Hoe kan de stroomvoorziening naar beveiligings-, veiligheids- en communicatiesystemen betrouwbaar worden gehandhaafd?

Op hun basisniveau moeten residentiële, commerciële en industriële automatiseringscomplexen een brede waaier van beveiligings-, veiligheids- en noodcommunicatiesystemen omvatten om te voldoen aan de verzekeringsvereisten en plaatselijke bouwverordeningen, en om een certificaat van ingebruikneming te krijgen. Een gemeenschappelijke factor bij deze systemen is dat zij allemaal een wisselstroomnet nodig hebben om gelijkstroom met een lagere spanning te produceren, en dat zij allemaal een zeer betrouwbare batterijback-upregeling nodig hebben.

Voor moderne gebouwen en normen is het echter niet voldoende om alleen elementaire AC-DC-voeding en back-up te leveren. Een uitgebreid, volgens de voorschriften goedgekeurd systeem heeft verschillende ondubbelzinnige alarmindicaties nodig, die via schakelsluitingen specifieke interne en externe storingscondities signaleren. Bovendien moeten de systemen in de slimme gebouwen van vandaag verschillende connectiviteitsmodi ondersteunen, alsook flexibiliteit in fysieke montage en bedrijfsmodi, willen zij voldoen aan de behoeften van verschillende installaties, batterijtypes en andere variabelen.

Het is mogelijk om met gebruikmaking van ongelijksoortige subsystemen alles samen te brengen wat nodig is voor AC-DC of DC-DC-stroomvoorziening, batterijoplading en -beheer, en systeemtoezicht, -beheer en alarmcontrole. Het resultaat kan een volledig geoptimaliseerd ontwerp voor de toepassing zijn. Maar tegen welke prijs? Het proces om dit te doen is tijdrovend, kostbaar en leidt af van de belangrijkste toepassing. Het ontwerp moet ook worden gecertificeerd door de bevoegde regelgevende instanties, wat de kosten en de ontwerptijd nog doet toenemen.

Een alternatief is het gebruik van een alles-in-één, geïntegreerde voeding die aan de belangrijkste prestatie-eisen voldoet, zonder de nadelen van een volledig nieuw ontwerp.

In dit artikel wordt ingegaan op de eisen die worden gesteld aan stroomsystemen voor gebouwautomatisering, voordat de geïntegreerde stroomvoorzieningsoplossingen van MEAN WELL worden geïntroduceerd. In dit artikel worden de kenmerken en toepassingen van deze geavanceerde, intelligente voedingssubsystemen besproken en wordt nagegaan hoe zij een naadloze functionele integratie bieden in combinatie met flexibiliteit en programmeerbaarheid van parameters.

Nieuwe eisen voor gebouwenbeheer en beveiligingssystemen

Van het energiesubsysteem van een commercieel kantoor of een groot woongebouw wordt nu verwacht dat het vele functies ondersteunt, waarvan sommige nodig zijn voor een efficiënte werking en andere verplicht zijn voor veiligheid en beveiliging. De functies waarvoor ondersteuning van de stroomrail nodig is, zijn onder meer:

• Brandveiligheidsalarmen en -systemen
• Apparatuur voor noodcommunicatie
• Noodverlichting (bij brand of andere stroomuitval)
• Toegangscontrolesystemen voor gebouwen
• Centraal brandalarm- en veiligheidsbewakingssysteem

Afhankelijk van de grootte van het gebouw moet het voedingssubsysteem kritische functies op verschillende verdiepingen ondersteunen en bidirectioneel zijn, waarbij de primaire wisselstroom- (of gelijkstroom)-leiding de batterij oplaadt als die optie beschikbaar is, en de batterij de verschillende belastingen en subsystemen ondersteunt als de primaire leiding niet beschikbaar is (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: In veel installaties moet een voedingssubsysteem voldoen aan de behoeften van verschillende verdiepingen en tegelijkertijd een batterij opladen en ontladen wanneer de primaire stroom uitvalt. (Bron afbeelding: MEAN WELL)

Een belangrijke overweging is het opladen en beheren van de backupbatterij, die goed moet worden bewaakt voor zijn kritische rol als ononderbreekbaar stroomsysteem (UPS). Er is niet één beste aanpak, aangezien batterijen met verschillende elektrische capaciteiten en types veel worden gebruikt, waaronder lithium- en loodzuurbatterijen, elk met hun eigen laad/ontlaad-richtlijnen.

Bovendien zijn er vele normen en bouwvoorschriften waaraan moet worden voldaan naast de meer conventionele waaraan een AC-DC- of DC-DC-voeding moet voldoen. Door de toename van geavanceerde gebouwarchitecturen en de erkenning van de mogelijkheden van technologie in slimme gebouwen, hebben instanties in Europa, de VS en China veiligheidsvoorschriften uitgevaardigd voor onder meer beveiligings- en brandbeveiligingssystemen:

• Europees Comité voor Normalisatie (CEN) EN 54-4: Branddetectie- en brandalarmsystemen - Deel 4: Voedingsapparatuur (British Standard. BS EN. 54-4).
• Verenigde Staten: UL2524: ANSI/CAN/UL Standard for In-building 2-Way Emergency Radio Communication Enhancement Systems.
• Verenigde Staten: National Fire Protection Association NFPA 1221: Norm voor de installatie, het onderhoud en het gebruik van communicatiesystemen voor hulpdiensten.
• China: GB 17945-2010: Brand noodverlichting en evacuatie signaleringssysteem.

Daarnaast zijn er de gebruikelijke basisveiligheidsvoorschriften voor wisselstroom, samen met normen voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC) emissies (geleiding, straling, harmonische stroom en spanningsflikkering gedefinieerd door EN55032 (CISPR32) en N61000-3-2, en voor EMC-immuniteit (elektrostatische ontlading (ESD), straling, elektrische snelle transient (EFT) burst, piek, geleiding en magnetisch veld) volgens EN61000-4.

Al deze vereisten samen betekenen dat een voedingseenheid (PSU) meer is dan een eenvoudige AC-DC- of DC-DC-voeding. Het moet meerdere functies met een hoge mate van betrouwbaarheid en prestaties leveren, controleren, beheren en ondersteunen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Een moderne PSU heeft twee hoofdtaken: het leveren van lagere DC-spanning aan diverse belastingen en het leveren van krachtig batterijbeheer. (Afbeelding bron: MEAN WELL)

Verpakking en montage zijn ook belangrijk

Fysieke afmetingen, bedrijfstemperatuurbereik, koeling en montage zijn ook belangrijke PSU-factoren. Deze eenheden bevinden zich meestal in een bijkeuken, vaak met beperkte ruimte en koeling. Naast de PSU en de batterij kan in deze kast ook data- en telecommunicatieapparatuur voor het gebouw worden ondergebracht, zoals switches en routers, zodat de ruimte beperkt is en het gemak van rekmontage een aantrekkelijk kenmerk is.

Geïntegreerde voedingen voldoen aan de vereisten voor energiebeheer in gebouwen

Om tegemoet te komen aan de behoeften van ontwerpers van gebouwautomatisering op het gebied van prestaties, vormfactor, montage en ontwerpvereenvoudiging, heeft MEAN WELL de DRS-240-12, een 12 volt/20 ampère (A), 240 watt, alles-in-één unit, evenals een grotere broer, de DRS-480-24, een 24 volt/20 A, 480 watt eenheid. Andere toestellen van de DRS-240-serie bieden verschillende spanning/stroom-combinaties: 24 volt/10 A, 36 volt/6,6 A, en 48 volt/5 A; voor de DRS-480-serie zijn de beschikbare combinaties 36 volt/13,3 A en 48 volt/10 A.

De DRS-240 en DRS-480 kunnen worden geplaatst en gemonteerd op algemeen gebruikte DIN-rails, type TS-35/7,5 of 15. Dit vereenvoudigt de montage en maakt het mogelijk andere systemen en hun behuizingen gemakkelijk ernaast te monteren. Verder betekent een DIN-rail ontwerp dat alle aansluitingen, indicatoren en uitlezingen zich aan de voorzijde bevinden, zonder dat een achterpaneel of zelfs zijtoegang nodig is. Dit is een voordeel bij het plannen van de bedrading, de installatie, de configuratie, het testen en het opnieuw bedraden indien nodig.

De beschikbare ruimte in deze kasten is beperkt, dus een compacte PSU is belangrijk. De DRS-240-eenheden zijn slechts 86 × 125 × 129 millimeter (mm) (breedte × hoogte × diepte), terwijl de DRS-480 eenheden 110 × 125 × 151 mm groot zijn (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De 240-watt (links) en 480-watt DRS (rechts) eenheden hebben een compacte vormfactor en worden op een standaard DIN-rail gemonteerd; de 480-watt eenheid is iets groter. (Bron afbeelding: MEAN WELL)

De omgevingsomstandigheden in deze kasten vormen ook een uitdaging voor de prestaties op korte en lange termijn. Alle leden van de DRS-serie zijn geschikt voor -30 tot +70 ˚C en 20 tot 90% relatieve vochtigheid (RH) zonder condensatie met vrije-lucht convectiekoeling. De betrouwbaarheid is berekend op 564,7K uur (minimum) volgens Telcordia SR-332 (Bellcore) en 73,3K uur minimum volgens MIL-HDBK-217F (bij 25 ˚C) voor de DRS-240 eenheden; de overeenkomstige cijfers voor de DRS-480 eenheden liggen net iets lager.

Ingang netvoeding leidt naar uitgang gelijkstroom en batterijbeheer

Gezien de variaties van het net en het streven naar wereldwijde toepasbaarheid en installatiegemak, is ook het ingangsvermogensbereik van belang. Deze PSU's zijn gespecificeerd voor 90 tot 305 volt wisselstroom en 127 tot 431 volt gelijkstroom. Veel van de functies in deze eenheden zijn gewijd aan het laden, ontladen, statusindicatie en algemeen beheer van de batterij (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Het blokschema van de DRS PSU's toont hun interne complexiteit en de hoeveelheid schakelingen voor batterijbeheer, laden/ontladen, indicatoren en bescherming. (Bron afbeelding: MEAN WELL)

De laadcurve in twee of drie fasen en de instelling van de laadstroom (tussen 20%~100%) kunnen handmatig worden aangepast via een DIP-schakelaar op het frontpaneel. De maximaal beschikbare acculaadstroom is een functie van de maximale uitgangsstroom die beschikbaar is voor het specifieke DRS-model. Het laadalgoritme van de accu is afhankelijk van de belasting en dankzij de flexibiliteit van de laadparameters kan de DRS-240/480 een groot aantal loodzuur- en lithiumaccu's optimaal beheren.

Gezien het belang van de batterijfunctie, bevat het systeem ook indicatoren voor een bijna lege batterij en bescherming tegen omgekeerde aansluiting. Deze en andere kenmerken zorgen samen voor een robuust, betrouwbaar batterij-subsysteem dat via het elektriciteitsnet kan worden opgeladen, maar ook kan overschakelen en binnen 10 milliseconden zijn nominale vermogen kan leveren wanneer het elektriciteitsnet niet beschikbaar is.

Storingen en problemen zullen zich voordoen

Het is onvermijdelijk dat er interne of externe omstandigheden zijn die van invloed zijn op het vermogen van een PSU om alle gespecificeerde functies te vervullen. Daarom bevatten de DRS-eenheden statusindicaties voor omstandigheden zoals kortsluiting, overbelasting, overspanning en te hoge temperatuur, naast de reeds genoemde indicatoren voor lege batterijen en omgekeerde aansluiting.

Ook belangrijk zijn de tastbare statusindicatoren van de belangrijkste bedrijfstoestanden AC defect, DC OK, batterij bijna leeg, lader defect en DC OK, die worden aangegeven met LED's en Form C-relais (Afbeelding 5). De Form C relais zijn duidelijk gemerkt en bieden een "droog" contact dat om verschillende redenen wordt gebruikt (en in sommige gevallen verplicht is).

Afbeelding 5: Het voorpaneel is alles wat de gebruiker ziet voor stroomaansluitingen, indicatoren en relaiscontacten. (Bron afbeelding: MEAN WELL)

Deze contactsluitingen zijn ondubbelzinnig en bieden verschillende voordelen. Ze worden al lang in de toepassing gebruikt en zijn dus compatibel en gemakkelijk te integreren met zowel bestaande als nieuwe systemen en componenten (zelfs basics zoals een extern knipperlicht en een bel); ze zijn uiterst betrouwbaar en robuust; en een sluiting van een schakelaar is de meest definitieve indicatie die een systeem kan geven, vooral als er stroomproblemen zijn die van invloed kunnen zijn op de werking van interfaces die meer "elektronisch" zijn, zoals open-collector-uitgangen of zelfs halfgeleiderrelais (SSR's).

Communicatie is ook verplicht

Een moderne PSU moet ook netwerkconnectiviteit bieden voor beheer, set-up en rapportage op hoog niveau. De standaard PSU's van de DRS-familie ondersteunen Modbus-koppelingen, met een CAN-busoptie, die ook kan worden gebruikt met een beschikbare slimme programmeerunit. Dit programmeerapparaat wordt gebruikt voor de externe instelling van parameters die verband houden met de laadcurves en laadmodi van de batterij, zoals constante stroom (CC), convergerende stroom (TC), constante spanning (CV) en druppelspanning (FV), om tegemoet te komen aan de vele verschillende batterijtypes die in de industrie worden gebruikt (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Met behulp van het Modbus-gebaseerde programmeerapparaat kan een gebruiker de vele acculaadspecificaties instellen voor een optimale aanpassing aan de grootte en het type van de accu. (Bron afbeelding: MEAN WELL)

Hoewel de DRS-families van PSU's veel functies en mogelijkheden bieden, is de eigenlijke aansluiting ervan vrij eenvoudig. Dit is een belangrijk voordeel en verdient de voorkeur in praktische installaties, vooral omdat deze eenheden vaak vele jaren in gebruik zijn (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De interne complexiteit en verfijning van de DRS-serie PSU's zijn onzichtbaar voor de gebruiker, die slechts te maken heeft met een paar aansluitingen en indicatoren op het frontpaneel. (Bron afbeelding: MEAN WELL)

Conclusie

Voedingen zoals die van de MEAN WELL DRS-240 en DRS-480 families bieden meer dan een basis AC-DC- of DC-DC-conversie. Ze zijn een goedgekeurde oplossing voor stroombeheer voor brandveiligheids- en gebouwenbeveiligingssystemen, met inbegrip van noodcommunicatieapparatuur. Zoals aangetoond, door alle benodigde functies te integreren in een klein, efficiënt, betrouwbaar, gemakkelijk te monteren en aan te sluiten DIN-rail pakket, vereenvoudigen de DRS-voedingen de documentatie, installatie en bediening, terwijl ze tegelijkertijd de functionaliteit, kenmerken en prestaties bieden die nodig zijn om te voldoen aan een reeks van regelgevende codes.

Gerelateerde inhoud

1. "Gebruik modulaire multi-output AC/DC-voedingen voor flexibiliteit en configuratie"
2. "Hoe de eenvoudige DIN-rail een oplossing biedt voor modulariteit, flexibiliteit en gemak in industriële systemen"