Wir gehen davon aus, dass Sie sich über USV-Anlagen schon hinreichend informiert haben. Aber je mehr Sie von sogenannten USV-Spezialisten gehört haben, desto unsicherer sind Sie in Ihrer Entscheidung geworden? Dann sind Sie hier genau richtig!
Wir
behandeln hier USV-Systeme mit Leistungen ab 10 kVA aufwärts bis 4.800
kVA
(diese Seite ist noch in Bearbeitung und wird ständig
erweitert!)
Unter Autonomie wird bei USV-Anlagen die Überbrückungszeit bei Netzausfall verstanden. Die Autonomie ist abhängig von der Kapazität der verwendeten Batterieanlage und dem Belastungsgrad der USV. Bei Kurzzeitentladungen der Batterie (z.B. 10 Minuten) kann durch Halbierung der Last eine Verdreifachung der Autonomie erreicht werden. Dies hängt mit dem Entladeverhalten der Batterien zusammen. Zweckmäßigerweise wählt man für USV-Anlagen Autonomiezeiten zwischen 10 und 30 Minuten.
Die Lebensdauer der Batterie
eines USV-Systems hängt von vielen Faktoren ab. Die wichtigsten sind:
Bauart, Umgebungstemperatur,
Wechselrichterrückwirkung, Ladeverfahren, Wartung.
Die Umgebungstemperatur geht direkt in die Lebensdauer von verschlossenen
Batterien ein, bei geschlossenen Batterien steigt der Wasserverbrauch deutlich
an. Die Filterung der Gleichspannung nach dem Gleichrichter bzw. die Restwelligkeit
der Gleichspannung ist ebenso ein wesentliches Kriterium für die Lebensdauer
der Batterien. Je besser die Siebung, je geringer also die Restwelligkeit
(Ripple), desto länger ist die Lebensdauer Batterie. Allerdings machen
sich die Filterungen im DC-Zwischenkreis (wie alle Filter!) negativ im Wirkungsgrad
bemerkbar. Bei wartungsarmen bzw. offenen Batteriesystemen ist selbstverständlich
die Wartung (Nachfüllen von destilliertem Wasser) ein wesentliches Kriterium
der Lebensdauer. Die Temperatur spielt bei solchen Batteriesystemen eine eher
untergeordnete Rolle.
Grundsätzlich sind
zwei Technologien zu unterscheiden. Nickel-Cadmium- (NiCd) und Blei- (Pb)
Batterien. Für den Einsatz in USV- (auch ZSV-) Systemen sind grundsätzlich
Bleibatterien vorzuziehen, da diese aufgrund des niedrigeren Spannungshubes
(ca. 22% bei Pb, ca. 46% bei NiCd) wesentlich besser an den Arbeitsspannungsbereich
der Wechselrichter angepasst werden können.
Innerhalb der Bleibatterien gibt es wartungsfreie Batterien (VRLA) mit 5 bis
12 Jahren Konstruktionslebensdauer, wartungsarme (geschlossene) Batterien
(10 bis 15 Jahre) und offene Batteriesysteme (20 Jahre).
| Art | Type | Lebensdauer | typ. Anwendung | Eignung für USV |
|---|---|---|---|---|
| wartungsfrei verschlossen | GiV | bis 5 Jahre | Klein-USV Anlagen | nur für Klein-USV |
| wartungsfrei verschlossen | OGiV | bis 12 Jahre | USV-Anlagen mittlerer Leistungen (5-30 kVA) | mäßig gut geeignet, Vorteil: kein Nachfüllen von Wasser erforderlich |
| wartungsarm geschlossen | OPzP,
OPzS OGi |
bis 15 Jahre | USV-Anlagen ab mittlerer Leistung | >Beste Batterieart für USV- und ZSV-Anlagen. |
| offene Bleibatterie | GroE | > 20 Jahre | Notstromanlagen (DC) meist in Kraftwerken | nicht geeignet für Kurzzeitentladungen! |
Der interne (Statische)
ByPass einer USV-Anlage übernimmt unterbrechungsfrei die Versorgung der
Verbraucher im Notfall. Dieser Notfall kann eine Überlastung des Wechselrichters
oder ein Defekt an der USV-Anlage (Gleichrichter, Wechselrichter, Ausgangstrafo)
oder aber auch eine sehr große Überlast oder ein Kurzschluss an
den Verbrauchern sein. Man kann außerdem auf die
interne Handumgehung
umschalten.
Eingangsfilter können passive Oberschwingungsfilter (abgestimmte Filterkreise) oder eine elektronische PFC-Schaltung (Power Factor Correction) sein und vermindern die netzseitigen Oberschwingungsströme.
12-pulsige Gleichrichter werden aus 2 Sätzen 6-puls Gleichrichtern aufgebaut, wobei vor einem Gleichrichter ein sog. Phase-Shift Trafo geschaltet wird, der eine Phasenverschiebung der 3 Netzphasen um 30° elektrisch (bzw. ein Vielfaches von 30° el.) bewirkt. Dadurch wird elektrisch ein "6-Phasen System" erzeugt wodurch die Netzrückwirkungen entscheidend verringert werden. Die vorherrschenden Oberschwingungsströme errechnen sich aus k x p (+/- 1) und bestehen daher vorwiegend aus der 11., 13., 23., 25. Harmonischen.
Die interne Handumgehung überbrückt den statischen Bpypass mittels eines Lastschalters und verbindet die Netzeingangsspannung mit dem USV-Ausgang. Nach Einlegen der internen Handumgehung kann die USV-Anlage Eingangsseitig und Ausgangsseitig (Rückspannung!) vom Netz getrennt; sie wird meist für Wartungsarbeiten benützt. ACHTUNG: Nicht alle Teile der USV-Anlage können mit der internen Handumgehung spannungsfrei geschaltet werden.
Eine externe Handumgehung ist eine von der USV-Anlage unabhängige Bypass-Schaltung und verbindet die Netzspannung über eine Lastschalteranordnung direkt mit der USV-Verteilung. Gleichzeitig kann mit dieser Schaltung die USV-Anlage sowohl eingangs- als auch ausgangsseitig spannungsfrei geschaltet werden. Die Ausrüstung eines USV-Systems mit einer externen Handumgehung ist unbedingt anzustreben, da dadurch die komplette Anlage ohne Unterbrechung der Verbraucherspannung notfalls auch ausgetauscht werden kann.
Unter Nennleistung einer USV-Anlage versteht man die Dauerleistung
des Wechselrichters in VA (kVA). Wichtig dabei ist, dass die Nennleistung zusammen
mit dem Nenn-Leistungsfaktor (cos-phi) angegeben wird. Nennleistungsangaben
mit dem Index "CP" sind vorgetäuschte Leistungen, da hier meist
ein Leistungsfaktor von ca. 0,6 bis 0,66 vorausgesetzt wird. Seriöse USV-Anbieter
dimensionieren die Wechselrichter mit einem Nennleistungsfaktor von 0,8. Die
Umrechnung der Scheinleistung S (VA) in Wirkleistung P (W) ergibt sich aus P = S x cos-phi.
Die Nenn-Wirkleistung eines Wechselrichters ist ein Maß für dessen
max. thermische Belastbarkeit und beeinflusst die Batteriedimensionierung.
Wenn ein Anbieter z.B. eine USV-Anlage mit 30 kVA / cos-phi 0,7 anbietet, so
ist die Batterieleistung gegenüber einer Anlage mit 30 kVA / cos phi 0,8
bei gleicher Autonomie um 12,5%
geringer bemessen! Eine Nennleistungsangabe von 30 kVA-CP ergibt
eine um bis zu 25% geringer bemessene Batterie!
Unter Netzrückwirkung
versteht man die von einer USV-Anlage (oder allgemein von einem Verbraucher)
verursachten Störungen des Versorgungsnetzes (des speisenden Netzes). Die
Netzrückwirkungen entstehen durch die vom Eingangsgleichrichter erzeugten
Oberschwingungsströme,
welche über die Netzimpedanz der vorgelagerten Netzes Spannungsabfälle
entsprechend der Frequenz der Oberschwingungsströme verursachen und der
Netzspannung überlagert sind. Die Folge davon ist eine Verzerrung der Netzspannung,
welche durch den Wert THD-U (Total Harmonic Distortion of Voltage)
ausgedrückt wird. Dieser Wert darf bestimmte Grenzen nicht überschreiten.
Ganz besonders wesentlich sind die Netzrückwirkungen, wenn die USV-Anlage
von einem Ersatzstromaggregat (Dieselaggregat) versorgt wird, da in diesem Fall
die Netzimpedanz relativ hoch ist (kleine Kurzschlussleistung).
Als Gegenmaßnahmen werden oft Eingangsfilterschaltungen
bzw. 12-pulsige Gleichrichter
oder Kombinationen davon eingesetzt.
Im symmetrisch belasteten
Drehstromsystem fließt kein 50-Hz Strom am Neutralleiter.
Durch die Art der an der USV-Anlage angeschlossenen Verbraucher (Schaltnetzteile)
fließen im Drehstromsystem aber auch Ströme mit höheren Frequenzen
(ganze Vielfache von 50 Hz); sogenannte Oberschwingungsströme. Vor allem
die Dritte Harmonische Oberschwingung mit einer Frequenz von 150 Hz ist stark
ausgeprägt (siehe nachfolgende Bilder).
Im ersten Bild sieht man die typische Stromkurve eines PC-Schaltnetzteiles,
im zweiten Bild die dazugehörige Verteilung der Ströme. Aufgrund der
Tatsache, dass die Ströme des Nullsystems (das sind alle Oberschwingungsströme
deren Oberschwingungszahl durch 3 teilbar sind; 3., 6., 9., usw.) nicht über
die Außenleiter zurückfließen können, addieren sich diese
Ströme am Neutralleiter. Wie man sieht, ist der Anteil der 3. Harmonischen
rund 70% der Grundschwingung, also des 50-Hz Stromes. Addiert man nun alle drei
Phasenströme der 3. Harmonischen Oberschwingung, so fließt am Neutralleiter
also rund der doppelte Strom wie in den Außenleitern!
Dies ist bei der Auslegung des Wechselrichters bzw. der Ausgangsfilter der USV-Anlage
zu berücksichtigen. Insbesonders wirkt sich diese Oberschwingungsstrombelastung
auf die Verzerrung der Ausgangsspannung aus. USV-Anlagen mit Ausgangstransformator
sind hier mit den zugehörigen Filtern den sogenannten "eisenlosen
Anlagen" wesentlich überlegen. Außerdem beeinflussen diese Oberschwingungsströme
den Wirkungsgrad der
USV-Anlage.
Jeder nichtlineare Verbraucher entnimmt dem Netz Ströme mit nicht-sinusförmigen Verlauf. Auch die Gleichrichter von USV-Anlagen sind solche Verbraucher. Der nichtsinusförmige (aber periodische) Stromverlauf lässt sich mittels Fourieranalyse in eine Reihe von Sinusschwingungen unterschiedlicher Frequenzen zerlegen (Grundschwingung 50 Hz und Oberschwingungsströme k x 50 Hz). Bei 3~ Stromrichtern ist k gleich n x p (+/- 1), wobei n die Natürlichen Zahlen (1 bis unendlich) und p die Pulszahl ist. Die vorherrschenden Oberschwingungsströme bei 6-pulsigen Gleichrichtern haben also die Frequenzen 250 Hz (5.), 350 Hz (7.), 550 Hz. (11.), 650 Hz (13.) usw. Die Oberschwingungsströme der 5. und 7. Harmonischen sind betragsmäßig am größten und wirken sich daher besonders aus.
Es ist eine vorherrschende Unsitte, meist von Billiganbietern, die erforderliche Batteriekapazität durch Parallelschalten von mehreren 7 Ah-Blöcken (oftmals Billigbatterien der Bauart GiV) zu erreichen. Bis zu 12 Stränge parallel sind schon aufgetaucht. Eine Parallelschaltung von Batteriezweigen ist aufgrund der Unsymmetrien und Fertigungstoleranzen der Batterien nur bis 2 oder maximal 3 parallele Stränge sinnvoll und bedarf einer getrennten Absicherung und Überwachung jedes einzelnen Batteriezweiges.
Das wohl wichtigste Kriterium für den Kauf einer USV-Anlage ist das angebotene Service. Hier trennt sich auch auf dem nunmehr unübersichtlich gewordenen USV-Markt die Spreu vom Weizen. Es gibt in Österreich gerade einmal eine handvoll USV-Anbieter, die auch eine organisierte Serviceabteilung mit Ersatzteilhaltung in Österreich aufgebaut haben.
Unter Spannungshub einer
Batterie versteht man das Verhältnis der Differenz (Ladespannung - Entladeschlussspannung)
zur Nennspannung der Zelle oder des Blockes.
Beispiel: Die Ladespannung für eine OPzS Zelle beträgt 2,23 V, die
Entladeschlussspannung 1,8V. Der Spannungshub ist also 0,43V bei einer Zellen-Nennspannung
von 2V. Daher ist der prozentuale Spannungshub 0,43/2 = 21,5%.
Bei NiCd Batterien ist der Spannungshub wesentlich größer. Die
Ladespannung je Zelle beträgt meist 1,5 bis 1,55V, die Entladeschlussspannung
liegt bei 1,0 V. der Spannungshub ist daher 0,5 bis 0,55V; bezogen auf die
Nennspannung von 1,2V beträgt der prozentuelle Spannungshub daher ca.
42% bis 46%.
Entscheidend ist der Spannungshub für den Eingangsspannungsbereich des
Wechselrichters. Bei einer angenommenen Zwischenkreisspannung von 384 V benötigt
man 192 Zellen Pb oder 320 Zellen NiCd. Der Spannungsbereich des Wechselrichters
für Pb ist daher von 192x1,8V= 345V bis 192x2,27V (OGiV)
= 436V.
Für die NiCd Batterie wäre der erforderliche Eingangsspannungsbereich
jedoch 320x1,0V= 320V bis 320x1,55V = 496V.
Die Überlastbarkeit des Wechselrichters ist wichtig für kurzzeitige
Einschaltvorgänge von USV-Verbrauchern. Die Überlastfähigkeit
muss sich jedoch auf den Betrieb bei Netzausfall beziehen! Manche Hersteller
(APC, Silcon) geben jedoch die Überlastfähigkeit bei Netzbetrieb
an. Diese Angaben sind wertlos! Die Überlastfähigkeit im Wechselrichterbetrieb
soll mind. 150% für 1 Minute betragen.
Während Netzbetrieb sind USV-Anlagen im Dauerwandlerbetrieb über
den sog.Statischen
ByPass überlastsicher. Sollte am Ausgang eine sehr große
Überlast oder gar ein Kurzschluss auftreten, wird die Last synchron und
unterbrechungsfrei über diesen ByPass auf das Netz geschaltet. Nach Abklingen
der Überlast oder Wegschalten des Kurzschlusses durch die Verbrauchersicherung
wird wieder synchron und unterbrechungsfrei auf den Wechselrichter zurückgeschaltet.
Der Wirkungsgrad ist heute wohl das meistumworbene Argument für die Kaufentscheidung
einer USV-Anlage. Unter Wirkungsgrad versteht man das Verhältnis der
abgegebenen Nutzleistung zur aufgenommenen Leistung in Prozent. Bevor man
jedoch den Kauf einer Anlage wegen eines so besonders günstig erscheinenden
Wirkungsgrades in Erwägung zieht sollte man folgende Zusammenhänge
beachten:
Jeder Filter (DC-Filter, Zwischenkreisdrossel, AC-Ausgangsfilter) verbessert
die Systemeigenschaften bzw. die Lebensdauer der Batterie, vermindert aber
den Wirkungsgrad! Auch der Ausgangstrenntransformator ist ein wesentliches
Kriterium für die Spannungsgüte der Ausgangsspannung, vermindert
aber den Wirkungsgrad (sog. "eisenlose Anlagen" oder "second
generation").
Wenn Sie sich ein sicheres Auto kaufen wollen, werden Sie auch nicht das leichteste
und im Verbrauch günstigste Auto wählen, sondern einen vernünftigen
Kompromiss zwischen Sicherheit und Wirtschaftlichkeit schließen.
Der Wirkungsgrad einer USV-Anlage sollte für Ihre Kaufentscheidung nur
von zweitrangiger Bedeutung sein! Vernünftige Wirkungsgrade liegen heute
zwischen 92 und 95%. Anlagen mit besseren Wirkungsgraden bringen entscheidende
Einbußen in der Sicherheit (trafolos!) oder in der Batterielebensdauer
bzw. in der Systemperformance.
Haben Sie jedoch noch alte Anlagen mit einem Wirkungsgrad von <88% in Betrieb,
dann sollten Sie sich doch einen Neukauf überlegen.
Die Zwischenkreisspannung ist die Spannung am DC-Zwischenkreis; meist ist
damit die Batterienennspannung gemeint. Diese errechnet sich aus der Zellenzahl
der Batterie mal der Zellennennspannung (2V bei Pb- Batterien). Übliche
Werte von Zwischenkreisspannungen sind zwischen 220 V und 400 V. Je höher
die Zwischenkreisspannung bemessen ist, desto geringer sind die Umwandlungsverluste
am Wechselrichter.
Die Zwischenkreisspannung nimmt im Normalbetrieb jedoch Werte zwischen der
Ladespannung und der Entladeschlussspannung der Batterie an. Die Differenz
wird auch als Spannungshub
bezeichnet. Der Eingangsspannungsbereich des Wechselrichters ist auf diesen
Spannungshub auszulegen.
Zusammenfassend die wichtigsten Merkmale einer qualitativ hochwertigen USV-Anlage:
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