USV – eine Übersicht über die Hüter der «sauberen» Spannung
Sie führen ein Schattendasein, sind aber insbesondere in kritischen Bereichen unerlässlich: Systeme, welche die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) sicherstellen. Eine Übersicht über deren Einsatz, welche Technologien es gibt und welche Faktoren es bei der Dimensionierung zu beachten gilt.
Die Abhängigkeit unserer Gesellschaft von der Stromversorgung hat in den letzten Jahren eher zu- als abgenommen. Die fortschreitende Digitalisierung ist massgelblich daran beteiligt. Obwohl das Schweizer Stromnetz im Vergleich zu anderen Ländern eine hohe Versorgungssicherheit aufweist, kann die totale Verfügbarkeit nicht garantiert werden. Liegt diese beispielsweise bei 99,999 Prozent, bedeutet dies rund 5 Minuten Stromausfall pro Jahr. Typischerweise treten diese aufgeteilt in mehreren kurzen Unterbrüchen auf. Aber auch Verunreinigungen im Stromnetz wie Spannungs- und Frequenzschwankungen können vorkommen und dazu führen, dass heikle Geräte ausfallen. Hinzu kommt die potenzielle Gefahr von in letzter Zeit immer wieder diskutierten Strommangellagen.
Wahl der geeigneten Stromversorgung
Bei der Beantwortung der Frage, ob es Massnahmen zur Sicherung der Stromversorgung benötigt, muss man sich zuerst, ähnlich wie beim Abschluss einer Versicherung, Gedanken über das Schadenspotenzial, das bei einem Stromunterbruch entsteht, machen. Die Höhe des zu erwartenden Schadens beeinflusst das zu erarbeitende Konzept. Ist das Schadenspotenzial gering, kann auf eine zusätzliche Stromversorgung verzichtet werden. Je grösser es jedoch ist, desto höher sind auch die Anforderungen an eine sichere Stromversorgung. Das Erste, was einem dazu in den Sinn kommt, ist der Einsatz einer Netzersatzanlage (z. B. Dieselgenerator). Diese kann zwar die Stromversorgung über eine längere Zeit absichern, liefert aber für heikle Verbrauche wie Server, medizinische Geräte usw. einen zu wenig stabilen Strom, um diese vor Ausfällen zu schützen. Für Geräte und Anlagen, die einen kurzen Stromunterbruch verzeihen, wie Licht, Heizungs-, Lüftungs- oder Klimaanlagen, eignet sich eine Netzersatzanlage.
Einsatz und Funktion einer USV-Anlage
So benötigen kritische Verbraucher, zusätzlich oder auch ausschliesslich, eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Diese besteht, einfach gesagt, aus Elektronik und Batterien. Die Hauptfunktion einer USV-Anlage besteht darin, den Strom vom EW- beziehungsweise Eingangs-Netz (dies kann auch eine Netzersatzanlage sein) aufzubereiten und für die kritischen Verbraucher unterbrechungsfrei am Ausgang eine «saubere» Spannung in Form einer künstlich generierten, stabilen Sinuskurve zu liefern.
Oder, anders ausgedrückt: Die USV-Anlage gewährleistet für kritische Verbraucher eine qualitativ hochwertige Stromversorgung, indem sie die Energie aus einer Stromquelle, die stark gestört sein kann, filtert und stabilisiert. Sie erzeugt also ein neues Ausgangsnetz, das unabhängig von Spannungs- und Frequenzschwankungen im Eingangsnetz ist.
Erst in zweiter Linie übernehmen die Batterien wiederum unterbrechungsfrei die Funktion zur Überbrückung von Stromausfällen. Dies kann von kürzeren (Sekunden bis Minuten) bis längeren (mehrere Minuten bis einer Stunde) oder in Ausnahmefällen sehr langen Unterbrüchen (mehrere Stunden) gehen. Dabei spricht man von der benötigten Autonomiezeit. Diese ist wiederum abhängig vom möglichen Schadenspotenzial und ob vor der USV-Anlage eine Netzersatzanlage (Generator usw.) installiert ist oder nicht.
Drei USV-Technologien
USV-Anlagen werden grundsätzlich in drei Gruppen eingeteilt: Offline-Betriebsart (VFD), Line-Interaktive-Betriebsart (VI) und Online-Betriebsart (VFI). Die Details dazu sind in der Norm IEC/EN 62040-3 geregelt.
Offline-USV (VFD) sind die kostengünstigsten USV-Anlagen. Sie bieten allerdings praktisch nur Schutz vor Stromausfall. Die Netzspannung wird laufend überwacht. Solange sich diese im erlaubten Spannungstoleranzbereich befindet, wird der Verbraucher direkt vom Netz versorgt. Wird der Toleranzbereich unter- oder überschritten oder tritt ein Stromausfall ein, erfolgt eine Umschaltung auf Batteriebetrieb, und der Wechselrichter wird aktiv. Die Umschaltzeit beträgt zwischen 2 und 8 ms. Die meisten PC-Netzteile verfügen über genügend eigene Kapazität, um einen solchen Unterbruch ohne Weiteres zu überbrücken. Die Offline-USV hat ihre Berechtigung als «Low-Cost-Version» für den Einzelarbeitsplatz mit entsprechend niedrigem Schutz.
Line-Interaktive USV (VI) sind ebenfalls Offline-USV-Anlagen, welche aber zusätzlich die Spannungsschwankungen im Netz ausregeln, ohne die Batterien zu belasten. Sie schützen also vor Stromausfällen und vor Überspannungen, werden an Einzelarbeitsplätzen und bei kleinen Mehrplatzsystemen mit Netzwerk eingesetzt. Dies erfolgt aber unter der Einschränkung, für die Verbraucher nur einen teilweisen Schutz vor Netzstörungen zu gewähren.
Online USV (VFI) bieten einen vollumfänglichen Schutz vor Stromausfall sowie Störungen im Netz. Der Strom wird doppelt umgewandelt: am Eingang von Wechselstrom in Gleichstrom, um die Batterien zu laden, danach wiederum in Wechselstrom. Den Verbrauchern wird die Energie ohne Unterbrechung zur Verfügung gestellt. Die Ausgangsspannung der USV wird so stets unabhängig vom Eingangsnetz in optimal stabilisierter, rein sinus-förmiger Form mit konstanter Frequenz abgegeben. Die Online-USV-Anlage gilt deshalb als die sicherste und zuverlässigste Lösung für kritische Anwender im IT-, Telekommunikations-, Spital- und Industrie-Bereich.
Parallele Einzelblock- oder modulare USV-Anlagen
Mehrere USV-Anlagen werden redundant angeschlossen oder bei einer modularen USV-Anlage werden mehrere Leistungsmodule in einem Schrank redundant installiert. Das Prinzip ist bei beiden Lösungen dasselbe. Im Normalbetrieb ist die Last auf allen USV-Anlagen bzw. USV-Modulen verteilt. Hat eine USV-Anlage bzw. ein Modul ein Problem, übernehmen die verbleibenden Anlagen bzw. Module vollkommen unterbrechungsfrei die Last. Ein allfälliger Systemaustausch kann ohne Shutdown erfolgen. In den letzten Jahren haben sich die modularen USV-Anlagen eher gegen die parallel geschalteten Einzelblock-USV-Anlagen durchgesetzt, da eine Erweiterung bzw. Redundanz mit kleineren Modulen bzw. Leistungen erfolgen kann.
Parallel-redundant bzw. modular betriebene Online-USV-Anlagen bieten die höchstmögliche Systemverfügbarkeit.
Bestimmung der Leistung
Die Grösse einer USV-Anlage ist abhängig von der maximal benötigten Leistung in W oder kW und die Grösse der Batterieanlage wiederum von der gewünschten Autonomiezeit bei einer bestimmten Last.
USV-Anlagen werden mit der Nennleistung in VA oder kVA angegeben. Bei älteren Systemen liegt der Leistungsfaktor zwischen 0,7 und 0,9. Bei heutigen USV-Anlagen liegt er in der Regel bei 1,0 – das heisst Scheinleistung gleich Wirkleistung (kVA gleich kW).
Die Ausgangsleistung ist immer um die Verlustleistung und die Batterieladeleistung kleiner. Das heisst, der maximale Eingangsstrom ist höher als der Nominalstrom, der am Ausgang zur Verfügung gestellt werden kann.
Um die Ausgangsleistung einer USV-Anlage zu bestimmen, sind der Leistungsbedarf der Verbraucher, allfällige Spitzen- bzw. Anlaufströme z. B. bei Motoren und der Leitungsschutz (LS) sowie deren Kurzschlusseigenschaften zu berücksichtigen.
Da eine USV-Anlage im Batteriebetrieb ein kleines Kraftwerk mit begrenzter Leistung ist, kann nur ein bestimmter Kurzschlussstrom erreicht werden. Soll im Batteriebetrieb ein bestimmter LS ausgelöst werden können, richtet sich die Grösse der USV-Anlage nicht nur nach der Last, sondern auch nach der Grösse des auszulösenden LS. Im Normalbetrieb ist dies nicht relevant, da die USV-Anlage unterbrechungsfrei auf den internen Bypass schaltet.
Da eine USV-Anlage über eine Verlustleistung verfügt und daher Abwärme abgibt, sollte auch immer an eine Kühlung des Raumes gedacht werden. Eine USV-Anlage selbst kann bei Temperaturen von 0 bis 40 Grad betrieben werden.
Autonomiezeit und Batterieaufbau
Die Autonomiezeit einer USV-Anlage ist abhängig von der Verbraucherleistung und dem Wirkungsgrad der USV-Anlage. Dieser liegt je nach Anlage im Online-Doppelwandler-Modus bei 94 bis 97,5 Prozent und im Eco-Mode-Betrieb bei bis zu 99,5 Prozent.
Je nach Wunsch und Risikoeinschätzung des Betreibers kann die Autonomiezeit kurz für baldige Shutdowns der Systeme oder länger für das Weiterarbeiten (z. B. für Operationen in Spitälern) dimensioniert werden.
Ein Standard-Batterieblock verfügt über eine Spannung von 12 V und besteht aus sechs 2-V-Zellen.
Für USV-Anwendungen werden hauptsächlich wartungsfreie, verschlossene, ventilgeregelte Blei-Säure-Batterien (VRLA-Batterien) eingesetzt. Diese sind verschlossen, und das Ventil erlaubt bei einem zu hohen Druck in der Batterie einen Gasaustritt, aber keinen Gaseintritt. Die Anforderungen an die Lüftung von Batterie-Installationen ist in der Norm EN 50272-2 geregelt.
Kapazität und Lebensdauer der Batterien
Die Kapazität wird in der Regel in Ah angegeben und ist nach Eurobat wie folgt definiert: Entladung während 10 Stunden (C10) bei 20 Grad auf eine Schlussspannung von 1,8 V pro Zelle bzw. 10,8 V pro 12-V-Batterie.
Die angegebene Lebensdauer «Design Life 10–12 Jahre» oder «Design Life 5 Jahre» zeigt gemäss Eurobat-Definition die konstruktive Lebensdauer der Batterie bei optimalen Bedingungen an und ist somit ein theoretischer Wert unter Laborbedingungen. Eine höhere Umgebungstemperatur als 20 Grad sowie das Ladeverhalten (AC-Rippel) verkürzen die Lebensdauer der Batterien. Beispielsweise verkürzt sich die Lebenserwartung bei einer Temperatur von 25 Grad um rund 30 Prozent und bei 30 Grad um rund 50 Prozent. Das bedeutet, dass sich die effektive Lebenserwartung einer 5-Jahres-Batterie bei einer Temperatur von 25 Grad auf 3,5 Jahre und bei 30 Grad auf 2,5 Jahre verkürzt. Somit erreicht eine 5-Jahres-Batterie je nach Umgebungsbedingungen erfahrungsgemäss eine Lebensdauer von 3 bis 5 Jahren. Die effektive Lebenserwartung einer 10-bis-12-Jahres-Batterie liegt zwischen 7 und 9 Jahren.
Ein Dauerthema im USV-Bereich ist der Einsatz von Lithium-Batterien. Diese haben den Vorteil, dass sie kompakter und zyklenfest sind im Gegensatz zu Blei-Batterien. Lithium-Batterien werden zwar immer wieder diskutiert, aber aufgrund des rund dreimal höheren Preises und der noch nicht wirklich geregelten Entsorgung jedoch selten eingesetzt. Bleibt abzuwarten, wie sich dieser Markt entwickelt.