Was leistet die unterbrechungsfreie Stromversorgung?

TIPPS: Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) schützt kritische Verbraucher vor Stromausfällen und elektrischen Störungen. Ein USV-System nutzt gespeicherte Energie, Leistungselektronik und Steuerungsfunktionen, um die kontinuierliche Versorgung der Verbraucher sicherzustellen. Je nach Topologie und Konfiguration kann eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zudem die Stromqualität verbessern. A USV-Anlage kann ein sicheres Abschalten, den Generator-Ride-Through, die Spannungsregelung und die Zuverlässigkeit kritischer Infrastrukturen unterstützen.

Ⅰ. Was macht eine USV?

1. Direkte Antwort

Eine USV sorgt dafür, dass wichtige elektrische Geräte weiterhin mit Strom versorgt werden, wenn die normale Netzstromversorgung unterbrochen wird oder nicht mehr den Anforderungen entspricht.

Zu seinen Hauptfunktionen gehören:

• Bereitstellung von Notstrom bei einem Stromausfall.
• Gewährleistung der unterbrechungsfreien Stromversorgung für kritische Verbraucher.
• Unterstützung einer kontrollierten Abschaltung bei anhaltendem Ausfall.
• Spannungsregelung in USV-Konstruktionen, die eine Spannungsregelung bieten.
• Verbesserung bestimmter Merkmale der Netzqualität.
• Überbrückung zwischen Stromausfall und Inbetriebnahme des Generators.
• Überwachung von Eingangs-, Ausgangs-, Last-, Batterie- und Alarmzuständen.
• Unterstützung redundanter Architekturen für die Notstromversorgung.

Das NIST definiert eine USV als ein System, das nach dem Ausfall der primären Stromquelle eine alternative Stromversorgung bereitstellt, während das IEEE USV-Systeme als Stromversorgungssicherheitsinfrastruktur für Anwendungen wie Rechenzentren, Krankenhäuser, industrielle Steuerungssysteme und Telekommunikation beschreibt.

2. Was eine USV nicht leistet

Eine USV ist keine Allzwecklösung für jedes elektrische Problem.

Es bietet nicht automatisch eine unbegrenzte Notstromversorgung. Es ersetzt keinen Generator bei länger andauernden Stromausfällen. Es ersetzt weder Erdung noch Potentialausgleich, Stromkreisschutz noch ein ordnungsgemäß abgestimmtes Überspannungsschutzsystem.

Der tatsächliche Schutz hängt von der Topologie und Konfiguration der USV ab.

Beispielsweise versorgt eine Online-USV mit Doppelwandlung die Last im Normalbetrieb über ihren Wechselrichter. Eine Standby-USV versorgt die Last normalerweise über den Netzanschluss und schaltet bei Bedarf auf ihren Wechselrichter um.

Daher sind Aussagen wie “Alle USV-Anlagen bieten eine Umschaltzeit von Null” oder “Alle USV-Anlagen bieten die gleiche Stromaufbereitung” technisch gesehen unvollständig.

Ⅱ. Wie funktioniert eine USV?

1. Grundlegende elektrische Architektur

Eine vereinfachte USV-Architektur lässt sich wie folgt darstellen:

Wechselstrom-Eingang → Gleichrichter/Ladegerät → Gleichstrombus → Wechselrichter → Wechselstrom-Last

Ein Energiespeichersystem wird an die Gleichstromseite angeschlossen.

Die genaue Architektur hängt von der USV-Topologie ab.

Das IEEE bezeichnet den Gleichrichter, den Energiespeicher, den Wechselrichter und den statischen Bypass als grundlegende Elemente vieler USV-Architekturen.

Der Zweck dieser Architektur besteht darin, die kritische Last zumindest teilweise von den Störungen zu trennen, die in der normalen Stromversorgung auftreten können.

2. Gleichrichter

Der Gleichrichter wandelt die eingehende Wechselstromleistung in Gleichstrom um.

Bei einer Online-Doppelwandler-USV versorgt der Gleichrichter im Normalbetrieb in der Regel den Gleichstrombus.

Der Gleichstrom-Sammelschienenstrom versorgt dann den Wechselrichter.

Der Gleichrichter kann die Batterie auch über das Ladesystem der USV aufladen.

Moderne USV-Gleichrichter können Verfahren zur Leistungsfaktorkorrektur einsetzen, um die Eigenschaften des Eingangsstroms zu verbessern. Die tatsächliche Eingangsleistung hängt von der Bauart der USV ab.

3. Gleichstrom-Sammelschiene

Der Gleichstrom-Sammelschienenstromkreis bildet die elektrische Verbindung zwischen der Eingangswandlerstufe, dem Energiespeichersystem und dem Wechselrichter.

Im Normalbetrieb fließt Energie vom Netzbetreiber über den Gleichrichter zum Gleichstrombus und von dort zum Wechselrichter.

Bei einem Stromausfall versorgt die gespeicherte Batterienergie den Gleichstrombus.

Dadurch kann der Wechselrichter weiterhin Wechselstrom für die kritische Last erzeugen.

4. Akku

Die Batterie speichert elektrische Energie, die bei einem Stromausfall genutzt werden kann.

Gemeinsame USV-Batterie Zu den Technologien gehören:

• VRLA-Blei-Säure-Batterie.
• Blei-Säure-Batterie mit Flüssigelektrolyt.
• Lithium-Ionen.
• Weitere anwendungsspezifische Speichertechnologien.

Bei der Auswahl einer Batterie kommt es auf mehr als nur die Nennkapazität an.

Ingenieure sollten Folgendes berücksichtigen:

• Erforderliche Autonomie.
• Entladungseigenschaften.
• Umgebungstemperatur.
• Ladeverfahren.
• Batteriemanagement.
• Installationsbedingungen.
• Wartungsanforderungen.
• Erwartete Lebensdauer.
• Ersatzstrategie.
• Sicherheitsanforderungen.

Lithium-Ionen-Batterien bieten zwar Vorteile hinsichtlich Energiedichte, Platzbedarf, Lebensdauer und Ladeeigenschaften, doch VRLA-Batterien sind für viele USV-Anwendungen nach wie vor relevant. Eaton weist darauf hin, dass beide Technologien weiterhin unterschiedliche Anwendungsanforderungen erfüllen.

5. Wechselrichter

Der Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um.

Bei einer Online-Doppelwandler-USV ist der Wechselrichter die normale Stromquelle für die kritische Last.

Seine Leistung wirkt sich aus auf:

• Ausgangsspannung.
• Ausgangsfrequenz.
• Qualität der Wellenform.
• Harmonische Verzerrung.
• Dynamisches Ansprechverhalten.
• Lastkompatibilität.

Ein hochwertiger Wechselrichter ist besonders wichtig für empfindliche elektronische und industrielle Verbraucher.

Der Begriff “reine Sinuswelle” allein reicht jedoch nicht aus, um die Leistung eines Wechselrichters vollständig zu beschreiben. Ingenieure sollten auch die Ausgangsregelung, den Klirrfaktor (THD), das dynamische Ansprechverhalten, die Überlastfähigkeit und die Kompatibilität mit der angeschlossenen Last bewerten.

6. Statischer Bypass

Ein statischer Bypass bietet einen alternativen Strompfad, der das Hauptumwandlungssystem der USV umgeht.

Es kann in folgenden Fällen angewendet werden:

• Überlastzustände.
• USV-Störungen.
• Wartungsarbeiten.
• Ungewöhnliche Betriebsbedingungen.

Der Bypass ist wichtig für die Verfügbarkeit, sollte jedoch nicht mit einer Notstromversorgung verwechselt werden.

Befindet sich die Last im Bypass-Betrieb, hängen die elektrischen Eigenschaften von der Bypass-Quelle und dem Verteilungsnetz der Anlage ab.

Ⅲ. Was passiert bei einem Stromausfall?

1. Normalbetrieb

Im Normalbetrieb überwacht die USV die eingehende Stromversorgung.

Je nach Topologie kann der Energieversorger die Last direkt versorgen oder das USV-Umwandlungssystem speisen.

Gleichzeitig steht die Batterie für den Fall einer Unterbrechung weiterhin zur Verfügung.

Das Steuerungssystem kann Folgendes überwachen:

• Eingangsspannung.
• Ausgangsspannung.
• Häufigkeit.
• Beladungsgrad.
• Batteriespannung.
• Akkustatus.
• Betriebsart.
• Temperatur.
• Fehlerzustände.

2. Stromstörung

Wenn die Eingangsspannung oder -frequenz den Betriebsbereich der USV verlässt, legt das Steuerungssystem der USV die geeignete Reaktion fest.

Die Antwort hängt von der Topologie ab.

Eine Standby-USV leitet die Last normalerweise an den Wechselrichter weiter.

Eine line-interaktive USV kann zunächst eine Spannungsregelung nutzen, bevor sie auf die Batterie zurückgreift.

Eine Online-Doppelwandler-USV versorgt die Last bereits im Normalbetrieb über ihren Wechselrichter.

Aus diesem Grund muss der Begriff “Übertragungszeit” im jeweiligen Kontext verwendet werden.

Eaton definiert die Umschaltzeit als die Zeit, die eine USV benötigt, um eine Last auf Batteriebetrieb umzuschalten, während sich Online-Architekturen grundlegend davon unterscheiden, da der Wechselrichter die Last bereits im Normalbetrieb versorgt.

3. Batteriebetrieb

Bei einem Stromausfall liefert die Batterie Gleichstrom.

Der Wechselrichter wandelt diese Energie in Wechselstrom um.

Die verfügbare Laufzeit hängt ab von:

• Tatsächliche Lastleistung.
• Kapazität der Batterie.
• Batteriespannung.
• Wirkungsgrad der USV.
• Zustand der Batterie.
• Temperatur.
• Entladungseigenschaften.
• Entladungsendspannung.
• Batteriealterung.

Daher lässt sich anhand der Ah-Kapazität des Akkus allein keine zuverlässige Vorhersage der Laufzeit treffen.

4. Wiederherstellung der Versorgungsleistungen

Sobald wieder eine ausreichende Netzspannung vorliegt, kehrt die USV in den entsprechenden Normalbetrieb zurück.

Das Ladegerät gleicht dann die während des Stromausfalls verbrauchte Energie wieder aus.

Wiederholte Ausfälle können zu einem erheblichen betrieblichen Problem führen.

Wenn die Akkulaufzeit zwischen den Stromausfällen nicht ausreicht, kann das zweite Ereignis mit reduzierter Verfügbarkeit eintreten Batteriekapazität.

Ⅳ. Vor welchen Stromausfällen kann eine USV schützen?

1. Stromausfälle

Die wichtigste Funktion ist die Aufrechterhaltung der Stromversorgung während eines Stromausfalls.

Ohne Reservestrom, kann ein plötzlicher Stromausfall folgende Folgen haben:

• Server wird heruntergefahren.
• Netzwerkunterbrechung.
• Die SPS wird zurückgesetzt.
• Datenbeschädigung.
• Produktionsunterbrechung.
• Kommunikationsfehler.
• Verlust nicht gespeicherter Arbeit.

Eine USV stellt gespeicherte Energie bereit, damit kritische Geräte weiterbetrieben oder kontrolliert heruntergefahren werden können.

Eaton nennt die Aufrechterhaltung der Stromversorgung und die Systemabschaltung als zentrale Funktionen einer USV.

2. Spannungseinbrüche

Ein Spannungseinbruch ist ein vorübergehender Spannungsabfall.

Je nach Lastverhalten, Ausmaß der Durchbiegung und Dauer kann es bei einer empfindlichen Last zu Fehlfunktionen oder zum Ausfall kommen.

Eine line-interaktive USV kann bestimmte Spannungsschwankungen durch automatische Spannungsregelung ausgleichen.

Eine Online-Doppelwandler-USV ermöglicht eine präzisere Ausgangsregelung, da die Last über den Wechselrichter versorgt wird.

3. Überspannung

Eine Überspannung kann die elektrische Belastung der angeschlossenen Geräte erhöhen.

Eine USV mit geeigneten Spannungsregelungs- und Schutzfunktionen kann die Auswirkungen bestimmter abnormaler Spannungszustände verringern.

Der genaue Schutzbereich ist jedoch den technischen Daten der USV zu entnehmen.

4. Spannungsspitzen und Transienten

Spannungsspitzen und Transienten können folgende Ursachen haben:

• Wechsel des Energieversorgers.
• Schalten großer Lasten.
• Fehlerzustände.
• Ereignisse im Zusammenhang mit Blitzen.
• Interne elektrische Störungen.

USV-Geräte können über Überspannungsschutz- und Filterfunktionen verfügen.

Eine USV sollte jedoch nicht als vollständiges Blitzschutzsystem betrachtet werden.

Eine ordnungsgemäß ausgelegte Anlage erfordert unter Umständen einen aufeinander abgestimmten Überspannungsschutz, eine Erdung, einen Potentialausgleich sowie einen vorgeschalteten Schutz.

5. Frequenzschwankungen

Frequenzempfindliche Geräte können beeinträchtigt werden, wenn die Versorgungsspannung den zulässigen Bereich verlässt.

Eine Online-USV kann die Ausgangsfrequenz je nach Betriebsmodus und Bauart über ihren Wechselrichter regeln.

Diese Eigenschaft unterscheidet die USV-Technologie von Geräten, die lediglich zur Spannungsregelung ausgelegt sind.

6. Elektrische Störungen

Manche USV-Anlagen können bestimmte Arten von elektrischen Störungen dämpfen.

Mögliche Quellen sind unter anderem:

• Schaltnetzteile.
• Motoren.
• Frequenzumrichter.
• Industrieausrüstung.
• Elektromagnetische Störungen.

Der Grad der Filterung hängt von der Topologie und dem Filtersystem ab.

Daher sollten Ingenieure es vermeiden zu behaupten, dass jede USV jegliche elektrischen Störungen beseitigt.

Ⅴ. UPS-Topologien erklärt

1. Warum die USV-Topologie wichtig ist

Die USV-Topologie bestimmt den normalen Strompfad und das Verhalten bei Störungen.

Die drei häufig diskutierten Architekturen sind:

• Standby- oder Offline-USV.
• Line-Interactive-USV.
• Online-USV mit Doppelwandlung.

In den DOE-Unterlagen werden USV-Architekturen zudem anhand von Klassifizierungen hinsichtlich ihrer Spannungsabhängigkeit wie VFD, VI und VFI unterschieden.

2. Standby- oder Offline-USV

Eine Standby-USV versorgt die Last normalerweise über den Netzpfad.

Der Wechselrichter bleibt verfügbar, bis eine Stromstörung den Batteriebetrieb erforderlich macht.

Bei einem Stromausfall leitet das System die Last auf den Wechselrichter um.

Diese Architektur wird häufig dort eingesetzt, wo Kosten und ein grundlegender Ausfallschutz wichtiger sind als eine optimale Leistungsaufbereitung.

Zu den typischen Anwendungsbereichen gehören:

• Desktop-Computer.
• Ausstattung für das Homeoffice.
• Kleine Netzwerkgeräte.
• Nicht kritische elektronische Lasten.

3. Line-Interactive-USV

Eine line-interaktive USV hält in der Regel einen netzbasierten Strompfad aufrecht und bietet gleichzeitig Spannungsregelungsfunktionen.

Die automatische Spannungsregelung kann bestimmte Schwankungen der Eingangsspannung ausgleichen, ohne dabei ständig Batterieenergie zu verbrauchen.

Dadurch eignen sich lineinteraktive Systeme für Anwendungen, bei denen zwar Spannungsschwankungen auftreten, die Anwendung jedoch nicht die gesamte Architektur einer Online-USV erfordert.

Zu den typischen Anwendungsbereichen gehören:

• Netzwerkgeräte.
• Kleine Serverräume.
• IT-Systeme im Büro.
• Telekommunikationsausrüstung.
• Ausgewählte industrielle Steuerungssysteme.

4. Online-USV mit Doppelwandlung

Eine Online-USV arbeitet mit einer Doppelwandler-Architektur:

Wechselstrom → Gleichstrom → Wechselstrom

Der Gleichrichter wandelt den Wechselstrom am Eingang in Gleichstrom um.

Der Wechselrichter wandelt dann Gleichstrom in geregelten Wechselstrom um.

Die kritische Last wird normalerweise vom Wechselrichter mit Strom versorgt.

Daher ist bei einem Ausfall der Netzstromversorgung keine herkömmliche Umschaltung vom Netz auf den Wechselrichter erforderlich.

Diese Architektur wird häufig für kritische Anwendungen in Betracht gezogen, wie zum Beispiel:

• Rechenzentren.
• Industrielle Steuerung.
• Medizinische Infrastruktur.
• Telekommunikation.
• Prozessautomatisierung.
• Kritische IT-Systeme.

5. Vergleich der USV-Topologien

Dieser Vergleich ist konzeptioneller Natur.

Die tatsächliche Leistung muss anhand der technischen Unterlagen des Herstellers und der geltenden Normen überprüft werden.

Ⅵ. USV vs. Generator: Warum sie zusammenarbeiten

1. Verschiedene Funktionen

Eine USV und ein Generator lösen unterschiedliche Stromprobleme.

Die USV sorgt für eine schnelle Überbrückung.

Der Generator liefert Energie über einen langen Zeitraum.

Ein Generator benötigt in der Regel etwas Zeit, um anzulaufen und sich zu stabilisieren.

Die USV überbrückt diese Zeitspanne.

Diese Architektur ist besonders wichtig für Anlagen, die keine Unterbrechung vertragen, aber während eines längeren Stromausfalls nicht vollständig mit Batteriestrom betrieben werden müssen.

2. Typische Architektur

Eine kritische Einrichtung kann Folgendes nutzen:

Versorgung → USV → Kritische Last

mit einem Generator, der eine alternative vorgelagerte Energiequelle bereitstellt:

Stromversorgung / Generator → USV → kritische Last

Ein typischer Ablauf sieht wie folgt aus:

1. Der Strom aus dem Netz fällt aus.
2. Das USV-Gerät erkennt den Fehlerzustand.
3. Die Batterieenergie versorgt die kritische Last.
4. Der Generator springt an.
5. Der Generator erreicht akzeptable Betriebsbedingungen.
6. Die Stromverteilung in der Anlage erfolgt entsprechend ihrer Auslegung.
7. UPS sorgt weiterhin für den Schutz der Ladung.

Die genaue Reihenfolge hängt vom ATS, vom Generator, von der USV und von der Verteilungsarchitektur der Anlage ab.

3. Die Laufzeit einer USV ist nicht mit der Laufzeit eines Generators gleichzusetzen

USV-Batterien werden häufig eher auf die erforderliche Überbrückungszeit als auf die Gesamtdauer eines längeren Stromausfalls ausgelegt.

In den UPS-Leitlinien von Eaton wird darauf hingewiesen, dass viele Standardsysteme eine interne Batterieunterstützung für kurze Zeiträume bieten, während zusätzliche Batteriemodule die Laufzeit bei Bedarf verlängern können.

Die technische Fragestellung sollte daher lauten:

Wie viel Durchfahrtszeit benötigt die Anlage?

anstatt:

Wie viele Stunden sollte der Akku halten?

Ⅶ. Wie bestimmt man die richtige Größe einer USV?

1. Beginnen Sie mit der Last

Der erste Schritt besteht darin, alle Lasten zu ermitteln, die geschützt bleiben müssen.

Eintrag:

• Spannung.
• Phase.
• Aktuell.
• kW.
• kVA.
• Leistungsfaktor.
• Einschaltstrom.
• Harmonische Eigenschaften.
• Betriebsprofil.

2. kW und kVA verstehen

USV-Anlagen werden üblicherweise in VA oder kVA angegeben.

Das Verhältnis zwischen Scheinleistung und Wirkleistung lautet:

kW = kVA × Leistungsfaktor

Zum Beispiel:

Eine Last von 100 kVA, die mit einem Leistungsfaktor von 0,9 betrieben wird, weist folgende Werte auf:

100 × 0,9 = 90 kW

Diese Berechnung allein reicht jedoch nicht aus, um die richtige USV-Nennleistung zu ermitteln.

Der Ingenieur muss außerdem Folgendes berücksichtigen:

• Leistungsfaktor-Fähigkeit der USV.
• Überlastgrenze.
• Transiente Lasten.
• Zukünftige Erweiterung.
• Redundanz.
• Betriebstemperatur.
• Batteriekonfiguration.

3. Vermeiden Sie zu große Größen

Ein sehr große USV ist nicht automatisch eine bessere USV.

Eine Überdimensionierung kann folgende Folgen haben:

• Geringe Auslastung.
• Höhere Kapitalkosten.
• Weniger effizienter Betrieb.
• Noch mehr ungenutzte Kapazität.

Das DOE weist ausdrücklich darauf hin, dass der Wirkungsgrad von USV-Anlagen je nach Auslastung variiert und dass Systeme bei geringer Auslastung einen erheblichen Teil der zugeführten Energie verschwenden können. Das DOE empfiehlt außerdem, Folgendes zu berücksichtigen: modulare USV Architekturen, bei denen Systeme unterhalb der Auslegungsbedingungen betrieben werden oder bei denen ein zukünftiges Wachstum erwartet wird.

4. Raum für zukünftiges Wachstum schaffen

Ein wachsendes Rechenzentrum oder eine wachsende Fabrik kann in Zukunft eine deutlich höhere Auslastung aufweisen als derzeit.

Ingenieure können Folgendes in Betracht ziehen:

• Modulare USV.
• Parallele USV-Systeme.
• N+1-Redundanz.
• Erweiterbare Batteriesysteme.
• Zusätzliche Leistungsmodule.

Eine modulare Architektur ermöglicht es, die Kapazität entsprechend der Auslastung zu erweitern.

Ⅷ. Wie berechnet man die Laufzeit einer USV?

1. Grundlegende Informationen zur Batterieenergie

Eine vereinfachte theoretische Berechnung lautet:

Batterieenergie ≈ Batteriespannung × Batteriekapazität

Beispielsweise weist eine Batteriebank mit einer Nennleistung von 240 V und einer Kapazität von 100 Ah folgende Eigenschaften auf:

240 × 100 = 24.000 Wh

oder ungefähr:

24 kWh Nennspeicherenergie

Das bedeutet jedoch nicht, dass an der Wechselstromlast 24 kWh zur Verfügung stehen.

2. Praktische Laufzeit

Eine vereinfachte Schätzung lautet:

Laufzeit ≈ nutzbare Akkuenergie × USV-Wirkungsgrad ÷ Lastleistung

Das Ergebnis ist lediglich eine technische Annäherung.

Die tatsächliche Laufzeit wird beeinflusst durch:

• Entladungsrate der Batterie.
• Batterietemperatur.
• Alter der Batterie.
• Batteriechemie.
• Wirkungsgrad der USV.
• Gleichstrom-Abschaltspannung.
• Lastkennlinien.
• Batteriekonfiguration.

Daher sollten für die endgültige Auslegung die Laufzeitkurven des Herstellers herangezogen werden.

3. Beispiel

Angenommen:

• Nennkapazität der Batterie: 24 kWh.
• Geschätzter nutzbarer Anteil: 80%.
• Wirkungsgrad der USV: 90%.
• Leistung: 10 kW.

Eine vereinfachte Schätzung lautet wie folgt:

24 × 0,80 × 0,90 ÷ 10 = 1,728 Stunden

Dies ist keine garantierte Laufzeit.

Das tatsächliche Ergebnis kann abweichen, da die Batteriekapazität nicht unter allen Entladungsbedingungen ein festes Energiereservoir darstellt.

Das Beispiel dient eher der Veranschaulichung der Berechnungsmethode als der Angabe eines allgemeingültigen Leistungswerts.

Ⅸ. Wirkungsgrad und Energieverbrauch von USV-Anlagen

1. Der Wirkungsgrad hängt von den Betriebsbedingungen ab

Der Wirkungsgrad der USV hängt von den Betriebsbedingungen ab.

Zu den wichtigen Faktoren zählen:

• Auslastungsprozentsatz.
• Betriebsart.
• Eingabebedingungen.
• Leistungsfaktor.
• Auslegung des Wandlers.
• Anforderungen an die Kühlung.

Das DOE weist ausdrücklich darauf hin, dass der Wirkungsgrad von USVs von der Auslastung abhängt und dass Systeme, die mit geringer Auslastung betrieben werden, einen erheblichen Teil der Eingangsenergie durch USV-Verluste verlieren können.

2. Warum der Teillastbetrieb wichtig ist

Man stelle sich eine Einrichtung vor, die deutlich mehr USV-Leistung installiert, als sie derzeit benötigt.

Die USV kann über Jahre hinweg mit einem geringen Prozentsatz ihrer Nennleistung betrieben werden.

Je nach Bauart der USV kann dies zu einem Wirkungsgradverlust führen.

Daher, UPS-Auswahl erfordert ein Gleichgewicht zwischen:

• Stromaufnahme.
• Zukünftiges Wachstum.
• Effizienz.
• Redundanz.
• Kapitalkosten.
• Wartungsstrategie.

3. Modulare USV

Modulare USV-Systeme können diese Herausforderung bewältigen.

Die Kapazität kann modular bereitgestellt werden, anstatt die gesamte zukünftige Kapazität bereits am ersten Tag zu installieren.

Dieser Ansatz kann die Kapazitätsauslastung verbessern und Erweiterungen vereinfachen.

Das DOE nennt modulare USV-Anlagen ausdrücklich als Option für Anwendungen mit zukünftigem Wachstum oder einem Dauerbetrieb unterhalb der Auslegungskapazität.

Ⅹ. USV vs. Spannungsstabilisator

1. Grundlegender Unterschied

Eine USV dient in erster Linie dazu, Stromversorgungssicherheit und Notstromversorgung durch gespeicherte Energie.

A Spannungsstabilisator bietet in erster Linie Spannungsregelung.

Eine Spannung Stabilisator kann bei einem Stromausfall in der Regel keine batteriegestützte Stromversorgung gewährleisten.

Eine USV kann zwar eine Spannungsregelung bieten, doch hängt diese Fähigkeit von ihrer Topologie ab.

2. Technischer Vergleich

Diese Unterscheidung ist in Industrieanlagen von Bedeutung.

An einem Standort mit starken Spannungsschwankungen, aber zuverlässiger Netzversorgung, kann eine Spannungsregelung erforderlich sein.

Ein Standort mit häufigen Stromausfällen benötigt möglicherweise eine USV.

Ein Standort, an dem beide Probleme auftreten, benötigt möglicherweise aufeinander abgestimmte Stromschutzvorrichtungen.

BKPOWER stellt bereits separate technische Inhalte bereit, in denen die Unterschiede zwischen USV-Anlagen und Spannungsstabilisatoren erläutert werden.

Ⅺ. Wo werden USV-Anlagen eingesetzt?

1. Datenzentren

Rechenzentren setzen USV-Anlagen ein, um kritische IT- und Infrastrukturlasten zu schützen.

Zu den typischen geschützten Geräten gehören:

• Server.
• Lagerung.
• Netzwerk-Switches.
• Sicherheitssysteme.
• Steuerungssysteme.
• Wichtige Überwachungsgeräte.

Eine USV kann zudem die Zeit zwischen einem Stromausfall und der Verfügbarkeit des Generators überbrücken.

In Anlagen mit hoher Verfügbarkeit können USV-Anlagen Teil von N+1- oder anderen redundanten Stromversorgungsarchitekturen sein.

2. Industrielle Automatisierung

Die industrielle Automatisierung kann empfindlich auf kurze Stromstörungen reagieren.

Zu den typischen Lasten gehören:

• SPS.
• SCADA-Systeme.
• Industrie-PCs.
• Sensoren.
• Steuerungsnetzwerke.
• Instrumentierung.
• Prozessleitsysteme.

Je nach Lastverhalten kann eine kurze Unterbrechung zu einem Reset des Reglers oder zu einer Prozessunterbrechung führen.

Die wirtschaftlichen Auswirkungen könnten weitaus größer sein als die Energiekosten des Ausfalls selbst.

3. Gesundheitswesen

In Gesundheitseinrichtungen gibt es elektrische Verbraucher mit unterschiedlichem Kritikalitätsgrad.

USV-Systeme unterstützen möglicherweise ausgewählte:

• Medizinische Elektronik.
• IT-Systeme.
• Überwachungsgeräte.
• Kommunikationssysteme.
• Steuerungsausrüstung.

Die konkrete Auslegung der USV muss den für die Anlage geltenden elektrischen und sicherheitstechnischen Anforderungen entsprechen.

UL Solutions nennt das Gesundheitswesen, Rechenzentren, Serverräume, die Telekommunikation und Finanzinstitute als Anwendungsbereiche für USV-Anlagen.

4. Telekommunikation

Telekommunikationssysteme sind auf eine hohe Verfügbarkeit angewiesen.

USV-Anlagen können Folgendes schützen:

• Netzwerkgeräte.
• Kommunikationsgeräte.
• Datenübertragungssysteme.
• Steuerungssysteme.

Akkulaufzeit und Fernüberwachung sind für dezentrale Anlagen besonders wichtig.

5. Finanzen und Unternehmens-IT

Finanzinstitute und IT-Systeme von Unternehmen können äußerst anfällig für Stromausfälle sein.

Eine USV kann Folgendes unterstützen:

• Server.
• Netzwerkinfrastruktur.
• Lagerung.
• Kommunikationssysteme.
• Transaktionssysteme.

Die erforderliche Architektur hängt von der Kritikalität der Anwendung ab.

Ⅻ. So wählen Sie die richtige USV aus

1. Definition der kritischen Last

Beginnen Sie nicht damit, ein USV-Modell auszuwählen.

Ermitteln Sie zunächst, welche Geräte tatsächlich geschützt werden müssen.

Lasten sind wie folgt zu klassifizieren:

• Kritisch.
• Wichtig.
• Unkritisch.

Dadurch lässt sich unnötige USV-Kapazität vermeiden.

2. Ermittlung der elektrischen Anforderungen

Sammeln:

• Eingangsspannung.
• Ausgangsspannung.
• Phasenkonfiguration.
• Häufigkeit.
• kW.
• kVA.
• Leistungsfaktor.
• Einschaltstrom.
• Harmonische Eigenschaften.

3. Wählen Sie die Topologie aus

Dies ist ein erster Rahmen.

Bei der endgültigen Auswahl müssen die tatsächlichen elektrischen und betrieblichen Anforderungen berücksichtigt werden.

4. Laufzeit ermitteln

Stellen Sie fest, für welchen Zweck die USV vorgesehen ist:

• Unterstützt das kontrollierte Herunterfahren.
• Brückengenerator starten.
• Einen Prozess über einen festgelegten Zeitraum aufrechterhalten.
• Sorgen Sie für eine umfassende Datensicherung.

Die Laufzeit sollte anhand der Belastung berechnet und mit den Herstellerangaben abgeglichen werden.

5. Redundanz prüfen

Bei kritischen Einrichtungen sollten Sie Folgendes berücksichtigen:

• N.
• N+1.
• 2N.
• Verteilte redundante Architekturen.

Die richtige Architektur hängt von den Verfügbarkeitsanforderungen der Anlage ab.

6. Überprüfung der geltenden Normen

Die Norm IEC 62040-1 befasst sich mit den Sicherheitsanforderungen für USV-Anlagen.

Die Norm IEC 62040-3 befasst sich mit der Leistung und Prüfung von USV-Anlagen.

Die aktuelle konsolidierte Fassung der Norm IEC 62040-1 gilt für USV-Anlagen mit Energiespeicher innerhalb des festgelegten Anwendungsbereichs und legt Sicherheitsanforderungen fest.

Für Anwendungen in Nordamerika bildet die Norm UL 1778 einen wichtigen Rahmen für die Sicherheitsbewertung und Zertifizierung von USV-Anlagen. UL Solutions beschreibt UL 1778 als die Norm für unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme.

Die konkreten Konformitätsanforderungen hängen vom Zielmarkt, der Installation, der Produktkonstruktion und den Projektspezifikationen ab.

XIII. Häufige Fehler bei der Auswahl von USV-Anlagen

1. Auswahl ausschließlich nach kVA

kVA ist wichtig, aber es ist nicht das einzige Kriterium bei der Auswahl.

Ingenieure sollten außerdem Folgendes prüfen:

• kW.
• Leistungsfaktor.
• Einschaltstrom.
• Lastprofil.
• Überlastfähigkeit.
• Zukünftiges Wachstum.
• Redundanz.

2. Unter der Annahme, dass alle USV-Anlagen eine Übergangszeit von Null haben

Dies ist eines der häufigsten technischen Missverständnisse.

Eine Standby- oder lineinteraktive USV erfordert bei bestimmten Störungen in der Regel eine Umschaltung zwischen den Stromversorgungswegen.

Eine Online-Doppelwandler-USV versorgt die Last normalerweise über ihren Wechselrichter.

Daher bestimmt die Architektur die Bedeutung und den Stellenwert der Übertragungszeit.

3. Angenommen, eine USV ersetzt einen Generator

Eine USV ist in der Regel für eine kurzzeitige Überbrückung ausgelegt, es sei denn, es wurde speziell ein System mit erweiterter Batteriekapazität entwickelt.

Ein Generator kann eine wesentlich längere Energieversorgung gewährleisten.

Im Bereich der kritischen Infrastruktur ergänzen sich die beiden Technologien häufig.

4. Den Zustand der Batterie ignorieren

Die Nennleistung einer Batterie garantiert nicht unter allen Bedingungen die gleiche nutzbare Energie.

Temperatur, Alter, Entladungsrate und Batteriekonfiguration spielen eine Rolle.

5. Überdimensionierung der USV

Eine Überdimensionierung kann die Investitionskosten erhöhen und bei geringer Auslastung die Betriebseffizienz verringern.

Das DOE empfiehlt ausdrücklich, bei der Bewertung der Energieeffizienz von USV-Anlagen die Last- und Modulararchitekturen zu berücksichtigen.

6. Die USV als gesamtes Schutzsystem betrachten

Eine USV sollte in der Regel als eine Ebene einer umfassenderen Stromversorgungsarchitektur betrachtet werden.

Weitere Ebenen können sein:

• Überspannungsschutz.
• Erdung.
• Bindung.
• Stromkreisschutz.
• Stromerzeugungsanlagen.
• Redundanz bei der Verteilung.
• Überwachung.
• Klimatisierung.
• Batterieschutz.

XIV. Was macht ein USV-System zuverlässig?

1. Korrekte elektrische Architektur

Zuverlässigkeit beginnt bereits bei der Systemkonzeption.

Zu den wichtigen Aspekten gehören:

• Geeignete Topologie.
• Richtige Kapazität.
• Batteriekonfiguration.
• Bypass-Architektur.
• Koordination des Schutzes.
• Verteilungsentwurf.

2. Wärmemanagement

Die Leistungselektronik von USV-Anlagen erzeugt Wärme.

Temperaturbedingungen können sich auf die Lebensdauer der Komponenten und die Akkuleistung auswirken.

Der USV-Raum muss daher entsprechend gestaltet werden.

3. Batteriemanagement

Das Batteriemanagement sollte Folgendes umfassen:

• Überwachung.
• Richtiges Aufladen.
• Temperaturmanagement.
• Regelmäßige Überprüfung.
• Angemessene Prüfungen.
• Geplanter Austausch.

4. Überwachung und Kommunikation

Moderne USV-Anlagen können Folgendes bieten:

• Eingangsspannung.
• Ausgangsspannung.
• Häufigkeit.
• Auslastungsprozentsatz.
• Zustand der Batterie.
• Alarmstatus.
• Geschätzte Laufzeit.

Dank der Netzwerkverbindung können Anlagenbetreiber das System aus der Ferne überwachen.

5. Wartung

Eine USV sollte nicht als wartungsfreie Infrastruktur betrachtet werden.

Je nach Systemauslegung kann die Wartung Folgendes umfassen:

• Batterieprüfung.
• Prüfung der Kondensatoren.
• Überprüfung des Kühlsystems.
• Verbindungsprüfungen.
• Alarmprüfung.
• Wartung der Firmware oder des Überwachungssystems.
• Vorbeugende Wartung.

ⅩⅤ. BKPOWER-USV-Lösungen

Das aktuelle USV-Portfolio von BKPOWER umfasst USV-Anlagen mit Netzfrequenz, Hochfrequenz-USV-Anlagen, Rack-USV-Anlagen, modulare USV-Anlagen, line-interaktive USV-Anlagen, USV-Batterien und Batterieschränke. Das modulare Sortiment umfasst dreiphasige Online-Doppelwandler-Systeme in verschiedenen Leistungskonfigurationen.

BKPOWER veröffentlicht außerdem Fachartikel zu den Themen USV-Topologie, Laufzeit, Leistungsfaktor von USV-Anlagen, Auswahl industrieller USV-Anlagen sowie zum Zusammenhang zwischen USV-Anlagen und Spannungsstabilisierung.

Bei einem Ingenieurprojekt sollte sich der Auswahlprozess auf folgende Aspekte konzentrieren:

• Tatsächliche Last.
• kW und kVA.
• Leistungsfaktor.
• Einphasige oder dreiphasige Architektur.
• Erforderliche Autonomie.
• Versorgungsqualität.
• Lastempfindlichkeit.
• Redundanz.
• Umgebungsbedingungen.
• Batterietechnologie.
• Zukünftige Erweiterung.
• Anwendbare Normen.

Für industrielle Anwendungen können Online-USV- und Netzfrequenz-USV-Architekturen anhand der Lastmerkmale, der elektrischen Umgebung und der erforderlichen Verfügbarkeit bewertet werden.

XVI. Abschließende technische Erkenntnisse

Also, Was macht eine USV?

Die kurze Antwort lautet:

Eine USV gewährleistet die unterbrechungsfreie Stromversorgung kritischer Verbraucher, wenn die normale Stromversorgung ausfällt oder nicht mehr den Anforderungen entspricht.

Die technische Antwort ist umfassender.

Eine USV vereint:

• Stromumwandlung.
• Energiespeicherung.
• Wechselrichtertechnologie.
• Steuerungssysteme.
• Umschalten.
• Schutz.
• Überwachung.

Die Leistung hängt von der Topologie, der Auslastung, der Batteriekonfiguration, dem Betriebsmodus und der Systemarchitektur ab.

Für einen einfachen Computer kann eine Standby- oder lineinteraktive USV ausreichenden Schutz bieten.

Für ein Rechenzentrum oder ein industrielles Steuerungssystem kann eine Online-Doppelwandler-USV in Betracht gezogen werden, da der Wechselrichter die Last im Normalbetrieb kontinuierlich versorgt.

Bei einer Anlage mit längeren Stromausfällen kann eine USV zusammen mit einem Generator eingesetzt werden.

An einem Standort mit starken Spannungsschwankungen, aber geringem Ausfallrisiko kann ein Spannungsstabilisator einen anderen Aspekt des Stromversorgungsproblems lösen.

Die richtige USV sollte daher nicht allein anhand der kVA-Leistung ausgewählt werden.

Ingenieure sollten Folgendes bewerten:

• Last in kW.
• Last in kVA.
• Leistungsfaktor.
• Phasenkonfiguration.
• Spannung und Frequenz.
• Einschwingverhalten.
• Erforderliche Laufzeit.
• Batterietechnologie.
• Effizienz.
• Bypass-Architektur.
• Redundanz.
• Umgebungsbedingungen.
• Geltende Sicherheits- und Leistungsstandards.

Die Norm IEC 62040-1 legt Sicherheitsanforderungen für USV-Anlagen fest, während die Norm IEC 62040-3 Anforderungen an die Leistung und Prüfung von USV-Anlagen enthält.

Am zuverlässigsten ist es, die USV als Teil eines Architektur für den Schutz kritischer Stromversorgungen, nicht nur als Batteriekasten.

Dieser Ansatz ermöglicht es Ingenieuren, Stromversorgungssicherheit, Stromqualität, Batterieenergie, Generatorintegration, Redundanz, Effizienz und Lebenszyklusmanagement in einem einheitlichen Konzept zu vereinen.

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