Was Sie über USV wissen sollten und noch nirgends erfahren konnten:

 

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!)

 

Autonomie

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.

Batterielebensdauer

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.

Bauarten von Batterien

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!

ByPass, statischer, interner

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

Eingangsfilter können passive Oberschwingungsfilter (abgestimmte Filterkreise) oder eine elektronische PFC-Schaltung (Power Factor Correction) sein und vermindern die netzseitigen Oberschwingungsströme.

Gleichrichter, 12-pulsig

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.

Handumgehung, interne

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.

Handumgehung, externe

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.

Nennleistung

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!

Netzrückwirkung

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.

Neutralleiterbelastung im Drehstromsystem

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.

Oberschwingungsströme (Eingang)

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.

Parallelschaltung von Batterien

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.

Service

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.

Spannungshub

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.

Überlastbarkeit

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.

Wirkungsgrad

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.

Zwischenkreisspannung

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.

Zusammenfassung

Zusammenfassend die wichtigsten Merkmale einer qualitativ hochwertigen USV-Anlage:

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