Stromversorgung USVs – Anforderungen und Topologien

Um die ordnungsgemäße Funktion unserer Gesellschaft aufrecht zu erhalten, ist die Versorgung mit elektrischer Energie zwingend notwendig. Blackouts können schwerwiegende Folgen haben. Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USVs) unterstützen die Verbraucher mit einer zuverlässigen elektrischen Versorgung.

In Entwicklungsländern wie z.B. Indien und China ist die elektrische Energieversorgung noch immer instabil. In abgelegenen Regionen sind häufige Störungen pro Tag nicht ungewöhnlich. Selbst in hochentwickelten Ländern wie Deutschland treten Netzausfälle bzw. Netzfehler auf. Der System-Average-Interruption-Duration-Index für Deutschland betrug im Kalenderjahr 2010 für das Stromnetz 14,9 Minuten. Demnach war jeder Letztverbraucher im Jahr 2010 durchschnittlich von einer Versorgungsunterbrechung von 14,9 Minuten betroffen[1].

Nicht nur Netzausfälle, sondern auch Netzschwankungen können z. B. zum Datenverlust bei Servern führen. Unterbrechungsfreie Stromversorgungen unterstützen die Verbraucher mit einer zuverlässigen elektrischen Versorgung. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, durch eine USV-Anlage Netzschwankungen für den zu schützenden Verbraucher zu kompensieren. Eine zuverlässige elektrische Versorgung ist z.B. in Operationssälen, aber auch für Server notwendig, da hier bei einem Ausfall Menschenleben gefährdet sind bzw. erhebliche Kosten entstehen.

Dieser Artikel nennt zunächst die im elektrischen Versorgungsnetz vorhandenen Störungen. Danach folgt eine Auflistung der verschiedenen USV-Topologien gemäß IEC 62040-3 und eine Erläuterung ihrer Funktion. Abschließend wird auf den Trend für USV-Anlagen hinsichtlich eines besseren Wirkungsgrades eingegangen.

Störungsarten im elektrischen Energieversorgungsnetz

Im elektrischen Energieversorgungsnetz gibt es unterschiedliche Arten von Störungen:

  • Netzausfall
  • Spannungseinbruch
  • Spannungsspitzen
  • Kontinuierliche Unterspannung
  • Kontinuierliche Überspannung
  • Transiente Überspannung
  • Frequenzschwankungen
  • Spannungsverzerrung
  • Kontinuierliche Oberschwingungen

Alle diese Fehler können negative Auswirkungen auf die vom Netz versorgten Verbraucher haben. Ein Anwendungsgebiet von USV-Anlagen ist z.B. die Stützung datenverarbeitender Systeme. Kommt es bei der Versorgung eines Servers zu einer Netzstörung und das Schaltnetzteil des Servers ist nicht in der Lage, diese Störung abzufangen, kann es zum Datenverlust kommen.

Bild 1 zeigt die zulässigen Abweichungen der Ausgangsspannung einer USV in Verbindung mit zu versorgenden Schaltnetzteilen nach IEC-62040-3. Die Fehlerarten lassen sich im Wesentlichen in Netzausfall, Netzeinbruch und Netzverzerrung einteilen. Nicht alle am Markt verfügbaren USV-Anlagen schützen den zu versorgenden Verbraucher vor allen zuvor genannten Störungen.

USV-Arten

USV-Anlagen lassen sich nach IEC 62040-3 in drei Unterklassen einteilen. Diese Einteilung beschreibt die Abhängigkeit des Ausgangs vom Eingang im Normalbetrieb.

  • Voltage and Frequency Independent (VFI): Die von der USV bereitgestellte Ausgangsspannung ist unabhängig von Änderungen der Versorgungs- bzw. Netzspannung und der Versorgungs- bzw. Netzfrequenz [2]. USV-Anlagen dieser Kategorie schützen vor allen zuvor aufgelisteten Störungsarten.
  • Voltage and Frequency Dependent (VFD): Die von der USV bereitgestellte Ausgangsspannung ist abhängig von Änderungen der Versorgungs- bzw. Netzspannung und der Versorgungs- bzw. Netzfrequenz [2]. USV-Anlagen dieser Kategorie schützen vor den ersten drei der zuvor aufgelisteten Störungsarten.
  • Voltage Independent (VI): Die Frequenz des Ausgangssignals der USV ist abhängig von der Versorgungs-/Netzfrequenz. Die Ausgangsspannung wird innerhalb der Grenzwerte für den Normalbetrieb stabilisiert [2]. USV-Anlagen dieser Kategorie schützen vor den ersten fünf der zuvor aufgelisteten Störungsarten.

Des Weiteren lassen sich USV-Anlagen nach den Ausgangsspannungskurven einteilen. Hier ist das Unterscheidungskriterium der Normalbetrieb bzw. der Batteriebetrieb.

  • S: Die Kurvenform der Ausgangsspannung ist sinusförmig. Für lineare sowie nichtlineare Last muss der Verzerrungsfaktor D kleiner 0,08 sein und die Oberschwingungen müssen kleiner sein als in der IEC-61000-2-2 definiert.
  • X: Die Kurvenform der Ausgangsspannung ist sinusförmig mit Güte wie bei S für lineare Last. Bei nichtlinearer Last über den vom Hersteller angegebenen Grenzen ist der Verzerrungsfaktor D größer als 0,08.
  • Y: Die Kurvenform der Ausgangsspannung ist nicht sinusförmig. Die Grenzwerte der IEC-61000-2-2 werden überschritten [2].

Weiterhin lassen sich USV-Anlagen nach der dynamischen Toleranzkurve des Ausgangs unterteilen.

In Bild 1 und 2 sind die Toleranzkurven, die die maximal zulässigen Abweichungen der Ausgangsspannung vom nominalen Wert wiedergeben, dargestellt. Hierbei wird unterschieden nach Umschalten von einem beliebigen Betrieb in den Normalbetrieb, Batteriebetrieb oder Netzbetrieb, nach dem dynamischen Verhalten des Ausgangs bei linearem Lastsprung im Normalbetrieb bzw. im Batteriebetrieb und nach dem dynamischen Verhalten des Ausgangs bei nichtlinearem Lastsprung im Normalbetrieb bzw. im Batteriebetrieb.

Es gibt folgende drei Szenarien:

 

  • Abweichung der Ausgangsspannung innerhalb der in Bild 1 dargestellten Grenzen: Es ist keine Unterbrechung der Ausgangsspannung zulässig. Für eine Dauer von 5 ms darf die Ausgangsspannung 30 % höher bzw. 30 % niedriger sein als die nominale Ausgangsspannung.
  • Abweichung der Ausgangsspannung  innerhalb der in Bild 2 (oben) dargestellten Grenzen: Eine Unterbrechung der Ausgangsspannung bis zu einer Dauer von 1 ms ist zulässig.
  • Abweichung der Ausgangsspannung  innerhalb der in Bild 2 (unten) dargestellten Grenzen: Eine Unterbrechung der Ausgangsspannung bis zu einer Dauer von 10 ms ist zulässig [2].