Fachartikel

USV-Technologien im Vergleich

Zuverlässige Energieversorgung ist eines der wichtigsten Wachstumskriterien in der Industrie. Bis heute ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung auch an extrem rauen Einsatzorten ein unentbehrlicher Bestandteil vieler Anwendungen, denn die Ausfallsicherheit von kritischen und anspruchsvollen Anlagen ist oft unbezahlbar. Der Beitrag erörtert, welche die richtige USV-Technologie für die jeweilige Anwendung ist. Dabei gehen wir unter anderem auf die Unterschiede zwischen Monoblock und einer modularen USV ein.
USV-Anlagen helfen bei der Vorbeugung von Schäden etwa durch Stromschwankungen.
Wurde bis vor Kurzem noch strikt zwischen IT und Produktion getrennt, hat die Digitalisierung heute nahezu alle Prozesse durchdrungen. Digitale Komponenten kontrollieren, analysieren und optimieren nahezu alle Industriebereiche. Das spart Kosten, beschleunigt Prozesse und verbessert die Produkte. Doch mit steigender Vernetzung ist die Industrie anfälliger gegenüber Netzschwankungen und Stromausfällen. Damit durch diese keine wichtigen Daten verloren gehen, empfindlichen Anlagen ein Defekt droht, teure Maschinen ausfallen, die Umwelt oder gar die Sicherheit von Menschen gefährdet wird, stellt eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) die Versorgung kritischer Anwendungen sicher.

USV gleicht lokale Schwankungen aus
Größere Stromausfälle kommen in Westeuropa relativ selten vor. Durch das Schalten großer Ströme entstehen aber ständig ungewollte Rückwirkungen im Stromnetz. So rufen Kurzschlüsse und Einschaltströme oder größere Elektromotoren Spannungsabsenkungen hervor. Bei Spannungsanhebungen treten durch das Abschalten großer Lasten oder durch Blitzeinschläge induzierte Ströme auf.

Die Energieversorger regeln die Netzspannung und die Netzfrequenz an den Einspeisepunkten des Stromnetzes zwar ständig nach, gleichen dadurch jedoch nur die Summe der Störungen aus. Eine USV gleicht lokale Schwankungen und Ausfälle aus, indem sie angeschlossene Verbraucher mit elektrischer Energie aus Batterien speist, die als Zwischenspeicher sauberen Strom liefern. Das USV-System liefert selbst in solchen Situationen idealen Strom, in denen die Eingangsleistung von schlechter Qualität ist, wie zum Beispiel bei Unterspannungen, Überspannungen, Schwankungen der Eingangsfrequenz, Oberwellen oder Spannungsspitzen (Bild 1).


Bild 1: Ein USV-System liefert selbst dann idealen Strom, wenn die Eingangsleistung von schlechter Qualität ist.

Alle kritischen Verbraucher sichern
Diese Batterien stellen zudem ausreichend lange Strom bereit, um bei Netzausfall die Versorgungslücke zu schließen – entweder bis die Netzversorgung wiederhergestellt ist oder ein Generator anläuft. Abweichungen und Aussetzer in der Stromversorgung treten viel häufiger auf als allgemein vermutet. Die Konsequenzen sind Rechnerabstürze, Datenverlust und kostenintensive Ausfälle von Produktionsmitteln. Eine unterbrechungsfreie Gleichstrom- oder Wechselstromversorgung benötigen daher alle Anwendungen, die kritische Verbraucher sichern müssen.

USV-Anlagen finden in Krankenhäusern, Kraftwerken und Industrieanlagen, Leitstellen im Verkehrswesen oder in Rechenzentren Verwendung, mittlerweile ebenso in Büros oder gar vernetzten Haushalten. Stromausfälle oder eine unzuverlässige Stromversorgung haben dabei zur Folge, dass Anlagen, Daten und Personensicherheit auf dem Spiel stehen. Neben finanziellen Ausfällen kann dies im Industriebereich verheerende Auswirkungen auf Umwelt und Menschenleben haben.
Die Qual der Wahl: Monoblock oder modulare USV
Unterschiedliche USV-Topologien und Architekturen berücksichtigen die verschiedenen Sicherheitslevels und spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung. Weitere wichtige Kriterien einer USV sind Energieeffizienz, Dimensionierung, Wartung, Belastbarkeit und Zuverlässigkeit, zukünftige Skalierbarkeit und natürlich die Anschaffungskosten. Als Betriebsmittel ist es besonders wichtig, die Gesamtbetriebskosten heranzuziehen. Sie sollten die Anschaffungskosten von USV und Batteriesystem sowie die erforderliche Infrastruktur, inklusive Unterverteilungen, Kabel, Generatoren et cetera beinhalten.

Darüber gilt es, die jährlichen Betriebskosten für Wartung, Verschleißteile und Wirkungsgrad zu berücksichtigen – schließlich hat ein typisches USV-System eine Betriebsdauer von zehn bis 15 Jahren und mehr. Die Wahl der USV-Architektur zwischen herkömmlichen Monoblock- und modularen USV-Anlagen sowie transformatorlosen oder transformatorbasierten Systemen kann dadurch erhebliche Unterschiede aufweisen.

Merkmale von USV-Technologien 
Monoblock USV mit Transformator

  • robust,
  • galvanische Trennung
  • minimale Wartung
  • höchste Zuverlässigkeit
Modulare USV ohne Transformator

  • besonders energieeffizient bei Teillasten
  • hoher Wirkungsgrad
  • flexibel
  • hohe Zuverlässigkeit
  • geringerer Platzbedarf
  • sehr einfache Wartung
  • integrierte Redundanz
Modulare USV mit Transformator

  • robust
  • galvanische Trennung
  • besonders Energie effizient bei Teillasten
  • flexibel
  • minimale Wartung
  • höchste Zuverlässigkeit
  • geringer Platzbedarf
  • integrierbare Redundanz

Prinzipiell sind Monoblock- und modulare USV-Systeme ähnliche Architekturen und finden je nach Leistungsklasse und Anforderungen der Lasten unterschiedlich Verwendung. Im industriellen Einsatz befinden sich derzeit etwa 80 Prozent Monoblöcke, 15 Prozent modulare USV und 5 Prozent integrierte Schaltschranklösungen. Das modulare Konzept stammt aus dem Telekommunikationsmarkt und ist daher in Rechenzentren und anderen IT-Anwendungen sehr beliebt. Aktuell gewinnen allerdings modulare USV-Systeme auch in industriellen Anwendungen an Bedeutung.

19.08.2020/ln/Andre Stumpe, Corporate Communications bei AEG Power Solutions

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