DC-USV-Systeme Zuverlässiger durch Kombination

Kritische DC-Lasten sicher versorgen, Anlagenverfügbarkeit erhöhen, beengte Platzverhältnisse und raue Umgebungsbedingungen – diesen Herausforderungen müssen sich DC-USV-Systeme stellen. Ein neuer Ansatz kombiniert Netzteil, Umschalteinheit und Batterielader in einem Gerät.

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, kurz USV, kommt überall dort zum Einsatz, wo das Versorgungsnetz schwanken oder ausfallen kann. Ziel ist es, den Ausfall von Produktionsanlagen aufgrund von kurzfristigen Versorgungsunterbrechungen zu vermeiden. Bei längeren Netzausfällen soll die USV dafür sorgen, dass die Anlage in einen sicheren Zustand versetzt wird. Außerdem sollen unkontrollierte Abstürze von Steuerungssystemen wie etwa Industrie-PCs vermieden werden, um Datenverlusten oder sonstigen Schäden vorzubeugen.

Ein USV-System für DC-Lasten besteht im Allgemeinen aus mindestens drei Komponenten (Bild 1). Zunächst wandelt ein Netzteil die ankommende AC-Netzspannung in eine Gleichspannung von 24 V. Diese Spannung soll nun gepuffert werden. Dazu kommt eine reine DC-USV zum Einsatz, die zwei Funktionen in sich vereint: Sie schaltet bei einem Netzausfall auf die Lastversorgung durch einen angeschlossenen Energiespeicher um, und die USV beinhaltet einen Laderegler, der den angeschlossenen Energiespeicher im Netzbetrieb wieder auflädt und geladen hält. Die dritte Komponente ist der an die USV angeschlossene Energiespeicher.

Dieser bewährte modulare Aufbau bietet Vor- und Nachteile. Als Nachteil schlägt der hohe Platzbedarf auf der Hutschiene zu Buche. So hat ein aktuelles 24-V/5-A-Netzteil eine Baubreite von circa 35 mm bis 50 mm. Hinzu kommt noch etwa die gleiche Baubreite der DC-USV der gleichen Leistungsklasse. Damit beträgt die maximale Baubreite bereits 100 mm. Hinzu kommt der Energiespeicher, der in der Regel den größten Platz einnimmt. Um zum Beispiel 5 A rund zwanzig Minuten zu puffern, ist ein Energiespeicher mit einer Nennkapazität von 3,4 Ah bei 24 V erforderlich. Dieser hat eine Baubreite von circa 85 mm. In Summe wird auf der Hutschiene also bereits Platz von 18,5 cm benötigt.

Ein weiterer Punkt, den der Planer beim gängigen Aufbau eines USV-Systems für DC-Lasten beachten muss, ist die Auswahl geeigneter Kombinationen aus Netzteil und USV. Im obigen Beispiel wurden ein 5-A-Netzteil und eine 5-A-USV gewählt.

Aber was bedeuten diese Angaben? Sowohl die USV als auch das Netzteil können einen maximalen Ausgangsstrom von 5 A unter allen Betriebsbedingungen zur Verfügung stellen. Kann also eine Last von 5 A angeschlossen werden und sowohl im Netz- als auch im Batteriebetrieb sicher versorgt werden? Zumindest im Netzbetrieb heißt die Antwort: Nein. Denn unberücksichtigt blieb bisher der Ladestrom, den die USV zum Aufladen des Energiespeichers zusätzlich zum Laststrom benötigt. Geht man von einem zusätzlichen Ladestrom von 1,5 A aus, muss ein entsprechend größeres Netzteil gewählt werden. Mit etwas Reserve – etwa um Verluste im System zu kompensieren – wäre hier ein Netzteil mit einer Ausgangsleistung von 7 A erforderlich. Die nächste gängige Baugröße ist allerdings in der Regel 10 A. Daher müsste ein doppelt so starkes Netzteil gewählt werden, obwohl nur 5 A Laststrom erforderlich sind. Dies führt zu höheren Initialkosten und zu noch höherem Platzbedarf.

Der modulare Aufbau hat aber auch Vorteile. Damit kann man leicht zwischen kritischen und unkritischen Lasten unterscheiden. Kritische Lasten müssen bei einem Netzausfall weiterversorgt werden, zum Beispiel eine Steuerung. Unkritische Lasten hingegen können in einem solchen Fall unversorgt sein. Unkritische Verbraucher werden denn auch direkt am Ausgang des Netzteils angeschlossen, während die kritischen Verbraucher erst am USV-Ausgang angeschlossen werden.