Ausführungen statischer USV-Anlagen

Die Ausführungen statischer USV-Anlagen werden in den Norm der Reihe IEC 62040-1 (VDE 0558-510) festgelegt. In der IEC 62040-3 (VDE 0558-530) werden drei Klassen unterschieden:

• VFD (Voltage and Frequency Dependant) (Standby- oder Offline-USV)
• VI (Voltage Independent) (Line-Interactive-, Single-Conversion-USV)
• VFI (Voltage and Frequency Independent) (Online-, Double-Conversion-USV)

Diese Definitionen beziehen sich auf den USV-Anlagenbetrieb hinsichtlich der Stromquelle, die das der USV vorgeschalteten Verteilungssystem beinhaltet.

IEC 62040-3 (VDE 0558-530) definiert folgende Ausdrücke:

• Primärleistung: Normalerweise stets verfügbare Leistung, die im Allgemeinen von einem Netzbetreiber geliefert wird, jedoch manchmal auch vom Kunden erzeugt wird.
• Reserveleistung: Leistung, die die Primärleistung im Fall eines Primärleistungsausfalls ersetzen soll.
• Bypass-Leistung: über die Bypass-Schaltung gelieferte Leistung.

Eine USV-Anlage verfügt praktisch über zwei Wechselstromeingänge, die in diesem Planungskompendium als „normaler Wechselstromeingang” und „Bypass-Wechsel-stromeingang” bezeichnet werden.

• Der „normale Wechselstromeingang“ (Netzeinspeisung 1) wird über ein Kabel oder eine Leitung mit Primärleistung versorgt, die entweder mit einer Einspeisung aus dem Verteilnetz des Netzbetreibers oder über ein kundeneigenes Verteilnetz verbunden ist.
• Der „Bypass-Wechselstromeingang“ (Netzeinspeisung 2) wird im Allgemeinen mit einer Reserveleistung versorgt, z.B. über ein Kabel oder eine Leitung, die mit einer anderen als für den „normalen Wechselstromeingang“ verwendeten Einspeisung aus dem Verteilnetz oder über eine Einspeisung aus einer Netzersatzanlage (Generator oder weitere USV) verbunden wird.

Steht keine Netzersatzanlage zur Verfügung, wird der „Bypass-Wechselstromeingang“ über ein weiteres Kabel oder eine Leitung mit Primärleistung versorgt (parallel zum „normalen Wechselstromeingang“).

Der „Bypass-Wechselstromeingang“ dient zur Versorgung der Bypass-Leitungen der USV-Anlage (falls vorhanden). Folglich werden die Bypass-Leitungen mit Primär- oder Reserveleistung versorgt, je nachdem ob eine Netzersatzanlage vorhanden ist oder nicht.

USV-Anlagen im passiven Standby

Funktionsprinzip

Der Wechselrichter ist parallel zum Wechselstromeingang geschaltet (s. Abb. N16).

Abb. N16 – USV-Anlage im passiven Standby „VFD“

• Normalbetrieb
  Der Verbraucher wird über einen Filter durch das Verteilnetz des Netzbetreibers versorgt. Der Filter beseitigt bestimmte Störungen und übernimmt einen Teil der Spannungsregelung (in der Norm wird von „zusätzlichen Geräten … zur Leistungsverbesserung” gesprochen). Der Wechselrichter kommt im Ersatzbetrieb zum Einsatz.
• Batteriebetrieb
  Liegt die Wechselstromeingangsspannung außerhalb festgelegter Toleranzwerte der USV-Anlage oder tritt ein Netzausfall auf, kommen der Wechselrichter und die Batterie zum Einsatz, um für den Verbraucher nach einer sehr kurzen Umschaltzeit (< 10 ms) eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewährleisten. Die USV-Anlage läuft weiterhin im Batteriebetrieb bis zum Ende der Überbrückungszeit der Batterie oder bis zum Ende des Netzausfalls, wodurch die Last wieder mit der Netzspannung versorgt wird (Normalbetrieb).

Verwendung

Diese Ausführung ist ein Kompromiss zwischen einem ausreichenden Schutz bei Netzstörungen und niedrigen Kosten. Sie kann nur bei niedrigen Bemessungsleistungen (< 2 kVA) eingesetzt werden.

Sie wird ohne statischen Schalter betrieben, so dass eine gewisse Zeit erforderlich ist, um die Last zum Wechselrichter zu übertragen. Diese Zeit ist zwar für bestimmte einzelne Anwendungen zulässig, jedoch nicht für die erforderliche Leistung hochentwickelter, empfindlicher Systeme (große Rechenzentren, Telefon-zentralen usw.).

Desweiteren wird die Frequenz nicht geregelt und es ist keine Bypass-Schaltung enthalten.

Anmerkung: Im Normalbetrieb fließt der Versorgungsstrom des Verbrauchers nicht durch den Wechselrichter, daher wird diese USV-Ausführung manchmal auch als „Offline-USV” bezeichnet. Dieser Ausdruck ist allerdings irreführend, denn er weist ebenso auf „keine Versorgung durch das Verteilnetz des Netzbetreibers” hin, auch wenn der Verbraucher vom Netzbetreiber über den Wechselstromeingang während des Normalbetriebs versorgt wird. Daher empfehlen die Normen der Reihe IEC 62040 (VDE 0558) den Ausdruck „Standby-USV”.

USV-Anlagen im Parallelbetrieb

Funktionsprinzip

Der Wechselrichter ist parallel zum Wechselstromeingang geschaltet und lädt die Batterie. Daher wirkt er zusammen mit der Stromquelle des Wechselstromeingangs (Umkehrbetrieb) (siehe Abb. N17).

Abb. N17 – USV-Anlage im Parallelbetrieb „VI“

• Normalbetrieb
  Der Verbraucher wird mit bereits entstörter Leistung über einen parallelen Anschluss des Wechselstromeingangs und des Wechselrichters versorgt. Der Wechselrichter übernimmt die Entstörung der Ausgangsspannung und/oder das Laden der Batterie. Die Ausgangsfrequenz hängt von der Wechselstromeingangsfrequenz ab.
• Batteriebetrieb
  Liegt die Wechselstromeingangsspannung außerhalb festgelegter Toleranzwerte der USV-Anlage oder tritt ein Netzausfall auf, kommen der Wechselrichter und die Batterie zum Einsatz, um für den Verbraucher eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewährleisten. Dies geschieht nach einer unterbrechungsfreien Umschaltung mit Hilfe eines statischen Schalters, der ebenso den Wechselstromeingang trennt, um zu verhindern, dass Leistung vom Wechselrichter zu vorgeschalteten Anlagenteilen fließt. Die USV-Anlage läuft im Batteriebetrieb bis zum Ende der Überbrückungszeit der Batterie oder bis zum Ende des Netzausfalls, wodurch die Last zurück zum Wechselstromeingang übertragen wird (Normalbetrieb).
• Bypass-Betrieb
  Diese USV-Ausführung kann mit einer Bypass-Schaltung ausgestattet sein. Bei Fehlern in einer USV kann die Last zum Bypass-Wechselstromeingang übertragen werden (versorgt durch Netzbetreiber oder Ersatzstromversorgung, je nach Anlage).

Verwendung

Diese Ausführung ist nicht gut geeignet zur Regelung empfindlicher Verbraucher mit mittlerem bis hohem Leistungsbedarf, da keine Frequenzregelung möglich ist.

Aus diesem Grund wird sie am häufigsten für niedrige Bemessungsleistungen eingesetzt.

USV-Anlagen im Dauerbetrieb (mit einem gemeinsamen Gleichrichter für Wechselrichter und Batterie)

Funktionsprinzip

Der Wechselrichter ist in Reihe zwischen Wechselstromeingang und Anwendung geschaltet.

• Normalbetrieb
  Der Wechselrichter versorgt dauernd die Last und wird entweder aus der Wechselstromversorgung über den Gleichrichter oder aus der Batterie gespeist. Der Gleichrichter muss für das Laden und die Erhaltungsladung der Batterie geregelt ausgeführt sein.
• Batteriebetrieb
  Liegt die Wechselstromeingangsspannung außerhalb festgelegter Toleranzwerte der USV-Anlage oder tritt ein Netzausfall auf, kommen der Wechselrichter und die Batterie zum Einsatz, um für den Verbraucher eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewährleisten. Dies geschieht nach einer unterbrechungsfreien Umschaltung mit Hilfe eines statischen Schalters. Die USV-Anlage läuft im Batteriebetrieb bis zum Ende der Überbrückungszeit der Batterie oder bis zum Ende des Netzausfalls, wodurch die Last wieder über das Normalnetz versorgt wird (Normalbetrieb).
• Bypass-Betrieb
  Diese USV-Ausführung ist im Allgemeinen mit einer statischen Bypass-Schaltung ausgestattet, die auch als statischer Schalter bezeichnet wird (siehe Abb. N18).
  Die Last kann unterbrechungsfrei zum Bypass-Wechselstromeingang übertragen werden (versorgt durch Netzbetreiber oder Ersatzstromanlage, je nach Anlage), wenn Folgendes eintritt:
  
  • Ausfall der USV-Anlage,
  • kurzzeitige Überlastströme (oder Fehlerströme),
  • Lastspitzen.

Abb. N18 – USV-Anlage im Dauerbetrieb „VFI“

Dennoch setzt eine vorhandene Bypass-Schaltung voraus, dass die Eingangs- und Ausgangsfrequenzen identisch sind. Sind die Spannungswerte nicht identisch, ist ein Bypass-Transformator erforderlich.

Für bestimmte Verbraucher muss die USV-Anlage mit der Einspeisung vom Bypass synchronisiert werden, um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewährleisten. Weiterhin kann im Bypass-Betrieb der USV-Anlage eine Störung an der Stromquelle des Wechselstromeingangs direkt zum Verbraucher übertragen werden, weil der Wechselrichter nicht mehr länger zum Einsatz kommt.

Anmerkung: Häufig ist eine weitere Umgehung für Wartungszwecke verfügbar (häufig als Wartungsbypass bezeichnet). Sie wird über einen Handschalter geschlossen.

Verwendung

In dieser Ausführung ist die erforderliche Zeit zur Übertragung der Last zum Wechselrichter aufgrund des statischen Schalters vernachlässigbar.

Ebenso hängen Ausgangsspannung und -frequenz nicht von Eingangsspannung und -frequenz ab. Das bedeutet, dass die USV-Anlage ggf. als Frequenzumrichter betrieben werden kann.

Hier handelt es sich praktisch um die wichtigste Ausführung für den Mittel- und Hochleistungsbereich (10 kVA und höher). Im restlichen Kapitel wird nur diese Ausführung betrachtet.

Anmerkung: Diese USV-Ausführung wird häufig als „Online-USV” bezeichnet. Das heißt, dass der Verbraucher stets über den Wechselrichter versorgt wird, unabhängig von den Bedingungen an der Einspeisung des Wechselstromeingangs. Dieser Ausdruck ist allerdings irreführend, denn „On-Line“ bedeutet auch am Netz des Netzbetreibers. Nach IEC 62040-3 (VDE 0558-530) sollte der Ausdruck „On-Line“ nicht gebraucht werden, sondern „USV im Dauerbetrieb“.