Bei genauerer Betrachtung der globalen Spannungsstandards zeigt sich ein Bereich von 100–240VAC bei entweder 50 oder 60Hz. Dies könnte den Eindruck erwecken, dass ein einziges Netzteil den gesamten Spannungs- und Frequenzbereich abdecken und somit universell mit jeder Wechselstromquelle kompatibel sein sollte – doch das ist nicht unbedingt der Fall. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für ein Sicherheitsetikett eines Netzteils, das auf jeder zertifizierten, international versandfähigen Lösung zu finden ist.
Es mag naheliegend erscheinen, einen möglichst breiten Bereich zu unterstützen, aber wie bei allem im Leben (insbesondere bei Strom) gibt es auch hier Kompromisse, die bei der Optimierung einer Lösung für eine spezifische Anwendung oder einen bestimmten Einsatzbereich berücksichtigt werden müssen. Designs müssen zudem Toleranzen enthalten, um nicht-idealen Betriebsbedingungen Rechnung zu tragen. In Bezug auf Spannungen umfasst dies Schutzmaßnahmen gegen Überspannungsszenarien (meistens zum Schutz der Personen und der Geräte), Unterspannungsszenarien (zur Maximierung der Betriebszeit und zum Schutz der Geräte) und die Ausbalancierung von Phasenströmen in mehrphasigen Systemen. Bei der Netzfrequenz geht es um die Netzqualität und die Netzstabilität.
Die spezifischen Mechanismen und Methoden zur Umsetzung dieser Schutzmaßnahmen gehen über den Rahmen dieser Diskussion hinaus, werden jedoch ausführlich im RECOM
AC/DC Book of Knowledge: Practical Tips for the User [3], einem frei verfügbaren Dokument, behandelt. Wenn wir eine übliche Toleranz von ±10% anwenden, lässt sich schnell ein breiter Betriebsbereich von 90–264VAC und 47–63Hz definieren, der auf vielen Sicherheitsetiketten von Netzteilen zu finden ist. Dieses Beispiel zeigt, wie verschiedene internationale Standards zu universelleren Bereichen zusammengefasst werden können, ohne jedoch auf die Beweggründe hinter den einzelnen regionalen Netzvorgaben einzugehen. Es gibt auch weitere unterstützte Bereiche, die speziell für militärische und/oder industrielle Umgebungen vorgesehen sind, wie zum Beispiel der 400Hz-Standard für die Stromversorgung in Flugzeugen und auf Schiffen. In dreiphasigen Wechselstromkonfigurationen können mehrere Einzelspannungsquellen durch den Phasenwinkel getrennt werden, um die Leistungsabgabe zu maximieren und gleichzeitig die Ströme zu minimieren, was insbesondere bei dreiphasigen Wechselstromsystemen der Fall ist.
Letztendlich werden die meisten Endsysteme und -lasten mit Gleichstrom betrieben (Wechselstrommotoren stellen die große Ausnahme dar), weshalb es sogar mehr Standards für Gleichspannungsversorgungen als für Wechselstrom gibt, allerdings normalerweise nicht für Verteilungen im Bereich von Einrichtungen oder Gebäuden. Hochspannung ist als >1.000/1.500V (AC/DC) definiert, wobei alles, was ≥60VDC ist, aus Sicherheitsgründen (durch menschlichen Kontakt) als Hochspannung gilt, auch als Schutzkleinspannung (SELV) bekannt.
Es existiert zwar kein einheitlicher Standard (weltweit gibt es zahlreiche), der allgemein als Hochspannungsdatenzentrum (HVDC – nicht zu verwechseln mit Hochspannungs-Gleichstrom) bezeichnet wird, jedoch definieren viele Standards eine Verteilungsarchitektur im Bereich von 300–400VDC. Die Logik dahinter ist: Wenn Server- und Netzwerkhardware sowie die unterstützende Infrastruktur alle für die Unterstützung eines universellen Wechselstromeingangs mit einem
AC/DC-Netzteil mit
Leistungsfaktorkorrektur (PFC [4]) ausgelegt sind, können dieselben Geräte auch die aus der gleichgerichteten AC-Eingangs-Wellenform abgeleitete Gleichspannung verarbeiten – was die Beseitigung einer Wandlungsstufe (und die daraus gewonnenen Vorteile) rechtfertigt.
24VDC-Verteilungen sind in industriellen Umgebungen mit kleinen Relais, Leistungsschaltern, Motoren und Systemen, die für einen standardisierten mechanischen Formfaktor wie den
DIN-Rail-Standard [5] optimiert sind, weit verbreitet. Weitere bekannte Gleichstromverteilungen umfassen den Universal Serial Bus (USB, 5–20VDC) und Power over Ethernet (PoE, 44–57VDC), die auch Strom- und Datenleitungen in Hybridkabeln kombinieren. Die Wahl einer Hauptverteilungsspannung für eine Einrichtung wird von vielen Faktoren bestimmt, die mit Entscheidungen über Investitions- und Betriebsausgaben (CAPEX bzw. OPEX) zusammenhängen – und nicht nur von den Geräten, die daran angeschlossen werden müssen. Sicherheit ist fast immer ein Schlüsselfaktor bei der Festlegung von Verteilungsarchitekturen und muss basierend auf Worst-Case-Szenarien für die Exposition des Anwenders, die Abstände zwischen den Leitern und die Randbedingungen der Betriebsumgebung berücksichtigt werden.
Die Konsolidierung von Busarchitekturen für die Spannungsverteilung bietet zahlreiche Vorteile, darunter eine vereinfachte Gerätebeschaffung (CAPEX) und eine effizientere Nutzung von Geräten und Maschinen (OPEX). Je weniger Wandlungsstufen von der vorgelagerten Quelle (z. B. Versorgungsnetz, Energiespeicher, etc.) bis zur Endlast (z. B. System, ASIC, Motor, etc.) erforderlich sind, desto größer ist das Potenzial zur Vereinfachung der Infrastruktur und zur Nutzung von Größenvorteilen. Die Gemeinsamkeit kann auch dazu beitragen, die Nettolastdynamik zu mindern, was eine Optimierung der Energieeffizienz durch Reduzierung der Unvorhersehbarkeit ermöglicht und damit mehr Chancen für intelligente Energiemanagementtechniken (IPM [6]) bietet.
Eine gemeinsame Netz- oder Verteilungsarchitektur bringt weit mehr Vorteile mit sich, als hier umfassend dargestellt werden können. Einige zusätzliche Kategorien verdienen jedoch Anerkennung. Die Möglichkeit, einen besser vorhersehbaren Wartungsplan aufrechtzuerhalten und weniger Teilenummern zu verwalten, kann zu erheblichen Einsparungen führen – sowohl kurzfristig als auch langfristig. Eine geringere Anzahl zu ersetzender oder zu verwaltender Teile bietet zahlreiche offensichtliche Vorteile, von der Einsparung von Benutzeraufwand am Verbrauchsort bis hin zur Verringerung von Gemeinkosten und Versandkosten für Ersatzteile.
Beim Übergang zu intelligenten Gebäuden und Fabriken der Zukunft ist es entscheidend, sowohl Konfigurierbarkeit als auch Flexibilität durch gemeinsame Formfaktoren zu gewährleisten. Aus Qualitätsgesichtspunkten werden Systeme – insbesondere Komponenten und Motoren – eine längere Lebensdauer haben, wenn sie unter stärker randbedingten, vorhersehbaren Betriebs- und Umgebungsbedingungen sowie Wartungszyklen arbeiten. Diese Vorteile erster Ordnung führen zu einer Vielzahl von Vorteilen zweiter Ordnung, je nachdem, wie tief man das System analysieren möchte. Ein Beispiel: Eine gemeinsame Verteilung kann die Notwendigkeit kostspieliger Notstrom- oder Energiespeicherlösungen verringern, die andernfalls als Puffer für Zwischenspannungen dienen müssten. Selbst eine geringe Verbesserung der Effizienz der Eingangs- zu Ausgangsleistung – nur wenige Prozentsätze – kann erhebliche CAPEX-Einsparungen rechtfertigen, mit Vorteilen, die von der
Last bis zum Kraftwerk reichen.
