Antriebe, Steuerung, Komponenten

Unterbrechungsfreie Versorgung mit Elektroenergie

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung USV (Uninterruptable Power Supply UPS) stabilisiert für Verbraucher bei Netzausfällen oder -störungen zeitlich befristet die benötigte Wechsel- oder Gleichspannung.

Bild 1

Notwendig wird diese Zusatztechnik auch infolge der Öffnung des Strommarktes, wegen der Verkettung der Übertragungsnetze, aber ebenfalls durch Defekte einer hauseigenen Stromversorgung.

Zu Ausfällen gesellen sich auszugleichende Abweichungen von der Sinusform, die Schaltvorgänge, nichtlineare Verbraucher, Gewitter u.ä. erzeugen.

Die kostenträchtige Abhängigkeit der einwandfreien Funktion (Datenaustausch, -sicherung, geordnetes Stillsetzen, Sicherheit - Safety, Fertigungsgüte etc.) von der Betriebsspannung (Amplitude, Frequenz, Zeitverlauf) wird meist mit einer statischen USV, deren Kern Akku oder Kondensator sind, zuverlässig vermieden. In der "intelligenten" Versorgung (Smart Grid) beherrschen USV Auswirkungen volatiler Erzeuger.

Nicht zu verwechseln ist die USV mit der Netzersatzanlage NEA, einer stationären oder mobilen Notstromversorgung größerer Leistung.

Anforderungen

Trotz der hohen Versorgungssicherheit in Deutschland treten Netzstörungen statistisch bis zu 150 Mal pro Jahr im Bereich > 0 ms bis 1 h auf. Um trotzdem die hohe Verfügbarkeit der automatisierten Anlage/Maschine zu gewährleisten, ist die Energieversorgung bereits in ihre Planungsphase einzuschließen.

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USV-Eigenschaften (Tabelle - siehe am Ende des Textes) bestimmt der Einsatzzweck. Grundsätzlich wird zwischen projektiertem Industrie- und kommerziellem Standard-Einsatz getrennt. Insbesondere die unterschiedlichen Lebensdauerforderungen (Industrieanlage > 20 Jahre, Computersystem < 10 Jahre) sind technisch und wirtschaftlich zu untersetzen. Zudem bestehen zahlreiche mechanische und elektrische Unterschiede.

Schaltungsprinzipien

Der Kern der AC-Lösung mit spannungsgeführtem Puls-Umrichter besteht im ent-/aufladbaren Stütz-Akkumulator, dessen Gleichspannung im Störungsfall wechselgerichtet befristet bereitsteht. Nach der Netznormalität wird der Sammler über den bidirektional arbeitenden Wechselrichter WR wieder gefüllt.

Von den bekannten Anordnungen (Bild 1) sind On-Line- und Line-Interactive-Version verbreitet. Die Doppelwandlertechnik entkoppelt Netz und Verbraucher hinsichtlich flüchtiger Störungen (Spannungsspitzen, Oberschwingungen u.ä.). Eine vereinfachte Energieumformung zeichnet das kostengünstige Konzept Line Interactive aus. USV arbeiten im

  • Monoblockbetrieb - die On-Line-USV zwischen Netz und Verbraucher erzeugt ein entkoppeltes Netz;
  • Parallelbetrieb - Parallelschaltung skalierbarer Monoblockanlagen zur Leistungserhöhung;
  • redundanten Halblastparallelbetrieb - bei Ausfall einer Teil-USV übernimmt die verbleibende Schaltung die Versorgung der zu reduzierenden Last.

Die seltener genutzte Variante mit Schwungrad arbeitet line-interactive bei Speisung mit einem Synchrongenerator.

Der aufwendigen Gesamtanlagen-AC-USV steht die Alternative der Pufferung lediglich wichtiger Komponenten wie der Informationselektronik gegenüber. Ihre Gleichspannung kann sowohl mit Akku, für kurze Dauer (etwa zum Einnehmen eines definierten Notzustandes) mit Doppelschichtkondensatoren (SuperCaps) gestützt werden. Bei einem Antriebsumrichter speist der Zwischenkreis einen DC/DC-Umsetzer. Fällt das Netz aus, lädt die Bremsenergie seinen Kondensator, der dadurch befristet die Informationselektronik versorgt (Bild 2).

Schutz vor Spannungsausfall bietet neben der NEA gleichfalls das autonome NS-Ersatznetz. Bei Zusammenarbeit mit der USV lassen sich Stromrichter und Akku-Größe minimieren, da im Störungsfall nämlich lediglich die Umschaltzeit ( <10 ... 50 sec) zu überbrücken wäre.

Bevorzugt leistungsstarke Ausführungen bedingen zur präzisen Überwachung einen Industrie-PC in Kombination mit Power Management Softeware und Power Distribution Units. Er steuert Shutdown und Wiedereinschaltung.

Ausblick

Die Bedeutung der USV nimmt im Hinblick auf den strukturellen Wandel der Energieversorgung zu. Verbesserte Spannungsqualität, gesteigerte Stützungszeit bei höherem Wirkungsgrad versprechen modulare Anlagen mit Brennstoffzellen (Bild 3; perspektivisch könnten sie sogar zusätzlich CO2 abfangen www.fuelcellenergy.com) oder supraleitende magnetische Speicher (SMES). Aktuelle USV-Generationen kennzeichnen verminderte Verluste (η ≤ 0,97, www.apc.com), so dass die DC-Variante neu zu bewerten ware (vgl. DC-USV von www.weidmueller.com). Sofern netzstabilisierende Vier-Quandranten-Steller (Activ Front End AFE) zum Einsatz kommen, entfallt hinsichtlich kurzer Storungen die USV ganzlich.

Joachim Krause


Tabelle: Anforderungen/Lastenheftvorgaben (DIN EN 50091, T. 1, DIN VDE 0558, T. 510; IEC 62040-3)


- Aufwand:
Platzbedarf, Installation, Wartung/Fern-/Selbst-Überwachung, Kühlung, Modularität/Skalierbarkeit, Umweltfreundlichkeit (Geräusch, Netzrückwirkung, Wärme), Inbetriebsetzung

- Bemessung

  • Autonomie-/Überbrückungszeit mit Fähigkeit zum kontrollierten Stillsetzen (Shutdown bei vorgegebener Restkapazität des Akkus)
  • Stützung Last- oder Komponentenbetrieb (AC oder DC; Liste abzusichernder Geräte, Stabilität)
  • Pufferung mit Akku oder Kondensator
  • Ausgangsleistung mit Reserve (Überlastbarkeit)
  • Ausgangsspannungsform
  • Wirkungsgrad/Energieeffizienz
  • temperaturabhängige Ladung des Akkus, Reservekapazität
  • Schutz gegen Spannungsspitzen, Blitzeinwirkung, Oberschwingungen, Frequenzänderungen u. ä., Kennung mit Voltage and Frequency Independent-Code VFI und nach IEC/EN 62040
  • Crest-Faktor
  • Einhaltung Netzanschlussbedingungen/-rückwirkungen, Trenntrafo zur Potentialtrennung (Industrieeinsatz)
  • Bewertung Power Usage Effectivness PUE
  • Einsatzbedingungen mit EMV
  • Lebensdauer (Temperatureinfluss auf Akku)
  • kontrollierte Umschaltung
  • Prognose-/Diagnosefunktion (z. B. Akku-Lebensdauer)
  • Interaktivitätsmerkmale (Vernetzbarkeit, Anzeigen u. a.)
  • Zuverlässigkeit, Redundanz (Versorgungssicherheit)
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