Unterbrechungsfreie Stromversorgung USV - der wunde Punkt Batterie

In einem USV-System ist die Batterie oft der wunde Punkt, weil deren Zustand (State of Health) schwer zu bestimmen ist. Daher kann es dazu kommen, dass die USV nicht die angegebene Zeit überbrücken kann oder dass die Batterie früher als nötig getauscht wird. Beide Szenarien führen zu unnötigen Kosten. Dank einer »intelligenten« Stromversorgung soll der Zustand der Batterie nun immer bekannt sein.

 

Netzeinbrüche oder der Wegfall der Versorgungsspannung führen zu einer Unterbrechung des Betriebsablaufs oder bringen ihn schlimmstenfalls komplett zum Erliegen.

Um dieses Problem zu lösen und damit Stillstandszeiten zu minimieren, verwenden Anwender aller Branchen unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) als Standardkonzept.

Eine solche Lösung setzt sich aus drei Funktionseinheiten zusammen: der Stromversorgung, der elektronischen Umschalteinheit und dem Energiespeicher (Bild 1).

Die Stromversorgung liefert so lange Energie an die Verbraucher, wie die primärseitige Netzspannung vorhanden ist. Fällt das Netz aus, greift die elektronische Umschalteinheit ein. Wie ihr Name schon sagt, schaltet sie unterbrechungsfrei auf den Energiespeicher um, sodass die angebundenen Lasten kontinuierlich mit Strom versorgt werden. Die dafür notwendige Ener-gie stellt der Energiespeicher bereit.

Ein Beispiel soll die Funktionsweise einer unterbrechungsfreien Stromversorgung verdeutlichen. Dem Industrie-PC einer Abfüllanlage muss auch bei starken Spannungsschwankungen 24 V Gleichspannung zugeführt werden. Nur so kann die Anlage weiter arbeiten oder lässt sich bei länger andauernden Ausfällen kontrolliert herunterfahren. Je nach benötigtem Laststrom und der erforderlichen Pufferzeit wählt der Anwender die passende Batterie aus, in der Beispielapplikation ein 3,4-Ah-Akkumodul, das 5 A Laststrom für zwanzig Minuten puffern kann.

Da den Betreiber bereits kurze Ausfälle viel Geld kosten, investiert er jeweils nach zwei Jahren in eine neue Batterie und denkt, dass die Anlage auf diese Weise zuverlässig abgesichert ist. Die Erfahrung zeigt, dass dies leider nicht immer zutrifft. Denn in allen derzeit am Markt angebotenen Lösungen gibt es eine Unbekannte: die Batterie. Warum? Weil folgende Fragen mit herkömmlichen USV-Lösungen nicht zu beantworten sind: Ist die Batterie voll geladen? Falls nicht: Wie lange kann sie die angekoppelten Lasten bei Ausfall der Eingangsspannung versorgen?

Erweist sich die Batterie als zu alt oder wegen hoher Umgebungstemperaturen vielleicht schon als stark gealtert? Kann sie überhaupt noch ausreichend Energie liefern? Aufgrund von Alterungsprozessen in der Batterie kann es durchaus vorkommen, dass die 5 A Laststrom nicht mehr zwanzig Minuten, sondern nur noch fünf Minuten überbrückt werden. Somit steht die Abfüllanlage im schlimmsten Fall infolge eines unzuverlässigen Versorgungsnetzes still, ohne dass prozessrelevante Daten gesichert werden konnten.

Wartungsarbeiten vorausschauend planen

Die »intelligente« Stromversorgung »Quint UPS-IQ« von Phoenix Contact ermittelt deshalb alle relevanten Zustände der Batterie. So sorgt sie für Transparenz, um die Stabilität der Versorgung jederzeit sowie unter optimaler Ausnutzung der Batterie sicherzustellen. Das »intelligente« Batterie-Management kennt den aktuellen Ladezustand der angeschlossenen Batterie und errechnet daraus die zur Verfügung stehende Restlaufzeit. Dementsprechend werden Versorgungslücken der angebundenen Teilnehmer sowie das frühzeitige Herunterfahren von Industrie-PCs vermieden. Im Beispiel der Abfüllanlage erhält der Betreiber von der USV Quint UPS-IQ eine Information, ob die Pufferzeit tatsächlich noch zwanzig oder unter Umständen lediglich fünfzehn Minuten beträgt.

Sobald ein einstellbarer Schwellwert erreicht ist, kann über den potenzialfreien Relaiskontakt oder per Software eine Warnmeldung abgesetzt werden. Der Anwender hat also die Möglichkeit, frühzeitig zu reagieren. Die verbleibende Lebenserwartung der Batterie ist ebenfalls bekannt. So lassen sich Serviceeinsätze besser planen. Wird die Batterie zum optimalen Zeitpunkt ausgewechselt, lassen sich zudem Kosten umgehen, die durch einen zu frühen Austausch oder Ausfall entstehen.

Besonders in räumlich weit voneinander entfernten Anwendungen ist es wichtig, ob eine Batterie noch zwei Jahre oder nur zwei Monate zuverlässig arbeitet. In Windkraftanlagen wird beispielsweise die Notbeleuchtung im Inneren des Turms aus Batterien gespeist. Tritt ein Problem auf, kann der Monteur gefahrlos in die Gondel gelangen. Der Tausch des Energiespeichers ist allerdings mit hohen Kosten verbunden. Die Meldung der aktuellen Lebenserwartung der Batterie spart hier unnötige Arbeitseinsätze und Materialkosten.

Voraussetzung für die kontinuierliche Überwachung und das »intelligente« Management ist die permanente Kommunikation zwischen USV und Batterie. Zu diesem Zweck wird neben der Plus- und Minus-Verdrahtung ein weiteres Kabel installiert, das dem Datenaustausch zwischen beiden Komponenten dient. Die Stromversorgung Quint UPS-IQ identifiziert den angeschlossenen Energiespeicher sofort. Die Batterie meldet daraufhin ihre Seriennummer und Kapazität. Je nach Batterietyp und Umgebungsbedingungen wählt die USV nun automatisch die optimale Ladecharakteristik, was die Lebensdauer der Batterie deutlich erhöht.

Zur Bestimmung des Ladezustands informiert die Batterie über aktuelle Spannungs- und Stromwerte sowie die Temperatur. Für die Berechnung des Ladestroms kommuniziert Quint UPS-IQ sowohl mit der Batterie als auch der vorgeschalteten Stromversorgung. Daher steht die Batterie doppelt so schnell zur Verfügung wie bei herkömmlichen USV-Systemen.

Alle relevanten Parameter darstellen

Der Ausgangsstrom des Netzteils wird so gesteuert, dass immer ausreichend Energie für die Verbraucher zur Verfügung steht und sich die Batterie schnellstmöglich auflädt.

Die Quint UPS-IQ mit Ausgangsströmen von 5 A, 10 A, 20 A und 40 A bieten sich für 24-V-Anwendungen an.

AC-Applikationen werden von dem Modul mit 400 W beziehungsweise 500 VA Ausgangsleistung mit 85 V bis 264 V bedient (Bild 2). 

Alle Geräte lassen sich wahlweise mit Energiespeichern in VRLA-Technologie mit 1,3 Ah bis 38 Ah oder für hohe Umgebungstemperaturen mit dem besonders leistungsstarken Li-Ion-Akku kombinieren.

Umgesetzt werden Pufferzeiten von acht Stunden bei 5 A Laststrom oder dreißig Minuten bei 40 A Laststrom. Über die Software »UPS-CONF« kann der Betreiber die USV-Lösung überwachen.

Das Tool benachrichtigt ihn beispielsweise jederzeit über die aktuellen Stati der Batterien (Bild 3).

Zur besseren Übersichtlichkeit sind alle relevanten Betriebsparameter grafisch dargestellt, wobei wichtige Meldungen im Vordergrund erscheinen. Anwender, denen eine Plug&Play-Lösung zu wenig Flexibilität eröffnet, können die Quint UPS-IQ konfigurieren.

Werte wie Alarmmeldeschwellen oder voreingestellte Pufferzeiten lassen sich am PC individuell verändern und damit optimal an die jeweilige Anlage anpassen. Der maximale Ladestrom und die Ladeschlussspannung einer Batterie sind ebenfalls adaptierbare Parameter.

Eine Log-Datei archiviert Ereignisse wie die Information, wann und wie lange Quint UPS-IQ Netzausfälle überbrückt hat. Die kostenfrei erhältliche Software kann im Internet im Download-Bereich des E-Shops von Phoenix Contact heruntergeladen werden.

 

Wirtschaftlich selektiv absichern mit der SFB-Technologie
Kombiniert der Anwender die unterbrechungsfreie Stromversorgung »Quint UPS-IQ« mit den »Quint Power«-Netzteilen, kann er deren Vorteile für die angeschlossenen Verbraucher nutzen. Denn die Stromversorgungen liefern deutlich mehr als den Nennstrom. So werden schwierige Lasten aufgrund der statischen Leistungsreserve (Power Boost) mit dem bis zu 1,5-fachen Nennstrom gestartet. Um Standard-Leitungsschutzschalter magnetisch und damit schnell auslösen zu können, müssen die Stromversorgungen zudem kurzfristig ein Vielfaches des Nennstroms zur Verfügung stellen können. Mit der Selective-Fuse-Breaking-Technologie (SFB), dem bis zu sechsfachen Nennstrom für zwölf Millisekungen, bietet Quint Power deshalb eine dynamische Leistungsreserve. Löst die Sicherung beispielsweise bei einem durchgescheuerten Display-Kabel aus, bleibt das Display dunkel. Steuerung, Sensorik und Aktorik arbeiten jedoch unterbrechungsfrei weiter, sodass der Produktionsbetrieb aufrechterhalten wird.

Die Autorin Anja Moldehn ist Mitarbeiterin im Marketing Stromversorgungen bei Phoenix Contact Electronics