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Unterbrechungsfreie Stromversorgungen: USV-Technologien im Vergleich

| Autor / Redakteur: Martin Grolms * / Thomas Kuther

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung ist in kritischen und anspruchsvollen Anlagen unentbehrlich. Stellt sich nur die Frage: Welche ist die richtige USV-Technologie für die jeweilige Anwendung?

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Bild 1: Ein USV-System liefert selbst dann idealen Strom, wenn die Eingangsspannung von schlechter Qualität ist.
Bild 1: Ein USV-System liefert selbst dann idealen Strom, wenn die Eingangsspannung von schlechter Qualität ist.
(Bild: AEG Power Solutions )

Zuverlässige Energieversorgung ist eine der wichtigsten Wachstumskriterien in der Industrie. Bis heute ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung ein unentbehrlicher Bestandteil vieler Anwendungen, denn die Ausfallsicherheit von kritischen und anspruchsvollen Anlagen oft unbezahlbar.

Wurde bis vor kurzem noch strikt zwischen IT und Produktion getrennt, hat die Digitalisierung heute nahezu alle Prozesse durchdrungen. Digitale Komponenten kontrollieren, analysieren und optimieren nahezu alle Industriebereiche. Das spart Kosten, beschleunigt Prozesse und verbessert die Produkte.

Doch mit steigender Vernetzung einhergehend ist die Industrie anfälliger gegenüber Netzschwankungen und Stromausfällen. Damit durch diese keine wichtigen Daten verloren gehen, empfindlichen Anlagen ein Defekt droht, teure Maschinen ausfallen, die Umwelt oder gar die Sicherheit von Menschen gefährdet wird, stellt eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) die Versorgung kritischer Anwendungen sicher.

Größere Stromausfälle kommen in Westeuropa relativ selten vor. Durch das Schalten großer Ströme entstehen aber ständig ungewollte Rückwirkungen im Stromnetz. So rufen Kurzschlüsse und Einschaltströme oder größere Elektromotoren Spannungsabsenkungen hervor. Spannungsanhebungen treten durch das Abschalten großer Lasten oder durch Blitzeinschläge induzierte Ströme auf.

Die Energieversorger regeln die Netzspannung und die Netzfrequenz an den Einspeisepunkten des Stromnetzes zwar ständig nach, gleichen dadurch jedoch nur die Summe der Störungen aus. Eine USV gleicht lokale Schwankungen und Ausfälle aus, indem sie angeschlossene Verbraucher mit elektrischer Energie aus Batterien speist, die als Zwischenspeicher sauberen Strom liefern. Das USV-System liefert selbst in solchen Situationen idealen Strom, in denen die Eingangsleistung von schlechter Qualität ist, z.B. bei Unterspannungen, Überspannungen, Schwankungen der Eingangsfrequenz, Oberwellen oder Spannungsspitzen (Bild 1).

Alle kritischen Verbraucher sichern

Diese Batterien stellen zudem ausreichend lange Strom bereit, um bei Netzausfall die Versorgungslücke zu schließen – entweder bis die Netzversorgung wiederhergestellt ist oder ein Generator anläuft.

Abweichungen und Aussetzer in der Stromversorgung treten viel häufiger auf als allgemein vermutet. Die Konsequenzen sind Rechnerabstürze, Datenverlust und kostenintensive Ausfälle von Produktionsmitteln. Eine unterbrechungsfreie Gleichstrom- oder Wechselstromversorgung benötigen daher alle Anwendungen, die kritische Verbraucher sichern müssen.

USV-Anlagen finden in Krankenhäusern, Kraftwerken und Industrieanlagen, Leitstellen im Verkehrswesen oder in Rechenzentren Verwendung, mittlerweile ebenso in Büros oder gar vernetzten Haushalten. Stromausfälle oder eine unzuverlässige Stromversorgung haben dabei zur Folge, dass Anlagen, Daten und Personensicherheit auf dem Spiel stehen. Neben finanziellen Ausfällen kann dies im Industriebereich verheerende Auswirkungen auf Umwelt und Menschenleben haben.

Die Qual der Wahl: Monoblock oder modulare USV

Unterschiedliche USV-Topologien und Architekturen berücksichtigen die verschiedenen Sicherheitslevels und spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung. Weitere wichtige Kriterien einer USV sind Energieeffizienz, Dimensionierung, Wartung, Belastbarkeit und Zuverlässigkeit, zukünftige Skalierbarkeit und natürlich die Anschaffungskosten. Als Betriebsmittel ist es besonders wichtig, die Gesamtbetriebskosten heranzuziehen. Sie sollten die Anschaffungskosten von USV und Batteriesystem sowie die erforderliche Infrastruktur, inklusive Unterverteilungen, Kabel, Generatoren etc. beinhalten.

Darüber hinaus müssen die jährlichen Betriebskosten für Wartung, Verschleißteile und Wirkungsgrad berücksichtigt werden – schließlich hat ein typisches USV-System eine Betriebsdauer von 10 bis 15 Jahren und mehr. Die Wahl der USV-Architektur zwischen herkömmlichen Monoblock- und modularen USV-Anlagen sowie transformatorlosen oder transformatorbasierten Systemen kann dadurch erhebliche Unterschiede aufweisen.

Prinzipiell sind Monoblock- und modulare USV-Systeme ähnliche Architekturen und werden je nach Leistungsklasse und Anforderungen der Lasten unterschiedlich eingesetzt. Im industriellen Einsatz befinden sich derzeit etwa 80% Monoblöcke, 15% modulare USV und 5% integrierte Schaltschrank-Lösungen. Das modulare Konzept stammt aus dem Telekommunikationsmarkt und ist daher in Rechenzentren und anderen IT-Anwendungen sehr beliebt. Aktuell gewinnen allerdings modulare USV-Systeme auch in industriellen Anwendungen an Bedeutung.

Monoblocks bei genau definierter Infrastruktur

Monoblock-USVen sind in sich geschlossene Systeme und bieten daher wenig Spielraum hinsichtlich nachträglicher Dimensionierung der Leistung und zukünftiger Skalierbarkeit. Sie sind in diskreten Größen von weniger als 10 kVA bis etwas über 1000 kVA erhältlich. Ein Monoblock-System kann dabei einzeln oder in Parallelschaltung zur Leistungs- oder Redundanzerhöhung eingesetzt werden, um die Ausfallsicherheit für mehrere MVA zu gewährleisten.

Die Monoblock-USVen werden für Industrieanwendungen in der Regel mit Transformatoren eingesetzt. Hier überwiegen die Vorteile durch galvanische Trennung und die saubere Ausgangsspannung. Im Störungsfall genauso wie bei Netzspannungsstörungen stellt die solide und fehlertolerante Konstruktion eine stabile Versorgung sicher. Die bewährte Technologie bietet maximale Robustheit und souveräne Stromversorgung für kritische Anwendungen selbst in rauen Einsatzgebieten. Gegenüber trafolosen Systemen weisen sie allerdings eine höheres Gewicht und größere Stellfläche auf. Da Industrie-USVen nicht in Reinraumumgebungen zum Einsatz kommen, sind sie meistens mit einem äußerst widerstandsfähigen Gehäuse ausgestattet, das gegen Staub, hohe Temperaturen usw. beständig ist.

Bild 2: Monoblock USV wie Protect 8 von AEG PS bieten bewährte und zuverlässige Technologie für eine genau definierte Infrastruktur.
Bild 2: Monoblock USV wie Protect 8 von AEG PS bieten bewährte und zuverlässige Technologie für eine genau definierte Infrastruktur.
(Bild: AEG Power Solutions )

Die Auslegung der Anlage und der gesamten Unterverteilung geschieht auf vorher festgelegte Spezifikationen und lässt sich im Nachhinein nur umständlich ändern. Daher werden viele Systeme für zukünftige Anforderungen zu groß dimensioniert und laufen daher nicht im optimalen Effizienzbereich (Bild 2).

Modulare USV für bessere Skalierbarkeit

Modulare USVen sind in der Regel transformatorlos und somit noch effizienter. Ein System besteht aus mehreren intern parallel arbeitenden USV-Modulen sowie einem zentralen Bypass-Modul und Batterieanschluss. Alle Module haben die gleiche Nennleistung und können problemlos zu- bzw. abgeschaltet werden. So erlaubt das modulare Konzept, die USV-Leistung flexibel an die individuellen Leistungsbedürfnisse anzupassen. Damit arbeitet die Anlage mit optimalem Wirkungsgrad.

Die einzelnen Module sind hot-swappable – also bei laufendem Betrieb auswechselbar. Die verbundenen Module erkennt das USV-System automatisch und Systemerweiterungen lassen sich minutenschnell vornehmen. Dadurch ist die Wartung einfacher: Es muss jeweils nur ein Modul entnommen und anschließend wieder installiert werden. Dies hat den Vorteil, dass alle Verbraucher selbst während der Wartung einzelner Module weiterhin durch die USV geschützt sind.

Bild 3: Schema des AEG PS Protect Plus M400. Modulare USV punkten mit integrierter Redundanz, flexibler Skalierbarkeit und Effizienz bei Teillasten.
Bild 3: Schema des AEG PS Protect Plus M400. Modulare USV punkten mit integrierter Redundanz, flexibler Skalierbarkeit und Effizienz bei Teillasten.
(Bild: AEG Power Solutions )

Die Systemleistung und die Redundanz hängen von der Anzahl der Module ab. Die automatische Lastverteilung auf alle Module innerhalb eines Systems sorgt für eine modulare n+x Redundanz, die sogar zur Lasterhöhung genutzt werden kann. Bei einem Ausfall verteilt das System die Last automatisch auf die übrigen Module und meldet den Ausfall direkt an einen Techniker. Diese inhärente Redundanz spart Platz und erhebliche Kosten, weil kein weiteres, redundantes USV-System erforderlich ist wie bei Monoblocks (Bild 3).

Die Spezifikation des Kunden entscheidet

Beide Arten von USV-Systemen können hohe Wirkungsgrade von bis zu 95,5% im Doppelwandlermodus und sogar von 98% bis 99% im ECO-Modus erzielen, bei dem allerdings der Strom nicht gefiltert wird. Modulare USV-Systeme bieten meistens einen Leerlauf- oder Ruhezustand für nicht verwendete Module, was zusätzlich die Lebensdauer verbessert. Bei der Auswahl einer USV-Technologie sind jedoch viele Faktoren zu berücksichtigen. Ein umfassender Ansatz ist wichtig, der sowohl die Investitionskosten als auch die Gesamtbetriebskosten für die gesamte Lebensdauer berücksichtigt. Abhängig von den Einsatzbedingungen, der Zuverlässigkeit und Art der zu schützenden Lasten, ergibt sich vielfach die Frage nach einer USV mit oder ohne Transformator.

Tabelle: Welche USV-Technologie die beste ist, bestimmt die Spezifikation der Aufgabe. Die USV-Technologie sollte möglichst früh in der Entwicklungsphase der Gesamtanlage berücksichtigt werden.
Tabelle: Welche USV-Technologie die beste ist, bestimmt die Spezifikation der Aufgabe. Die USV-Technologie sollte möglichst früh in der Entwicklungsphase der Gesamtanlage berücksichtigt werden.
(Bild: AEG Power Solutions )

„Es kommt auf die Aufgabe an“, erklärt Juha Lantta, Produktmanager für modulare USV bei AEG Power Solutions. „AEG bietet deshalb sowohl Monoblock- als auch modulare Lösungen an sowie transformatorbasierte und transformatorlose, um den tatsächlichen Bedürfnissen der Kunden gerecht zu werden.“

„Es gibt keine bessere oder schlechtere Technologie. Die Spezifikation des Kunden definiert, welche Technologie passt“, bestätigt Alain Boussant, Vertriebsleiter bei AEG Power Solutions. „Das Konzept für die Stromversorgung kritischer Lasten sollte daher bereits während des Entwurfs der Infrastruktur und der Gesamtanlage entwickelt werden.“

Höchste Zuverlässigkeit an extrem rauen Einsatzorten

Bei der Wahl einer USV müssen Entscheider Risiken und Kosten aber auch Prognosen für die Zukunft berücksichtigen. Bis vor kurzem gab es allerdings bei rauen Einsatzgebieten keine Alternative zu einer transformatorbasierten Monoblock-USV.

„Selbstverständlich benötigen kritische Anwendungen in der Öl- und Gasindustrie oder in der petrochemischen bzw. chemischen Industrie eine 100% zuverlässige Stromversorgung, allein um Menschen und die Umwelt zu schützen“, erläutert Alain Boussant. „Genau dafür haben wir eine modulare USV entwickelt, die mit einem Transformator ausgestattet ist und dabei in einem robusten Schrank für Industrieumgebungen untergebracht ist.“

„Es gibt einige heikle Anwendungsgebiete etwa bei der Energieerzeugung“, ergänzt Juha Lantta. „Die Sicherung muss redundant und robust sein und sollte aber gleichzeitig eine lange Lebensdauer bei minimierten Betriebskosten bieten. Unsere hybride Lösung, also eine transformatorbasierte modulare USV, lässt sich leicht erweitern und ist dank des Industriegehäuses, unempfindlich gegenüber besonders harschen Umgebungen. Hohe Luftfeuchtigkeit, schwankende Extremtemperaturen, Salz oder Staub auf Bohrinseln oder an der Küste, das ist alles kein Problem mit Protect Flex.“

Bild 4: Protect Flex von AEG PS ist eine vollmodulare, transformatorbasierte USV mit integrierter n+x Redundanz, 1-4 Hot-Swap-fähigen Modulen, Bypass-Modul und zentralem Batterieanschluss.
Bild 4: Protect Flex von AEG PS ist eine vollmodulare, transformatorbasierte USV mit integrierter n+x Redundanz, 1-4 Hot-Swap-fähigen Modulen, Bypass-Modul und zentralem Batterieanschluss.
(Bild: AEG Power Solutions )

AEG Power Solutions hat die neue vollmodulare USV nach Industriestandard entwickelt, um den steigenden Anforderungen von Industrieanlagen gerecht zu werden. Sie müssen eine kompakte Stellfläche haben, ein hohes Maß an Zuverlässigkeit bieten und souverän in ungeschützten Umgebungen arbeiten. Protect Flex profitiert dabei von der langjährigen Erfahrung von AEG Power Solutions in der Entwicklung robuster Systeme und ermöglicht so eine höchstmögliche Zuverlässigkeit bei optimaler Verfügbarkeit. Die Betriebskontinuität erreicht das System durch hochwertige, bewährte Komponenten und einen soliden Aufbau, während die modulare Struktur die Reparaturzeiten minimiert. Die skalierbare Architektur reduziert die Investitionskosten und optimiert die Betriebskosten (Bild 4).

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 10/2020 (Download PDF)

* Martin Grolms ist Autor und Technik-Journalist in Herzogenrath.

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