Leistungsaufnahme und Verlustleistung sind zwei entscheidende Faktoren im Betrieb elektronischer Systeme. Die Effizienz von elektronischen Komponenten wirkt sich direkt auf die Leistung, Zuverlässigkeit, Wärmeentwicklung und Energiekosten aus. Das Verständnis darüber, wie die Komponenten Energie verbrauchen und abgeben, ist wichtig, um die Effizienz elektronischer Systeme zu erhöhen und die immer strengeren Anforderungen an die Energieeffizienz zu erfüllen.
Erfahren Sie in diesem Blogartikel, wie sich Leistungsaufnahme und Verlustleistung auf die Energieeffizienz von elektronischen Systemen auswirken und wie Trennbarrieren und Stromversorgungen von Pepperl+Fuchs zu mehr Effizienz und einer höheren Anlagenverfügbarkeit beitragen.

Wie beeinflussen Leistungsaufnahme und Verlustleistung die Energieeffizienz?

Die Leistungsaufnahme bezeichnet die Gesamtenergie, die ein Gerät oder System während des Betriebs aufnimmt, einschließlich aller erforderlichen DCS-seitigen Ströme, z. B. für Feldgeräte und Steuerungssysteme. Dieser Parameter ist entscheidend für die richtige Dimensionierung und Kapazität von Stromversorgungen, die einen stabilen und effizienten Systembetrieb gewährleisten. Darüber hinaus wirkt sich die Leistungsaufnahme direkt auf die Betriebskosten während des gesamten Lebenszyklus des Systems aus und ist somit ein wichtiger Faktor sowohl für wirtschaftliche als auch für ökologische Überlegungen. Je niedriger die Leistungsaufnahme der elektronischen Geräte, desto höher ist deren Effizienz und desto kleinere Stromversorgungen sind nötig. Dies wirkt sich positiv auf die Energieeffizienz des gesamten elektronischen Systems aus.

Die Verlustleistung hingegen ist der Teil der aufgenommenen Leistung, der in elektronischen Bauteilen in Wärme umgewandelt wird. Diese Wärmeentwicklung erhöht die Temperatur der Geräte, was häufig zusätzliche Kühlmaßnahmen erfordert, um sichere Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten. Eine zu hohe Verlustleistung kann die Zuverlässigkeit der Geräte beeinträchtigen und ihre Lebensdauer verkürzen. Außerdem entstehen Herausforderungen beim Wärmemanagement im Schaltschrank, die die Flexibilität bei der Konstruktion einschränken und beispielsweise Abstände zwischen den Modulen erfordern. Die Verlustleistung elektronischer Geräte wirkt sich direkt auf die Energieeffizienz des gesamten Systems aus.

Diese Faktoren zeigen, warum die genaue Betrachtung der Leistungsaufnahme und der Verlustleistung bei der Auswahl von elektronischen Komponenten wie Trennbarrieren und Stromversorgungen so wichtig ist. Denn davon hängt nicht nur die Leistung und Lebensdauer der Geräte, sondern auch die Anlagenverfügbarkeit und Energieeffizienzbilanz des gesamten elektronischen Systems ab.

Welche Auswirkungen hat der Einsatz von Geräten mit erhöhter Leistungsaufnahme und höherer Verlustleistung?

Leistungsaufnahme und Verlustleistung sind untrennbar miteinander verbunden und beeinflussen direkt die Zuverlässigkeit und Energieeffizienz eines elektronischen Systems im Laufe der Zeit. Wenn Geräte mehr Strom verbrauchen und große Mengen an Wärme abgeben, hat das weitaus mehr Folgen als nur höhere Stromkosten:

• Eine erhöhte Verlustleistung führt zu höheren Temperaturen im Schaltschrank, was den Einsatz größerer, teurerer Kühlsysteme erforderlich macht oder zu Hotspots führen kann, die die Zuverlässigkeit der Komponenten gefährden.
• Erhöhte Gerätetemperaturen beschleunigen die Alterung der Komponenten, verschlechtern die Isolierung und beeinträchtigen Lötstellen und Halbleiter, was die Produktlebensdauer verkürzt und das Risiko vorzeitiger Ausfälle erhöht.
• Eine höhere Leistungsaufnahme kann größere Stromversorgungen und umfangreichere Verkabelungen erfordern, was die Installationskosten erhöht und den Platz im Schaltschrank reduziert.
• Um eine Überhitzung zu vermeiden, muss möglicherweise die Kanaldichte verringert werden, wodurch Platz im Schaltschrank verloren geht und die Stellfläche des Systems erhöht wird.

Im Laufe der Zeit kann dies die Zuverlässigkeit der Komponenten beeinträchtigen und zu mehr Wartungsarbeiten, ungeplanten Stillstandzeiten und höheren Gesamtbetriebskosten führen – Probleme, die mit effizienten Geräten wie den Trennbarrieren und industriellen Stromversorgungen von Pepperl+Fuchs, die auf eine geringe Leistungsaufnahme und eine geringe Verlustleistung ausgelegt sind, vermieden werden können.

Verlustleistung von Trennbarrieren im Vergleich

Wir haben den Spannungs-Repeater KCD2-VR4-Ex1 von Pepperl+Fuchs, eine 1-kanalige Trennbarriere für die Übertragung der Spannungssignale von Vibrationsmessungen im explosionsgefährdeten Bereich, mit zwei Geräten aus dem gleichen Segment und der gleichen Leistungsklasse verglichen.

* für Berechnungen angesetzt: 0,85 W

Werfen wir einen Blick auf die maximale Verlustleistung der drei Geräte in Tabelle 1, sehen wir, wie vermeintlich nur geringe Abweichungen einen erheblichen Unterschied ausmachen:

Das Vergleichsgerät 1 hat eine um 64,7 % höhere Verlustleistung als der Spannungs-Repeater von Pepperl+Fuchs. Die höhere Verlustleistung und damit verbundene Wärmeabgabe resultieren in einer größeren Gehäusebauform und höherem Gewicht der Geräte. Dies reduziert den Platz im Schaltschrank und erfordert eventuell mehr Lüftungs- und Kühlmaßnahmen. Außerdem verkürzt eine höhere Verlustleistung die zu erwartende Lebensdauer der Geräte.

Vergleichsgerät 2 hat sogar eine um 135,3 % höhere Verlustleistung als die 1-kanalige Trennbarriere von Pepperl+Fuchs, bei gleicher Baubreite. Dies resultiert in höheren Gerätetemperaturen und damit einer zu erwartenden verkürzten Produktlebensdauer. Zudem erfordern die hohe Verlustleistung und Wärmeentwicklung mehr Lüftungs- und Kühlmaßnahmen im Schaltschrank und reduzieren zugleich die Kanaldichte.
Nehmen wir einen Schaltschrank mit acht Reihen à 60 Module an, bedeutet dies etwa 552 W mehr Verlustleistung im Vergleich zu den Spannungs-Repeatern von Pepperl+Fuchs. Auf ein Jahr gerechnet sind das rund 4.800 kWh und entspricht damit dem durchschnittlichen Verbrauch eines 4-Personen Haushaltes im Einfamilienhaus. Bei einer Betriebsdauer von 15 Jahren summiert sich der Wert auf 72.500 kWh. Gerechnet auf eine ganze Anlage macht sich die höhere Verlustleistung sowohl in den Kosten als auch im CO2-Fußabdruck deutlich bemerkbar.

Verlustleistung von Stromversorgungen im Vergleich

Ein weiterer Vergleich der Effizienz und Verlustleistung von industriellen Stromversorgungen im Premiumsegment zeigt, dass ein Effizienzunterschied von nur 1,8 % bei vergleichbaren Geräten in 40 % mehr Verlustleistung resultiert. Eine Erhöhung der Temperatur um 10 Kelvin führt bereits zu einer Halbierung der zu erwartenden Produktlebensdauer.

Niedrige Leistungsaufnahme, geringe Verlustleistung, maximale Effizienz: Trennbarrieren und Stromversorgungen von Pepperl+Fuchs

Pepperl+Fuchs bietet leistungsstarke Trennbarrieren mit einer der branchenweit niedrigsten Leistungsaufnahme und geringsten Verlustleistung. Die Vorteile zeigen sich während der gesamten Installation: Die effizienten Trennbarrieren des K-Systems und H-Systems von Pepperl+Fuchs benötigen weniger Strom als vergleichbare Geräte anderer Hersteller. Ihr niedriger Energiebedarf, ihre geringe Verlustleistung und ihr optimiertes thermisches Design tragen dazu bei, stabile Betriebstemperaturen ohne überdimensionierte Kühllösungen aufrechtzuerhalten. Sie ermöglichen eine höhere Packungsdichte der Module ohne Einbußen bei der Zuverlässigkeit. Dies senkt nicht nur die Vorlaufkosten für die Infrastruktur, sondern verlängert auch die Lebensdauer der Geräte und erhöht die Zuverlässigkeit der gesamten Anlage.

Durch den geringeren Stromverbrauch der Komponenten können wiederum kleinere Stromversorgungen eingesetzt werden. Hier bietet Pepperl+Fuchs mit den industriellen Stromversorgungen der Serie PS1000 ebenfalls effiziente und leistungsstarke Geräte für die Prozessindustrie. Gleichzeitig bedeuten auch hier kleinere und effizientere Geräte eine geringere Verlustleistung und damit einhergehende Wärmeentwicklung. Somit ist weniger Schrankbelüftung und -kühlung erforderlich, was wiederum eine höhere Kanaldichte im Schaltschrank ermöglicht. Anlagenbetreiber profitieren damit von einem geringeren Energieverbrauch über die gesamte Lebensdauer des Systems.

Der niedrige Leistungsaufnahme und die besonders geringe Verlustleistung verlängern nicht nur die Lebensdauer der Geräte, sondern führen auch zu messbaren Kosteneinsparungen und niedrigeren Gesamtbetriebskosten, was die Trennbarrieren des H-Systems und K-Systems sowie die Stromversorgungen PS1000 von Pepperl+Fuchs zur idealen Lösung für die Signalübertragung sowie Stromversorgung im Schaltschrank macht.

Weitere Informationen

• Eigensicher Barrieren und Signaltrenner des K-Systems
• Eigensichere Barrieren des H-Systems
• Industrielle Stromversorgungen PS1000
• Spannungs-Repeater KCD2-VR4-Ex1 zur Schwingungsmessung in explosionsgefährdeten Bereichen