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USV: Höhere Netz-und Signalqualität steigert Anlagenverfügbarkeit

Bild 1. Die einphasigen AC-USV-Geräte der Baureihe UPS Compact erhöhen mit der Netz- und Signalqualität auch die Verfügbarkeit einer Anlage

Bild 2. Die E DIN IEC 62040-3 (VDE 0558-530) ermöglicht eine Zuordnung der Netzstörungen zu den USV-Klassen

Bild 3. Die Geräte der Reihe UPS Compact können flexibel genutzt werden, zum Beispiel eingebaut in 19-Zoll-Schränke oder als Stand-Alone-Gerät

Bild 4. Optionale Adapterkarten in den USV-Geräten ermög¬lichen eine individuell angepasste Anlagenüberwachung

Eine dauerhafte und störungsfreie Stromversorgung ist die Grundlage für die Verfügbarkeit und somit auch für die Wirtschaftlichkeit elektrischer und elektronischer Anlagen. Vor allem in informationstechnischen Anwendungen können Netzstö­rungen weitreichende Folgen haben, vom Ausfall einzelner Rechner bis hin zum Verlust unternehmenskritischer Daten durch den Ausfall ganzer Server-Farmen. Eine wichtige Komponente zur Verbesserung der Netzqualität ist die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Bei ihrer Auswahl gilt es, auf eine Reihe von Parametern zu achten.

Bei IT-Anwendungen wird ein Schutz gegen Ausfälle grundsätzlich vorausgesetzt. Daher ist der Einsatz von USV-Anlagen unverzichtbar. Neben dem Überbrücken von Spannungsausfällen muss die USV-Anlage auch gegen eine Vielzahl von weiteren Störungen wirksam sein. Da aber häufig für den Anwender nicht erkennbar ist, über welche Eigenschaften die USV verfügt, entscheidet nicht selten der günstigere Preis. Preisgünstige Geräte erfüllen aber zumeist nur in geringem Maß die notwendigen Anforderungen, sodass trotz des Einsatzes einer USV bereits kleinere Netzstörungen zum Systemausfall führen können. Hochwertige USV-Anlagen hingegen bieten dem Anwender hohe Sicherheit.
Phoenix Contact bietet nun einphasige USV-Geräte für AC-Stromversorgungen, die hohen qualitativen Ansprüchen genügen. Die Geräte der Reihe UPS Compact (Bild 1) arbeiten nach dem Doppelwandler-Prinzip und stehen bis zu einer Leistung von 12 kVA zur Verfügung.

Zehn Arten von Netzstörungen
Das öffentliche Stromversorgungsnetz weist in zunehmendem Maße Störungen auf, die unter anderem durch Verbraucher mit nicht linearen Strom- und Spannungscharakteristiken hervorgerufen werden. Dieses Netz trifft auf immer empfindlichere Endgeräte, zum Beispiel Steuerungen, PC oder Server. Die USV-Produktnorm E DIN IEC 62040-3 definiert zehn Arten von Netzstörungen, die von der USV-Anlage beseitigt werden müssen (Bild 2).
Die erste, aber keinesfalls häufigste definierte Störung ist der Netzausfall. Als Spannungsausfall wird eine Unterbrechung von mehr als 10 ms bezeichnet. Häufig aber haben bereits Spannungsausfälle unter 10 ms erhebliche Auswirkungen auf den Verbraucher. Daher ist der Einsatz von qualitativ hochwertigen USV-Anlagen, die bereits auf Spannungsausfälle kleiner 10 ms reagieren, gerade bei IT-Anwendungen wichtig.
Weitere Störungsarten sind Spannungseinbrüche und Spannungsspitzen. Spannungseinbrüche sind als Absenkung der Spannung für weniger als 16 ms definiert. Spannungsspitzen werden beispielsweise von Stromrichtern hervorgerufen und als Fehler angesehen, wenn die Spannung weniger als 16 ms überhöht ist.

Unter- und Überspannungen, die Störungsarten 4 und 5, unterscheiden sich durch ihr kontinuierliches Auftreten von den Spannungseinbrüchen und -spitzen. Unterspannungen werden durch eine hohe Belastung des Versorgungsnetzes hervorgerufen. Permanente Überspannungen können durch eine niedrige Transformatoren-Belastung auftreten, die kurzfristig nicht vom Energieversorgungs-Unternehmen ausgeregelt und somit an den Verbraucher weitergegeben werden. Im Gegensatz zu permanenten Überspannungen treten transiente Überspannungen nur sporadisch in einer Zeitspanne von weniger als 1 ms auf und sind hochenergetisch.
Störungsart 7 bilden Spannungsstöße, die unter anderem durch Schalthandlungen hervorgerufen werden. Die Schalthandlungen erzeugen eine schnelle Stromänderung, die mit den im Netz vorhandenen Induktivitäten Spannungsstöße erzeugen. Sie ereignen sich in einer Zeitspanne von weniger als 4 ms.
Eine weitere Störungsart, die einen USV-Einsatz nahe legt, sind Frequenzschwankungen. Sie treten sporadisch auf und werden durch Lastschwankungen verursacht. Bei den Störungsarten 9 und 10 schließlich handelt es sich um periodisch auftretende Spannungsverzerrungen und kontinuierliche Oberschwingungen, die durch Stromrichter und Schaltnetzteile hervorgerufen werden.

Die Wahl der passenden USV
Die E DIN IEC 62040-3 definiert neben den Netzstörungsarten auch USV-Geräteklassen mit einem Code nach dem Muster XXX-YY-ZZZ. Zudem beschreibt sie, gegen welche Störungen die Geräte wirksam sind. Damit kann der Anwender das für seine Anforderungen passende Gerät eindeutig spezifizieren. Die erste Gruppe von Buchstaben beschreibt das Ausgangsverhalten in Abhängigkeit vom Eingangssignal der USV und unterscheidet die drei Klassifizierungen VFI (Voltage Frequency Independent), VI (Voltage Independent) und VFD (Voltage Frequency Dependent). Die Klasse VFI ist gegen alle Störungsarten wirksam, da das Ausgangssignal der USV vollständig unabhängig von Einflüssen der Eingangsspannung und -frequenz ist. Die Klasse VI schützt gegen sechs der zehn Störungsarten, da frequente Störungen nicht behoben werden. Die Klassifikation VFD bezeichnet diejenigen USV-Geräte, bei denen der Ausgang sowohl von der Eingangsspannung als auch von der Eingangsfrequenz abhängig ist; sie hilft lediglich gegen drei Störungsarten.
Die zweite Buchstabengruppe beschreibt die Kurvenform der Ausgangsspannung, wobei der erste Buchstabe für den Netz- und der zweite Buchstabe für den Batteriebetrieb gilt. Der dann folgende Ziffernblock beschreibt das Ausgangsverhalten der USV bei linearen und nicht linearen Lastsprüngen, wobei die Zahl 1 eine USV-Reaktionszeit von 0 ms definiert.

Weitere wichtige USV-Kriterien
Neben den Funktionen, die in der Klassifikation beschrieben sind, müssen qualitativ hochwertige USV-Anlagen Anforderungen an eine lange Lebensdauer und geringe Wartungs- und Service-Aufwände erfüllen (Bild 3).
Das Herz einer USV stellt die Batterie dar; sie bestimmt ihre Lebensdauer. Großen Einfluss hat dabei die Umgebungstemperatur. So reduziert sich die Lebensdauer bereits bei einer Temperaturerhöhung von durchschnittlich 20 °C auf 30 °C von fünf auf drei Jahre. Sollte es nicht möglich sein, die USV bei der vom Hersteller empfohlenen Temperatur zu betreiben, ist der präventive Austausch der Batterie in kürzeren Intervallen sinnvoll. Damit der Batteriewechsel die Verfügbarkeit der Anlage nicht beeinträchtigt, sollte der Austausch während des laufenden Betriebs sowie im eingebauten Zustand möglich sein. Die USV-Geräte und die externen Batterieeinheiten von Phoenix Contact bieten diese Möglichkeit mit der sogenannten Hot-Swap-Fähigkeit.

Großen Einfluss auf die Lebensdauer der Batterie hat auch die Ladeeinheit der USV. Wird die Batterie mit einer stark wechselstromüberlagerten Gleichspannung geladen, kommt es zu einer zusätzlichen Erwärmung, mit den bekannten negativen Auswirkungen auf die Lebensdauer der Batterie.
Die Ladeeinheiten der USV-Geräte UPS-Compact wurden so ausgeführt, dass der Batterie-Ladestrom erst nach der Gleichrichtung und der Filterung entnommen und durch einen DC-DC-Wandler auf die Ladespannung gebracht wird. Die so erzeugte geringe Wechselstrom-Überlagerung (Ripple) verlängert die Batterielebensdauer, da es zu keiner zusätzlichen Erwärmung kommt.
Manchmal ist aus sicherheitstechnischen Gründen eine sofortige Abschaltung der Anlage und somit auch der USV erforderlich. Zu diesem Zweck haben die USV-Geräte einen sogenannten Emergency-Power-Off-Kontakt (EPO). Damit wird die USV vollständig abgeschaltet und kann in ein vorhandenes Sicherheitskonzept eingebunden werden.

Schnittstellen für den universellen Einsatz
Um eine regelmäßige Wartung der USV-Systeme sicherzustellen, werden diese in ein Überwachungskonzept eingebunden, das Status und Batteriezustand erfasst. Die Geräte der Reihe UPS Compact sind serienmäßig mit einer USB- und einer RS-232-Schnittstelle ausgestattet. Sie verfügen außerdem über einen Steckplatz, der optional mit einer Relais- oder einer Netzwerkkarte bestückt werden kann (Bild 4). Die Relaiskarte ermöglicht über potentialfreie Schaltkontakte die Ausgabe von Statusmeldungen, wie Spannungsausfall, Batteriestatus und Betriebsart. Mittels Netzwerkkarte wird die USV dabei in ein vorhandenes Netzwerk eingebunden; die netzwerkinterne Kommunikation erfolgt über SNMP (Simple Network Management Protocol). Die Adapterkarten sind mit Ethernet-, Modbus- und Aux-Anschluss vielfältig einsetzbar.
Über eine Software können Geräte der Reihe UPS Compact ausgelesen, konfiguriert und in Netzwerken administriert werden. Damit die Anlage auch während der Wartungszeiten nicht stillsteht, ist der Einsatz sogenannter Handumgehungen oder Bypass-Schalter sinnvoll, die parallel zur USV geschaltet werden. Damit wird die USV ohne Unterbrechung der Spannungsversorgung aus dem Stromkreis genommen.

Fazit
Alle einphasigen AC-USV-Geräte aus der Baureihe UPS Compact entsprechen der Klassifikation VFI-SS-111. Als hochwertige unterbrechungsfreie Stromversorgungen tragen sie zur Verbesserung der Netzqualität und somit zur Optimierung der Anlagenverfügbarkeit bei. Wichtige Funktionen sind bereits in der Grundausstattung enthalten.

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Autor: Hartwig Derenthal ist Mitarbeiter im Produktmarketing Netz- & Signal-Qualität Trabtech bei der Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg.