entsprechend der vom Hersteller angegebenen Derating-Kurve. Wird diese Einschränkung bei der Schaltschrankplanung ignoriert, kann ein nominell ausreichend dimensioniertes Netzteil im realen Betrieb thermisch überlastet werden.

Für eine zuverlässige 24-V-Versorgung muss deshalb nicht nur die benötigte Ausgangsleistung berechnet werden. Entscheidend sind ebenso die tatsächliche Umgebungstemperatur direkt am Netzteil, die vorgeschriebene Einbaulage, freie Konvektionsflächen, Abstände zu benachbarten Wärmequellen und die Verlustleistung des gesamten Schaltschranks.

Passende Geräte aus dem ICS-Portfolio sind beispielsweise die IDR-Serie – AC/DC-Netzteile für DIN-Schienenmontage sowie die leistungsstärkere ISDR-Serie. Die zugehörigen technischen Daten enthalten ausdrücklich temperaturabhängige Derating-Kurven, die bei der Auslegung berücksichtigt werden müssen.

Weitere Lösungen finden Sie unter Stromversorgung bei ICS Schneider und unter Messgeräte für den Schaltschrankbau.

Was bedeutet Derating bei einem Netzteil?

Derating bedeutet, dass ein elektrisches Gerät unter bestimmten Betriebsbedingungen nicht mehr mit seiner vollständigen Nennleistung betrieben werden darf.

Bei einem Schaltnetzteil betrifft dies häufig:

• hohe Umgebungstemperaturen,
• ungeeignete Einbaulagen,
• unzureichende Konvektion,
• geringe Eingangsspannungen,
• große Höhen über Meeresspiegel,
• bestimmte Kombinationen dieser Bedingungen.

Beispiel

Ein Netzteil ist mit:

24 V / 2,5 A

beziehungsweise:

60 W

angegeben.

Die Derating-Kurve erlaubt bei der tatsächlich vorhandenen Umgebungstemperatur jedoch nur noch:

80 % Last

Dann beträgt die zulässige Dauerleistung nur noch:

60 W × 0,80 = 48 W

und entsprechend:

48 W / 24 V = 2,0 A

Das Gerät ist unter diesen Bedingungen also kein dauerhaft mit 2,5 A belastbares Netzteil mehr.

Warum muss die Leistung bei hoher Temperatur reduziert werden?

Ein Schaltnetzteil arbeitet nicht verlustfrei.

Ein Teil der aufgenommenen elektrischen Leistung wird im Gerät in Wärme umgesetzt.

Wärme entsteht unter anderem in:

• Leistungshalbleitern,
• Transformatoren und Drosseln,
• Gleichrichtern,
• Kondensatoren,
• Leiterbahnen und Anschlüssen.

Je höher die Umgebungstemperatur bereits ist, desto kleiner wird die Temperaturdifferenz zwischen den warmen Bauteilen und ihrer Umgebung.

Damit verschlechtert sich die Möglichkeit, Verlustwärme an die Umgebung abzugeben.

Vereinfacht

Ein Leistungshalbleiter kann beispielsweise intern deutlich wärmer sein als die Umgebung.

Steigt die Lufttemperatur am Netzteil von:

25 °C

auf:

55 °C

steht erheblich weniger thermische Reserve zur Verfügung.

Der Hersteller begrenzt deshalb die zulässige Ausgangsleistung, bevor kritische interne Bauteiltemperaturen erreicht werden.

Derating ist damit kein Sicherheitszuschlag aus Vorsicht, sondern Bestandteil der spezifizierten Betriebsbedingungen des Netzteils.

Welche Umgebungstemperatur ist entscheidend?

Ein besonders häufiger Planungsfehler besteht darin, die Raumtemperatur mit der Umgebungstemperatur des Netzteils gleichzusetzen.

Beispiel

In einer Produktionshalle herrschen:

30 °C

Im geschlossenen Schaltschrank erzeugen jedoch:

• Frequenzumrichter,
• Netzteile,
• Schütze,
• Transformatoren,
• SPS-Komponenten,
• Messumformer

zusätzliche Verlustwärme.

Direkt im oberen Bereich des Schaltschranks können deshalb beispielsweise:

48 °C

oder mehr auftreten.

Für die Derating-Kurve ist grundsätzlich die vom Hersteller definierte Umgebungstemperatur des Gerätes maßgeblich und nicht einfach die Temperatur außerhalb des Schaltschranks.

Besonders kritisch ist der obere Schaltschrankbereich

Warme Luft steigt auf.

Ein Netzteil oberhalb:

• eines Frequenzumrichters,
• eines leistungsstarken DC/DC-Wandlers,
• eines Transformators

kann deshalb einer deutlich höheren Lufttemperatur ausgesetzt sein als ein baugleiches Gerät weiter unten.

Derating-Kurve richtig lesen

Die zulässige Belastung wird häufig als Diagramm dargestellt.

Auf einer Achse steht:

Umgebungstemperatur

und auf der anderen:

zulässige Last in %

Typischer Verlauf

Bis zu einer bestimmten Temperatur darf das Netzteil:

100 %

seiner Nennleistung liefern.

Oberhalb dieses Punktes sinkt die zulässige Belastung.

Beispielsweise:

Umgebungstemperatur	Zulässige Last
40 °C	100 %
45 °C	100 %
50 °C	abhängig von der konkreten Kennlinie
60 °C	deutlich reduziert

Die Werte dürfen nicht pauschal von einem Netzteil auf ein anderes übertragen werden. Entscheidend ist immer die Derating-Kurve des konkret eingesetzten Modells.

Praxisbeispiel mit einem 24-V-Hutschienennetzteil

Bei der 24-V-Ausführung der IDR-60-Serie beträgt die Nennleistung:

60 W

bei einem Nennstrom von:

2,5 A

Das Datenblatt sieht bei vertikaler Montage eine Volllast bis ungefähr:

45 °C

vor.

Danach fällt die zulässige Last entlang der Derating-Kurve ab und erreicht bei:

60 °C

nur noch ungefähr:

60 %

Bei 60 °C stehen damit nicht mehr 60 W zur Verfügung

Sondern ungefähr:

60 W × 0,60 = 36 W

Bei 24 V entspricht das:

36 W / 24 V = 1,5 A

Eine angeschlossene Dauerlast von beispielsweise:

2,2 A

wäre unter diesen Umgebungsbedingungen deshalb zu hoch, obwohl sie unter dem auf dem Typenschild angegebenen Nennstrom von 2,5 A liegt.

Genau deshalb muss die Nennleistung immer gemeinsam mit der Derating-Kurve betrachtet werden.

Warum die Einbaulage wichtig ist

Viele Hutschienennetzteile sind für eine definierte Einbaulage ausgelegt.

Bei natürlicher Konvektionskühlung ist normalerweise vorgesehen, dass die erwärmte Luft:

von unten nach oben

durch beziehungsweise entlang des Gerätes strömen kann.

Wird das Netzteil gedreht eingebaut

können sich die internen Strömungsverhältnisse verändern.

Mögliche Folgen sind:

• schlechtere Wärmeabgabe,
• lokale Wärmestaus,
• höhere Bauteiltemperaturen,
• zusätzlich erforderliches Derating.

Die vom Hersteller angegebene Derating-Kurve gilt deshalb grundsätzlich nur unter den dort definierten Montagebedingungen.

Ein Netzteil darf nicht allein deshalb beliebig liegend oder über Kopf montiert werden, weil es mechanisch auf die Hutschiene passt.

Natürliche Konvektion richtig ermöglichen

Viele industrielle DIN-Schienen-Netzteile werden ohne Lüfter gekühlt.

Die Wärmeabfuhr erfolgt durch:

freie Luftkonvektion

Dafür muss Luft zirkulieren können

Kühle Luft muss das Gerät erreichen können und erwärmte Luft muss nach oben entweichen können.

Problematisch sind daher beispielsweise:

• direkt oberhalb angeordnete Kabelkanäle,
• eng anliegende Geräte,
• Abdeckungen vor Lüftungsschlitzen,
• horizontal vollständig abgeschlossene Baugruppen,
• Wärmestau im Schaltschrankdach.

Freier Bauraum ist Teil der thermischen Auslegung

Ein Schaltschrank kann elektrisch hervorragend aufgebaut sein und thermisch trotzdem problematisch werden, wenn die Komponenten ohne ausreichende Luftwege dicht nebeneinander angeordnet werden.

Abstände zu anderen Geräten berücksichtigen

Bei leistungsstärkeren Hutschienennetzteilen können konkrete Mindest- oder Empfehlungsabstände angegeben sein.

Für Geräte der ISDR-Serie werden beispielsweise bei dauerhafter Volllast folgende Freiräume empfohlen:

• oberhalb: 40 mm,
• unterhalb: 20 mm,
• links und rechts: 5 mm.

Ist das benachbarte Gerät selbst eine Wärmequelle, wird seitlich ein größerer Abstand von:

15 mm

empfohlen.

Warum der obere Abstand besonders relevant ist

Die erwärmte Luft verlässt den Bereich des Netzteils nach oben.

Ein unmittelbar darüber montierter geschlossener Kabelkanal kann diese natürliche Strömung behindern.

Abstand bedeutet nicht verschwendeten Schaltschrankplatz

Der für die Kühlung benötigte Raum gehört funktional zum Gerät.

Bei einer Planung ausschließlich nach:

Breite des Netzteils in mm

wird dieser thermisch notwendige Bauraum leicht vergessen.

Verlustleistung des Netzteils berechnen

Ein Netzteil mit einem Wirkungsgrad unter 100 % gibt Wärme an den Schaltschrank ab.

Vereinfacht lässt sich die Verlustleistung berechnen mit:

PV = Pin − Pout

Ist nur der Wirkungsgrad bekannt:

η = Pout / Pin

dann gilt:

PV = Pout × (1 / η − 1)

Beispiel

Das Netzteil liefert:

Pout = 200 W

bei einem angenommenen Wirkungsgrad von:

η = 92 %

Dann beträgt die aufgenommene Leistung:

200 W / 0,92 ≈ 217,4 W

und die Verlustleistung:

217,4 W − 200 W ≈ 17,4 W

Diese ungefähr 17 W werden im Schaltschrank überwiegend zu Wärme.

Das klingt zunächst wenig

Doch mehrere Komponenten addieren sich.

Beispielsweise:

Komponente	Beispielhafte Verlustleistung
Netzteil	17 W
SPS und I/O	20 W
Frequenzumrichter	60 W
Mess- und Kommunikationsgeräte	15 W
Weitere Komponenten	20 W

Damit entstehen bereits:

132 W Verlustleistung

innerhalb des Gehäuses.

Gesamte Schaltschrankverlustleistung betrachten

Die Temperatur eines Netzteils wird nicht nur durch seine eigene Verlustleistung bestimmt.

Entscheidend ist die thermische Umgebung des gesamten Schaltschrankes.

Zur Wärmebilanz gehören unter anderem

• Netzteile,
• SPS,
• Relais und Schütze,
• Frequenzumrichter,
• Servoregler,
• Transformatoren,
• Bremswiderstände,
• Messgeräte,
• Kommunikationskomponenten.

Die Summe dieser Verlustleistungen muss über:

• Schaltschrankoberfläche,
• natürliche Konvektion,
• Filterlüfter,
• Wärmetauscher,
• Kühlgerät

abgeführt werden.

Außentemperatur ebenfalls berücksichtigen

Ein Schaltschrank, der bei:

20 °C Raumtemperatur

problemlos funktioniert, muss dies nicht auch bei:

35 °C Hallentemperatur

tun.

Für die Auslegung sollte deshalb ein realistischer ungünstigster Betriebszustand betrachtet werden.

Wie viel Leistungsreserve ist sinnvoll?

Eine pauschale Aussage wie:

immer 20 % Reserve vorsehen

ist für eine saubere Auslegung zu einfach.

Die notwendige Reserve hängt unter anderem ab von:

• maximaler Dauerlast,
• Einschaltströmen der Verbraucher,
• kurzzeitigen Spitzenlasten,
• Umgebungstemperatur,
• Derating-Kurve,
• zukünftigen Erweiterungen,
• erforderlicher Verfügbarkeit.

Entscheidend ist die verfügbare Leistung am ungünstigsten Betriebspunkt

Angenommen, die Verbraucher benötigen maximal:

180 W

Das gewählte Netzteil besitzt nominal:

240 W

Bei der vorgesehenen maximalen Temperatur erlaubt die Derating-Kurve jedoch nur:

75 %

Dann beträgt die tatsächlich verfügbare Leistung:

240 W × 0,75 = 180 W

Damit existiert praktisch keine Leistungsreserve mehr.

Ein größeres Netzteil kann erforderlich sein

Nicht weil die Verbraucher bei Raumtemperatur mehr als 240 W benötigen, sondern weil die thermisch zulässige Ausgangsleistung im realen Schaltschrank reduziert wird.

Dauerlast und kurzzeitige Spitzenlast unterscheiden

Einige Industrienetzteile können für kurze Zeit mehr als ihre Nennleistung bereitstellen.

Das ist beispielsweise interessant für:

• Motoranläufe,
• Ventile,
• kapazitive Lasten,
• Steuerungen mit kurzzeitig hoher Leistungsaufnahme.

Spitzenleistung ersetzt jedoch keine ausreichende Dauerleistung

Eine kurzzeitig zulässige Überlast von beispielsweise:

150 % für wenige Sekunden

bedeutet nicht, dass das Netzteil dauerhaft oberhalb seiner Nenn- beziehungsweise temperaturbedingt reduzierten Leistung betrieben werden darf.

Bei bestimmten Geräten der ISDR-Serie ist eine kurzzeitige Peak-Leistung vorgesehen. Dabei bleibt jedoch die zulässige durchschnittliche beziehungsweise kontinuierliche Leistung begrenzt.

Peak-Fähigkeit und thermisches Derating müssen deshalb getrennt betrachtet werden.

Auch die Eingangsspannung kann Derating verursachen

Nicht nur die Temperatur kann die verfügbare Ausgangsleistung beeinflussen.

Bei bestimmten Netzteilen ist auch bei niedriger Eingangsspannung ein Derating erforderlich.

Warum?

Für dieselbe Ausgangsleistung muss bei geringerer Eingangsspannung auf der Eingangsseite ein höherer Strom verarbeitet werden.

Dadurch können die Belastungen unter anderem in:

• Gleichrichter,
• Leistungshalbleitern,
• Eingangsfilter,
• Leiterbahnen

steigen.

Die ISDR-Dokumentation weist deshalb zusätzlich auf eine Ausgangsleistungsreduktion bei niedriger Eingangsspannung hin.

Bei Anwendungen mit stark schwankender Versorgung muss deshalb sowohl die Temperatur- als auch die Eingangsspannungs-Derating-Kurve geprüft werden.

Was passiert bei thermischer Überlastung?

Moderne Netzteile besitzen häufig Schutzfunktionen gegen:

• Überlast,
• Kurzschluss,
• Überspannung,
• Übertemperatur.

Eine Schutzschaltung darf jedoch nicht als normaler Betriebsmodus eingeplant werden.

Ein thermisch überlastetes Netzteil kann beispielsweise

• Ausgangsspannung reduzieren,
• abschalten,
• zyklisch ein- und ausschalten,
• erst nach Abkühlung wieder starten.

Das konkrete Verhalten hängt vom jeweiligen Gerät ab.

Für die Anlage sieht das möglicherweise ganz anders aus

Eine SPS erkennt beispielsweise:

24 V → 19 V → Neustart

und der Bediener vermutet zunächst:

• defekte SPS,
• losen Anschluss,
• Kurzschluss,
• EMV-Störung.

Tatsächlich befindet sich das Netzteil lediglich außerhalb seines zulässigen thermischen Dauerbetriebsbereiches.

Wann Schaltschrankbelüftung erforderlich wird

Reicht die passive Wärmeabgabe des Schaltschranks nicht mehr aus, muss die Verlustwärme gezielt abgeführt werden.

Mögliche Maßnahmen

• größeres Schaltschrankgehäuse,
• bessere Anordnung der Komponenten,
• größere Abstände,
• Filterlüfter,
• Luft/Luft-Wärmetauscher,
• Schaltschrank-Kühlgerät.

Filterlüfter

Sie sind besonders bei einer Umgebung geeignet, deren Lufttemperatur ausreichend unter der gewünschten Schaltschrankinnentemperatur liegt.

Aktive Kühlung

Liegt die Umgebungstemperatur bereits sehr hoch oder muss der Schaltschrank geschlossen beziehungsweise staubgeschützt bleiben, kann ein Kühlgerät erforderlich sein.

Interne Luftzirkulation allein reicht nicht immer

Ein Umluftlüfter verteilt Wärme innerhalb des Schaltschrankes.

Er entfernt die Wärme jedoch nicht automatisch aus dem Gehäuse.

Für die thermische Auslegung ist deshalb entscheidend, wie die Verlustleistung tatsächlich aus dem Schaltschrank an die Umgebung abgegeben wird.

Temperatur im fertigen Schaltschrank überprüfen

Eine berechnete thermische Auslegung sollte bei kritischen Anwendungen im fertigen Schaltschrank überprüft werden.

Interessante Messstellen sind

• Lufteintritt unterhalb des Netzteils,
• direkte Umgebung des Netzteils,
• Bereich oberhalb des Netzteils,
• oberer Schaltschrankbereich,
• Umgebung leistungsstarker Wärmequellen.

Nicht nur im Leerlauf messen

Eine aussagekräftige Prüfung erfolgt möglichst bei:

• typischer beziehungsweise maximaler Anlagenlast,
• geschlossenem Schaltschrank,
• realistischer Umgebungstemperatur,
• ausreichender thermischer Einschwingzeit.

Ein Temperaturwert unmittelbar nach dem Einschalten sagt wenig über den späteren stationären Zustand aus.

Langzeitaufzeichnung kann sinnvoll sein

Bei Anlagen mit wechselnder Belastung lässt sich durch Datenlogging erkennen, ob beispielsweise:

Temperaturspitzen am Nachmittag

mit:

24-V-Ausfällen

zusammenfallen.

Typische Auslegungsfehler

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Netzteil funktioniert im Prüfraum, fällt aber im Schaltschrank aus	höhere Umgebungstemperatur im Schaltschrank	Temperatur direkt am Netzteil messen
Ausfälle nur an heißen Sommertagen	Derating-Grenze wird überschritten	Maximaltemperatur und Derating-Kurve vergleichen
Netzteil schaltet bei hoher Last ab	temperaturbedingt reduzierte Ausgangsleistung	zulässige Last am Betriebspunkt bestimmen
Gerät wird ungewöhnlich heiß	unzureichende Konvektion	Einbaulage und Freiräume prüfen
Netzteil direkt neben Frequenzumrichter	zusätzliche Wärmeeinstrahlung	Abstand vergrößern oder Anordnung ändern
Kabelkanal unmittelbar über dem Netzteil	Warmluft kann schlecht entweichen	Herstellerabstände einhalten
240-W-Netzteil versorgt 220-W-Dauerlast, fällt aber bei 60 °C aus	Nennleistung ohne Derating betrachtet	zulässige Leistung bei 60 °C ermitteln
Ausgangsspannung schwankt bei Netzunterspannung	zusätzliches Eingangsspannungs-Derating	Eingangsspannung und Datenblatt prüfen
Schaltschranklüfter läuft, Temperatur bleibt hoch	unzureichender Luftaustausch oder warme Umgebungsluft	Luftstrom und Wärmeabfuhr prüfen
Netzteil dauerhaft nahe 100 % belastet	keine Reserve für Temperatur oder Erweiterungen	Worst-Case-Leistungsbilanz erstellen
Netzteil quer montiert	abweichende Konvektionsbedingungen	zulässige Einbaulage prüfen

Praxisfall: Netzteil fällt nur im Sommer aus

Eine Maschine arbeitet während des Winters störungsfrei.

Im Sommer treten dagegen sporadisch SPS-Neustarts auf.

Installiertes Netzteil

24 V / 10 A

Gemessene Dauerlast

8,5 A

Auf den ersten Blick besteht damit eine Reserve von:

1,5 A

beziehungsweise:

15 %

Temperaturmessung

Raumtemperatur:

34 °C

Temperatur direkt am Netzteil:

58 °C

Ursache

Das Netzteil darf laut seiner konkreten Derating-Kurve bei dieser Temperatur nicht mehr mit der vollständigen Nennleistung betrieben werden.

Die nominelle Reserve existiert damit unter realen Bedingungen nicht mehr.

Zusätzliche Untersuchung

Direkt unterhalb des Netzteils befindet sich ein Frequenzumrichter.

Unmittelbar oberhalb verläuft ein geschlossener Kabelkanal.

Damit treffen mehrere ungünstige Faktoren zusammen:

• hohe Hallentemperatur,
• zusätzliche Wärmequelle unterhalb,
• eingeschränkte Konvektion oberhalb,
• hohe Dauerlast.

Mögliche Abhilfen

• Netzteil an thermisch günstigere Position versetzen,
• Abstände vergrößern,
• Schaltschrankbelüftung verbessern,
• Netzteil mit größerer thermischer Leistungsreserve einsetzen.

Der Fehler lag damit nicht in einer zu kleinen Nennleistung auf dem Typenschild, sondern in der falschen Bewertung der tatsächlich verfügbaren Leistung bei der realen Umgebungstemperatur.

Empfohlener Auslegungsablauf

1. 24-V-Verbraucher erfassen: Dauerstrom aller Verbraucher bestimmen.
2. Spitzenlasten erfassen: Einschaltströme und zeitweise Zusatzlasten berücksichtigen.
3. Nennleistung berechnen: Spannung und maximalen Dauerstrom zusammenführen.
4. Maximale Umgebungstemperatur bestimmen: Nicht nur die Raumtemperatur verwenden.
5. Position im Schaltschrank berücksichtigen: Wärmequellen und Wärmestau bewerten.
6. Derating-Kurve des Netzteils prüfen: Zulässige Last bei maximaler Temperatur bestimmen.
7. Einbaulage prüfen: Herstellervorgabe einhalten.
8. Freiräume berücksichtigen: Oberhalb, unterhalb und seitlich ausreichend Platz lassen.
9. Benachbarte Wärmequellen berücksichtigen: Gegebenenfalls zusätzlichen Abstand vorsehen.
10. Verlustleistung des Netzteils ermitteln: Wirkungsgrad berücksichtigen.
11. Gesamte Schaltschrankverlustleistung berechnen: Alle relevanten Komponenten einbeziehen.
12. Wärmeabfuhr bewerten: Schaltschrankoberfläche, Lüftung oder Kühlung dimensionieren.
13. Eingangsspannungsbereich prüfen: Zusätzliches Derating bei niedriger Netzspannung beachten.
14. Leistungsreserve überprüfen: Verfügbare Leistung am ungünstigsten Betriebspunkt vergleichen.
15. Spitzenleistung separat prüfen: Peak-Fähigkeit nicht mit Dauerleistung verwechseln.
16. Aufbau praktisch kontrollieren: Luftwege und Kabelkanäle prüfen.
17. Temperatur unter Last messen: Fertigen Schaltschrank thermisch verifizieren.
18. Ergebnisse dokumentieren: Temperaturannahmen, Last und Leistungsreserve festhalten.

Passende Netzteile bei ICS Schneider

IDR-Serie – kompakte DIN-Schienen-Netzteile

Die IDR-Serie umfasst industrielle DIN-Schienen-Netzteile im Leistungsbereich von:

15 … 100 W

mit weitem AC-Eingangsbereich.

Die Geräte sind für Hutschienenmontage ausgelegt und werden durch freie Luftkonvektion gekühlt.

IDR-60 mit 24-V-Ausgang

Die 24-V-Ausführung bietet:

• 24 V DC Ausgangsspannung,
• 2,5 A Nennstrom,
• 60 W Nennleistung,
• freie Luftkonvektion,
• Montage auf TS-35-Hutschiene,
• Kurzschluss-, Überlast- und Überspannungsschutz.

Für das Thema dieses Beitrags besonders relevant ist die im Datenblatt angegebene Derating-Kurve.

Bei vertikaler Montage stehen bis ungefähr 45 °C 100 % Last zur Verfügung. Danach muss die Ausgangsleistung reduziert werden; bei 60 °C liegt die zulässige Last nur noch bei ungefähr 60 %.

ISDR-Serie – höhere Leistungen für den Schaltschrank

Für höhere Leistungsanforderungen steht die ISDR-Serie zur Verfügung.

Die Serie umfasst Geräte mit:

• 88 … 264 VAC Eingang,
• 124 … 370 VDC Eingang,
• Leistungen von 75 bis 960 W,
• DIN-Schienenmontage,
• freier Luftkonvektion bei entsprechenden Ausführungen,
• Überlast-, Überspannungs- und Übertemperaturschutz.

Beispiel ISDR-240-24

Die 24-V-Ausführung bietet:

24 V / 10 A = 240 W

und kann kurzzeitig eine höhere Spitzenleistung bereitstellen.

Der spezifizierte Betriebstemperaturbereich reicht bis:

+70 °C

allerdings nur unter Berücksichtigung der zugehörigen Derating-Kurve.

Für dauerhaften Volllastbetrieb werden außerdem konkrete Freiräume oberhalb, unterhalb und seitlich des Gerätes empfohlen.

Ein maximaler Betriebstemperaturwert von +70 °C bedeutet deshalb ausdrücklich nicht, dass bei +70 °C automatisch die volle Nennleistung zur Verfügung steht.

Weitere Stromversorgungen finden Sie unter Stromversorgung bei ICS Schneider.

Fazit

Bei der Dimensionierung eines Schaltschranknetzteils reicht es nicht aus, den Verbraucherstrom zu addieren und anschließend ein Netzteil mit einem etwas höheren Nennstrom auszuwählen.

Die Nennleistung gilt nur unter definierten Bedingungen

Steigt die Umgebungstemperatur über den Volllastbereich des Gerätes, muss die zulässige Ausgangsleistung entsprechend der Derating-Kurve reduziert werden.

Die Temperatur direkt am Netzteil ist entscheidend

Die Hallen- oder Außentemperatur kann erheblich niedriger sein als die Lufttemperatur innerhalb eines belasteten Schaltschranks.

Die Einbaulage beeinflusst die Kühlung

Bei konvektionsgekühlten Geräten muss die vom Hersteller vorgesehene Luftströmung möglich bleiben.

Abstände gehören zur Geräteauslegung

Kabelkanäle und benachbarte Wärmequellen dürfen die Wärmeabfuhr nicht unnötig behindern.

Leistungsreserve muss nach dem Derating vorhanden sein

Entscheidend ist nicht die nominelle Reserve bei 25 °C, sondern die verbleibende Reserve beim thermisch ungünstigsten realistischen Betriebspunkt.

Die gesamte Schaltschrankverlustleistung zählt

Nicht nur das Netzteil selbst, sondern alle eingebauten Geräte erwärmen den Schaltschrank.

Für die Praxis gilt

Dauerlast bestimmen → Spitzenlasten erfassen → maximale Schaltschranktemperatur festlegen → konkrete Derating-Kurve prüfen → Einbaulage und Freiräume berücksichtigen → benachbarte Wärmequellen bewerten → verfügbare Leistung am ungünstigsten Betriebspunkt berechnen → gesamte Schaltschrankverlustleistung ermitteln → Lüftung beziehungsweise Kühlung auslegen → Aufbau unter realer Last thermisch überprüfen.

FAQ: Netzteil-Derating im Schaltschrank richtig berücksichtigen

Was bedeutet Derating bei einem Netzteil?

Derating bedeutet, dass das Netzteil unter bestimmten Betriebsbedingungen nur mit einem reduzierten Anteil seiner Nennleistung betrieben werden darf.

Warum muss ein Netzteil bei hoher Temperatur heruntergeregelt werden?

Bei steigender Umgebungstemperatur kann das Netzteil seine interne Verlustwärme schlechter abgeben. Um zulässige Bauteiltemperaturen einzuhalten, wird deshalb die maximal zulässige Ausgangsleistung reduziert.

Gilt die Nennleistung eines Netzteils bis zur maximalen Betriebstemperatur?

Nicht automatisch. Ein Netzteil kann beispielsweise bis +70 °C betrieben werden, bei hohen Temperaturen aber nur noch einen reduzierten Anteil seiner Nennleistung liefern.

Wo finde ich das zulässige Derating?

Die entsprechenden Angaben befinden sich im Datenblatt beziehungsweise in der Derating-Kurve des jeweiligen Netzteils.

Welche Temperatur muss ich für das Derating verwenden?

Maßgeblich ist die nach Herstellerdefinition relevante Umgebungstemperatur am Gerät, nicht einfach die Raumtemperatur außerhalb des Schaltschranks.

Kann es im Schaltschrank deutlich wärmer sein als im Raum?

Ja. Die Verlustwärme der eingebauten Komponenten kann die Innentemperatur deutlich über die Umgebungstemperatur anheben.

Warum ist es im oberen Schaltschrankbereich häufig wärmer?

Erwärmte Luft steigt auf. Dadurch kann sich insbesondere im oberen Bereich eines schlecht belüfteten Gehäuses Wärme sammeln.

Warum ist die Einbaulage eines Netzteils wichtig?

Konvektionsgekühlte Netzteile sind für eine bestimmte Luftströmung ausgelegt. Eine abweichende Einbaulage kann die Wärmeabgabe verschlechtern.

Darf ich ein Hutschienennetzteil horizontal montieren?

Nur wenn der Hersteller diese Einbaulage zulässt. Andernfalls kann zusätzliches Derating erforderlich sein oder die Montage unzulässig sein.

Warum braucht ein Netzteil Abstand zu anderen Geräten?

Der freie Raum ermöglicht die notwendige Luftzirkulation und verhindert, dass benachbarte Wärmequellen das Netzteil zusätzlich erwärmen.

Kann ich direkt über einem Netzteil einen Kabelkanal montieren?

Nur wenn die vorgeschriebenen beziehungsweise empfohlenen Freiräume eingehalten werden. Ein zu geringer Abstand kann die natürliche Konvektion behindern.

Wie berechne ich die Verlustleistung eines Netzteils?

Bei bekanntem Wirkungsgrad kann näherungsweise PV = Pout × (1/η − 1) verwendet werden.

Ist ein Netzteil mit 95 % Wirkungsgrad verlustfrei?

Nein. Auch bei hohem Wirkungsgrad wird ein Teil der aufgenommenen Leistung in Wärme umgesetzt.

Was muss bei der Schaltschrankverlustleistung berücksichtigt werden?

Die Verlustleistungen aller eingebauten Geräte sollten berücksichtigt werden, beispielsweise Netzteile, Frequenzumrichter, SPS, Relais, Transformatoren und Messgeräte.

Wie viel Reserve sollte ein 24-V-Netzteil haben?

Eine pauschale Prozentangabe ist nicht für jede Anwendung sinnvoll. Die Reserve sollte aus maximaler Dauerlast, Spitzenlasten, Derating, Temperatur und gegebenenfalls zukünftigen Erweiterungen abgeleitet werden.

Warum reicht eine Reserve von 20 % manchmal nicht aus?

Wenn das Netzteil bei hoher Temperatur beispielsweise bereits um 25 % der Nennleistung deratet werden muss, kann die nominelle 20-%-Reserve vollständig verschwinden.

Kann ein zu großes Netzteil schaden?

Eine größere Leistungsreserve ist grundsätzlich möglich, allerdings sollten Wirkungsgrad, Einschaltstrom, Platzbedarf, Kosten und das Verhalten bei kleinen Lasten ebenfalls berücksichtigt werden.

Was ist der Unterschied zwischen Dauerleistung und Peak-Leistung?

Die Dauerleistung darf kontinuierlich abgegeben werden. Eine Peak-Leistung ist nur für einen begrenzten Zeitraum zulässig.

Kann eine Peak-Leistung das Temperatur-Derating ausgleichen?

Nein. Eine kurzzeitige Überlastfähigkeit ersetzt keine ausreichende thermisch zulässige Dauerleistung.

Kann auch niedrige Eingangsspannung ein Derating verursachen?

Ja. Bei bestimmten Netzteilen reduziert sich die zulässige Ausgangsleistung bei niedriger Eingangsspannung. Hierfür ist die entsprechende Eingangsspannungs-Derating-Kurve zu beachten.

Was passiert, wenn ein Netzteil thermisch überlastet wird?

Je nach Gerät können Übertemperaturschutz, Strombegrenzung oder Abschaltung ansprechen. Das konkrete Verhalten ist dem jeweiligen Datenblatt zu entnehmen.

Warum startet eine SPS bei Hitze plötzlich neu?

Eine mögliche Ursache ist ein thermisch überlastetes 24-V-Netzteil, dessen Ausgangsspannung zusammenbricht beziehungsweise dessen Schutzfunktion anspricht.

Wann ist ein Schaltschranklüfter notwendig?

Wenn die passive Wärmeabgabe nicht ausreicht, um die erforderliche Innentemperatur einzuhalten, kann eine aktive Belüftung oder Kühlung notwendig sein.

Senkt ein interner Umluftlüfter automatisch die Schaltschranktemperatur?

Nicht unbedingt. Er verteilt die Wärme zunächst nur innerhalb des Gehäuses. Für eine niedrigere Innentemperatur muss die Wärme letztlich an die Umgebung abgegeben werden.

Wie prüfe ich die thermische Auslegung praktisch?

Die Temperatur sollte im geschlossenen Schaltschrank unter realistischer beziehungsweise maximaler Last und nach ausreichender thermischer Stabilisierung gemessen werden.

Welches ICS-Netzteil eignet sich für kleinere 24-V-Anwendungen?

Die IDR-Serie umfasst kompakte industrielle DIN-Schienen-Netzteile. Die 60-W-Ausführung ist unter anderem mit 24 V und 2,5 A erhältlich.

Welche ICS-Serie eignet sich für höhere Leistungen?

Die ISDR-Serie umfasst DIN-Schienen-Stromversorgungen im höheren Leistungsbereich bis 960 W.

Wo finde ich weitere Stromversorgungen?

Weitere Geräte finden Sie unter Stromversorgung bei ICS Schneider.