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USV Wissen

USV Wissen Grundlagen USV-Systeme

Agenda:
1. Was heisst "USV"?
2. Welche USV-Typen gibt es, und wie funktionieren sie?
3. Line interactive (Hybrid USV): (Off-line USV + AVR) (Netzinteraktive-, Delta-Conversion- u. Single-Conversion USV's)
4. ON-Line USV (Dauerwandler /  Doppelwandler (Double-Conversion) USV's)
5. Was muss eine USV generell leisten können?
6. Worauf muss ich beim USV-Kauf achten:
7. Dimensionierung der USV (Kapazität ermitteln)
8. Einsatzgebiete
9. Umgebungsbedingungen einer USV
10. Was sind die Gründe für Störungen im Elektroversorgungsnetz?
11. Wie sieht die  gestörte Netzspannung aus?
12. Batterielebensdauer
13. Eingangsfilter
14. 6-Puls-, 12-Puls-, IGBT-Technologie und Oberwellen
15. IGBT-Gleichrichter
16. Oberwellen & Co.
17. Zu empfehlen Die USV – effizient soll sie sein
18. Automatisierung gewünscht?
19. Netzrückwirkung
20. Überlastbarkeit
21. Wirkungsgrad
22. Leistungsfaktor cos φ
23. Nennleistung
24. By-Pass Handumgehung, interne
25. By-Pass Handumgehung, externe
26. Lüftung/Kühlung des USV-Raumes
27. Batterie Lebenserwartung
28. Selektivität (Stromkreis)
29. Ablaufplanung USV
30. INFORMATION ÜBER UNTERHALT VON USV - ANLAGEN
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1. Was heisst "USV"?

USV ist die Abkürzung für "Unterbrechungsfreie Strom-Versorgung". (Engl. "UPS" (uninterrupted power supply))
In der heutigen computerisierten Zeit sind Daten und Programme in Computeranlagen so wichtig, dass keine Fehler auftreten dürfen. Kein zeitgemässer EDV-Anwender kann heute noch Datenverluste verantworten, welche durch Störungen oder Unterbrüche der Energieversorgung verursacht werden.
Die USV filtert die Netzspannung und schützt vor Spannungsspitzen und Spannungsunterbrüchen. Sie ist verantwortlich für ein einwandfreies Funktionieren der ihr angeschlossenen Geräte und lässt dem Anwender genügend Zeit, angefangene Arbeiten bei Netzausfall zu beenden, und die Geräte korrekt abzuschalten.
Selbstverständlich beschränkt sich der Gebrauch von USV nicht nur auf PC-Anwender sondern ist überall angezeigt, wo aus Sicherheitsgründen eine stete, regelmässige Spannungsversorgung nötig ist; wie z.B. bei Notbeleuchtungen, Alarmanlagen, Überwachungsanlagen…

2. Welche USV-Typen gibt es, und wie funktionieren sie?
Die technische Unterteilung ergibt sich aus der Schaltungstechnik einer USV:

  • Offline – USV  

  • Line-Interactive – USV (Hybrid USV bzw. Single-Conversion-USV)  

  • Ferro-Resonante USV

  • Online – USV


Offline – USV:



Eine Offline-USV stellt die einfachste Ausführung einer USV-Anlage dar. Im Normalbetrieb wird die eingehende Netzspannung gefiltert an den Verbraucher weitergegeben. Die Filter im Eingangskreis begrenzen Transienten (kurze, steile Spannungs- bzw. Stromänderungen) und hochfrequente Störungen nur teilweise. Dies ist durch den einfachen Aufbau der USV zu erklären. Die gefilterte Spannung aus dem Eingangskreis wird zum Laden der Akkus genutzt. Die Offline-USV geht dann in Funktion, wenn die normale Netzspannung ausfällt. Der Umschalter wird automatisch betätigt, der wiederum den Impuls für die Akkumulatoren auslöst, diese zu nutzen.
Die Akkumulatoren der USV speisen nach einer kurzen Reaktionszeit (>10ms) die angeschlossenen Verbraucher. Die Netzteile der Verbraucher überbrücken die Umschaltzeit durch die Speicherkondensatoren im Netzteil. Da aber Akkus nur Gleichstrom (DC) liefern wird dieser zuvor in Wechselspannung gewandelt, wobei die Form des Wechselstroms (AC) eher rechteckartig als sinusförmig ist. Die Offline-USV haben trotz des geringen Preises (einfacher Aufbau) nur einen kleinen Marktanteil.
Wichtig: Bei allzu schlechter Eingangsspannung besteht die Gefahr, dass ständig der Umschalter ausgelöst wird, obwohl eigentlich gar kein Stromausfall vorliegt. Dies kann wiederum die Akku`s stark beanspruchen ggf. sogar zerstören.
Nachtrag: Der Wirkungsgrad beträgt bei Offline-USV`s nur 90 Prozent.
Merkmale:

  • Wirkungsgrad bis zu 100%

Einsatzbereich:

  • PC's und Peripheriegeräte

  • Notlampen

  • kleine TK-Anlagen

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Erläuterung: WirkungsgradGibt das Verhältnis der abgegebenen Nutzleistung zur aufgenommenen Leistung in Prozent an. Je mehr Umschaltungen oder Filterkreise, desto geringer wird der Wirkungsgrad.

3. Line interactive (Hybrid USV): (Off-line USV + AVR) (Netzinteraktive-, Delta-Conversion- u. Single-Conversion USV's)



Schutz vor:

  • Stromausfall / Netzausfall

  • Spannungseinbruch / Spannungsabfall

  • Spannungsstösse

  • Unterspannung

  • Überspannung


Funktionsbeschreibung:
Bei diesem Mischverfahren zwischen Online- und Offline-Technik wird der Gleichrichter ständig zum Laden der Akkus betrieben, die Last aber normalerweise vom Netz versorgt. Über ein Mikroprozessor wird die Spannungsqualität des Netzes überwacht und im Falle von Unter-, Überspannungen oder Spannungsausfällen (Stromausfällen / Stromstörungen), die einen bestimmten Grenzwert überschreiten, springt sofort die USV ein und versorgt das angeschlossene System mit stabilisierter Spannung. Die USV ist daher aktiv/interaktiv.

Im Unterschied zur Offline-USV bietet die Line-Interaktive-USV eine stabilere Ausgangsspannung.

Vorteile:

  • extrem kurze Umschaltzeit

  • hoher Wirkungsgrad (ca. 98%)

  • hohe Filterleistung


Merkmale:

  • AVR = Automatic Voltage Regulator, sorgt für konstante Ausgangsspannung

  • Im Normalbetrieb wird die Netzspannung durch den Spannungskonstanthalter (AVR) geregelt. Der Wechselrichter wird erst bei Netzstörung oder -unterbruch aktiviert.


Einsatzbereich:

  • PC's und kleine Server

  • grössere Telekommunikationsanlagen

  • Kleinere Server-Systeme und Netzwerke


4. ON-Line USV (Dauerwandler /  Doppelwandler (Double-Conversion) USV's)




Schutz vor:

  • Stromausfall / Netzausfall

  • Spannungseinbruch / Spannungsabfall

  • Spannungsstösse

  • Unterspannung

  • Überspannung

  • Frequenzschwankungen

  • Schaltspitzen

  • Harmonische Oberwellen

  • Störspannungen


Funktionsbeschreibung:

Online USV's beliefern den Stromverbraucher (PC / Server) konstant mit künstlicher Spannung. Die Netzspannung dient nur zum Laden der Akkus. Die Spannung wird durch Umwandlung von Wechsel- zu Gleichstrom und wieder zurück vollkommen regeneriert. Deshalb werden Online-USV's auch als Dauerwandler bezeichnet.

Vorteile:

  • gleichbleibende Stromqualität am Ausgang gewährleistet

  • keine Umschaltzeit

  • lange Autonomiezeit


Nachteile:

  • höhere Investitionskosten

  • grösserer Energieverbrauch (schlechterer Wirkungsgrad ca. 90%)

  • Akku Lebensdauer zwischen 3 - 4 Jahren


Merkmale:

  • ON-Line heisst immer Energieversorgung über Wechselrichter, gleichgültig ob eine Netzstörung oder ein Netzunterbruch besteht.

  • In der Regel besteht bei Anlagen unter 10 kVA kein spezieller Service-by-pass.


Einsatzbereich:

  • Schutz von Risiko-Anwendungen in einer Umgebung mit häufigen Störungen im Versorgungsnetz

  • Hochsensible Netzwerkserver und Datenkommunikationssysteme


5. Was muss eine USV generell leisten können?

  • vor Netzunterbrüchen und Spannungsschwankungen schützen.

  • eine störfreie, stabile Spannung liefern; auch im Normalbetrieb.

  • die Akkumulatoren korrekt laden können.

  • vor Überlast durch angeschlossene Geräte geschützt sein.

  • bei Netzunterbruch akustisch und optisch warnen.

  • die Akkumulatoren vor Selbstentladung schützen und ungenügende Akkumulatorladung anzeigen.


6. Worauf muss ich beim USV-Kauf achten:

  • Die USV sollte im Netzspannungsbereich von min. 200V bis max. 250V im Normalbetrieb arbeiten können.

  • Die Ausgangsspannung der USV von 230 Volt darf max. um ± 5-10 % abweichen.

  • Es muss eine Überlast- und Kurzschlusssicherung vorhanden sein.

  • Die USV muss Unter- und Überspannungen ausgleichen können.

  • Sie muss äusserst zuverlässig arbeiten.

  • Die USV-Leistung sollte grösser sein als alle Verbraucher zusammen, die an die USV angeschlossen werden sollen; in der Regel um 25%.

  • Die Autonomiezeit vom Netz muss mindestens 5 - 10 Minuten bei voller Last betragen.

  • Der Hersteller des Produktes muss eine einwandfreie Qualität garantieren und einen funktionierenden Service (Ersatz innert 24 h) bieten.

  • Die USV sollte für das Arbeiten mit Software im Netzwerkbetrieb vorgesehen werden.


Neben der zu sichernden Last sind lange Akkulaufzeiten und ein elektrisch sauberes Ausgangssignal die wichtigen Eigenschaften einer USV.

  • Die Akkulaufzeit hängt von der Kapazität der mitgelieferten Akkus ab. Grob gilt: Akkus mit 250 VAh liefern ca. 20 Min. Ersatzstrom, mit 160 VAh lassen sich ca. 12 Min. stromlos überbrücken. (Akku - Lebensdauer zwischen 3 und 10 Jahren)


7. Dimensionierung der USV (Kapazität ermitteln)
Wie hoch ist der abzusichernde Leistungsbedarf (Strombedarf )?Auflisten aller Geräte, die mit einer USV abzusichern sind. Nicht zu vergessen sind dabei auch Bildschirme, Terminals, externe Datenspeichergeräte sowie andere kritische Peripheriegeräte. Jedes der zu schützenden Systeme gibt auf einem Typenschild die Anschlussleistung in Volt-Ampere (VA) (Scheinleistung / (S)) oder Watt (W) (Wirkleistung) an. Alle VA-Werte oder Watt-Werte von den abzusichernden Verbrauchsgeräten (PC Netzteil, Monitor, Drucker usw.) ablesen und zusammenzählen.
Umrechung:

 


Hinweis: Kommt man z.B. nach Addition aller Komponenten auf  460 VA, wird empfohlen eine USV von z.B. 750 VA oder 1000 VA einzusetzen. Eine 500 VA USV würde eventuell knapp ausreichen um in der Anfangsphase die Geräte bei einem Stromausfall zu überbrücken, da aber die Akkus mit fortgeschrittener Lebensdauer an Kapazität verlieren ist eine gewisse Überdimensionierung von Vorteil. Auch Spannungsspitzen wie sie beim Einschalten von Geräten entstehen, sollten berücksichtigt werden. Und nicht zuletzt sollte die Kapazität für eventuelle spätere System-Erweiterungen ausreichend dimensioniert werden.
Erläuterung: Scheinleistung / Nennleistung und WirkleistungUnter Scheinleistung (S) (Nennleistung) versteht man die Dauerleistung des in einer USV integrierten Wechselrichters und wird in Voltampere (VA) angegeben.
Die tatsächliche Wirkleistung (P) ermittelt man gemeinsam mit dem Leistungsfaktor cos φ nach der Gleichung P = S * cos φ Richtwerte: Nennleistung (möglicher Verbrauch).



Welches ist die erforderliche Überbrückungszeit?Standard 5 - 10 Minuten.
Wenn man längere Überbrückungszeiten benötigt, muss die USV entsprechend grösser dimensionieren.
Beispiel: Für einen PC mit TFT - Bildschirm ohne zusätzliche Peripheriegeräte reicht eine 500VA USV. Soll aber eine grössere Überbrückungszeit gewährleistet sein kann z.B. eine 1500VA oder eine 2000 VA USV eingesetzt werden. Wie sensibel reagieren die jeweilige Anwendung auf Spannungs- / Stromstörungen?(PC's sind nicht allzu empfindlich, da die Netzteile bereits kleine Schwankungen ausgleichen können. D.h. für einen normalen PC braucht es im Normalfall keine Online USV. Eine Line Interactive USV bietet im Preis/Leistungsverhältnis den optimalen Schutz.
Autonomie
Unter Autonomie wird bei USV-Anlagen die Überbrückungszeit bei Netzausfall verstanden. Die Autonomie ist abhängig von der Kapazität der verwendeten Batterieanlage und dem Belastungsgrad der USV. Bei Kurzzeitentladungen der Batterie (z.B. 10 Minuten) kann durch Halbierung der Last eine Verdreifachung der Autonomie erreicht werden. Dies hängt mit dem Entladeverhalten der Batterien zusammen. Zweckmäßigerweise wählt man für USV-Anlagen Autonomiezeiten zwischen 10 und 30 Minuten.

8. Einsatzgebiete

  • PC

  • Server

  • LAN-Knoten

  • Telefonanlagen (Telecom-Systeme)

  • Steuerungen

  • Klimaanlagen

  • Notstromversorgungen (z.B. Notbeleuchtungen)

  • Alarmanlagen

  • Überwachungsanlagen

  • Kassensysteme

  • Automationsanlagen der Industrie

  • Zutrittskontrollsysteme


9. Umgebungsbedingungen einer USV

Um für das Individuelle Einsatzgebiet die richtige USV zu finden, ist es wichtig, vor dem Kauf die Umgebungsbedingungen zu analysieren:

Ist die Netzspannung schwankend (nicht konstant)?

Wird das Netz durch eigene/fremde Verbraucher beeinträchtigt?

Welcher Verbraucher soll bei einem Netzausfall weiter versorgt werden und wie lange?

10. Was sind die Gründe für Störungen im Elektroversorgungsnetz?

  • Stürme, Blitze, Erdbeben

  • Kurzschlüsse, normale Stromabschaltungen

  • elektromagnetische und hochfrequente Störungen in Industriequartieren



11. Wie sieht die  gestörte Netzspannung aus?




12. Batterielebensdauer
Die Lebensdauer der Batterie eines USV-Systems hängt von vielen Faktoren ab. Die wichtigsten sind:
Bauart, Umgebungstemperatur, Wechselrichterrückwirkung, Ladeverfahren, Wartung.Die Umgebungstemperatur geht direkt in die Lebensdauer von verschlossenen Batterien ein, bei geschlossenen Batterien steigt der Wasserverbrauch deutlich an. Die Filterung der Gleichspannung nach dem Gleichrichter bzw. die Restwelligkeit der Gleichspannung ist ebenso ein wesentliches Kriterium für die Lebensdauer der Batterien. Je besser die Siebung, je geringer also die Restwelligkeit (Ripple), desto länger ist die Lebensdauer Batterie. Allerdings machen sich die Filterungen im DC-Zwischenkreis (wie alle Filter!) negativ im Wirkungsgrad bemerkbar. Bei wartungsarmen bzw. offenen Batteriesystemen ist selbstverständlich die Wartung (Nachfüllen von destilliertem Wasser) ein wesentliches Kriterium der Lebensdauer. Die Temperatur spielt bei solchen Batteriesystemen eine eher untergeordnete Rolle.

13. Eingangsfilter
Eingangsfilter können passive Oberschwingungsfilter (abgestimmte Filterkreise) oder eine elektronische PFC-Schaltung (Power Factor Correction) sein und vermindern die netzseitigen Oberschwingungsströme.

14. 6-Puls-, 12-Puls-, IGBT-Technologie und Oberwellen
12-pulsige Gleichrichter werden aus 2 Sätzen 6-puls Gleichrichtern aufgebaut, wobei vor einem Gleichrichter ein sog. Phase-Shift Trafo geschaltet wird, der eine Phasenverschiebung der 3 Netzphasen um 30° elektrisch (bzw. ein Vielfaches von 30° el.) bewirkt. Dadurch wird elektrisch ein "6-Phasen System" erzeugt wodurch die Netzrückwirkungen entscheidend verringert werden.

Die Gleichrichterschaltungen haben erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad und den Netzrückwirkfaktor, welcher durch eine entsprechend größere Netzersatzanlage kompensiert werden muss. Somit wirkt sich die Gleichrichterschaltung direkt auf die Kosten des Gesamtsystems aus.

15. IGBT-Gleichrichter
Es gibt heute kaum noch einen USV-Anbieter, der seine USV-Anlagen nicht mit der so genannten IGBT-Technik ausstattet. Die IGBT-Technik bietet neben einem hohen Wirkungsgrad und einem sehr geringen Netzrückwirkfaktor eine Reihe weiterer Vorteile, die in der Leistungselektronik genutzt werden.
Das Wort IGBT ist eine Abkürzung der englischen Bezeichnung insulated-gate bipolar transistor, also ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode. Es vereint die Vorteile des Bipolartransistors (gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung und Robustheit) mit den Vorteilen des Feldeffekttransistors (nahezu leistungslose Ansteuerung).Da der IGBT den Laststrom begrenzt, zeigt er auch eine gewisse Robustheit gegenüber Kurzschlüssen, wenn auch nur eine gewisse. Mit der IGBT-Technologie kann somit ein robustes und hochgradig fehlertolerantes System aufgebaut werden, das auch höchsten Lasten und den ungünstigsten Stromnetzbedingungen standhält. Rein wirtschaftlich betrachtet, werden USV-Anlagen mit IGBT-Technologie heutzutage bis zu einer Leistung von 500 kVA eingesetzt, weshalb sie bis in diesen Bereich auch weit verbreitet sind. Bei größeren Leistungen sind die IGBT-Halbleiter derart teuer, dass ein Einsatz wirtschaftlich derzeit noch nicht zu empfehlen ist.

16. Oberwellen & Co.
Alle Verbraucher und hauptsächlich Verbraucher mit nichtlinearen Lasten wie Netzteile verändern den sauberen Sinus des Netzsignals. Diese dadurch produzierten Oberwellen sind Vielfache der Grundfrequenz von 50 Hertz.
Man definiert den Oberwellengrad als das Verhältnis zwischen der Frequenz der Oberwelle und der Grundwellenfrequenz. So hat beispielsweise die 3. Oberwelle eine Frequenz von 150 Hertz. Die Zahlenreihe besteht durchweg aus ungeraden Zahlen, also die 3., 5., 7., 9., 11. Oberwelle.
Ein Maß für die Oberwellen ist der Oberwellenfaktor oder THD (Total Harmonic Distortion). Er gibt den Anteil der Oberwellen in Bezug zur Grundwelle an und wird in Prozent angegeben. Je kleiner der Faktor, desto besser. Werte über acht Prozent können sehr kritisch sein.

17. Zu empfehlen Die USV – effizient soll sie sein

Die in den USV-Anlagen produzierten Oberwellen bestimmen letztlich auch den Netzrückwirkfaktor der USV-Anlagen. Dabei sind typischerweise bei 6-Puls-Anlagen die 5. und 7. Oberwelle besonders stark ausgeprägt, während bei 12-Puls-Anlagen die 11. und 13. Oberwelle stark ausgeprägt sind. Einphasige Verbraucher sind meist für die 3. Oberwelle verantwortlich. Das Oberwellenspektrum ist wichtig bei der Dimensionierung von Netzersatzanlagen, da sie den Netzrückwirkfaktor bestimmen und somit den Faktor, um welchen der Generator größer als die benötigte Last ausgelegt werden muss. USV-Anlagen mit IGBT-Technologie weisen fast keine Oberwellen und somit fast keinen Netzrückwirkfaktor auf. Daher empfiehlt sich, heutzutage nur noch USV-Anlagen einzusetzen, welche als Gleichrichter eine 12-Puls Brückenschaltung haben oder einen aktiven IGBT-Gleichrichter.
Die USV und ihre Kommunikation im Netzwerk: Je nach Hersteller gibt es eine Vielzahl von Ein- und Ausgängen, die eine USV zur Verfügung stellt. Selbstverständlich haben auch alle Schnittstellen ihre Berechtigung.
Allerdings sollte man sich genau überlegen, welche Schnittstelle man tatsächlich benötigt, wie zuverlässig der Datenpunkt ist und was man mit diesem Datenpunkt erreichen will. Wichtig in diesem Zusammenhang ist, ob er lediglich als Anzeige dient oder ob Schalthandlungen darüber ausgelöst werden sollen.

18. Automatisierung gewünscht?
Oft werden über die SNMP-Schnittstelle auch Shutdown-Befehle an Server abgesetzt, sobald die Eingangsspannung an den USV-Anlagen fehlt und eine Mindestüberbrückungszeit unterschritten wurde. Dies kann durchaus Sinn machen, um Server vor dem totalen Ausfall geregelt herunterzufahren. Eine Automatisierung birgt jedoch auch immer die Gefahr, dass Dinge passieren, die so nicht gewollt waren.Das Steuern der Starkladeunterdrückung und –freigabe kann im Notstrombetrieb ebenso Sinn machen wie eine Ausgangsmeldung, beispielsweise an eine Kompensation zur Schnellabschaltung, wenn die USV-Anlage auf den internen Bypass automatisch umschaltet.
Die Wiedergabe von Inhalten aus dem Handbuch von Bernd Dürr „IT-Räume und Rechenzentren planen und betreiben“ erfolgt mit freundlicher Genehmigung des Verlags Bau und Technik.
Die Wiedergabe von Inhalten aus dem Handbuch von Bernd Dürr „IT-Räume und Rechenzentren planen und betreiben“ erfolgt mit freundlicher Genehmigung des Verlags Bau und Technik.  (Bild: Verlag Bau und Technik)  
*Der Inhalt für diesen Artikel stammen aus dem Buch „IT-Räume und Rechenzentren planen und betreiben“. Er wurde DataCenter-Insider vom Autor Bernd Dürr und dem Verlag Bau und Technik zur Verfügung gestellt. Der Content wurden von der Redaktion für die Online-Darstellung jedoch geringfügig bearbeitet. Im Original sind mehr Bilder und weitere Erklärungen enthalten, zum Beispiel zu Ausgangs-Wechelrichter und Ausgangstransformatoren und 12-Puls-Brückenschaltung.

19. Netzrückwirkung
Unter Netzrückwirkung versteht man die von einer USV-Anlage (oder allgemein von einem Verbraucher) verursachten Störungen des Versorgungsnetzes (des speisenden Netzes). Die Netzrückwirkungen entstehen durch die vom Eingangsgleichrichter erzeugten Oberschwingungsströme, welche über die Netzimpedanz der vorgelagerten Netzes Spannungsabfälle entsprechend der Frequenz der Oberschwingungsströme verursachen und der Netzspannung überlagert sind. Die Folge davon ist eine Verzerrung der Netzspannung, welche durch den Wert THD-U (Total Harmonic Distortion of Voltage) ausgedrückt wird. Dieser Wert darf bestimmte Grenzen nicht überschreiten. Ganz besonders wesentlich sind die Netzrückwirkungen, wenn die USV-Anlage von einem Ersatzstromaggregat (Dieselaggregat) versorgt wird, da in diesem Fall die Netzimpedanz relativ hoch ist (kleine Kurzschlussleistung).
Als Gegenmaßnahmen werden oft Eingangsfilterschaltungen bzw. 12-pulsige Gleichrichter oder Kombinationen davon eingesetzt.


20. Überlastbarkeit
Die Überlastbarkeit des Wechselrichters ist wichtig für kurzzeitige Einschaltvorgänge von USV-Verbrauchern. Die Überlastfähigkeit muss sich jedoch auf den Betrieb bei Netzausfall beziehen! Manche Hersteller geben jedoch die Überlastfähigkeit bei Netzbetrieb an. Diese Angaben sind wertlos! Die Überlastfähigkeit im Wechselrichterbetrieb soll mind. 150% für 1 Minute betragen.
Während Netzbetrieb sind USV-Anlagen im Dauerwandlerbetrieb über den sog.Statischen ByPass überlastsicher. Sollte am Ausgang eine sehr große Überlast oder gar ein Kurzschluss auftreten, wird die Last synchron und unterbrechungsfrei über diesen ByPass auf das Netz geschaltet. Nach Abklingen der Überlast oder Wegschalten des Kurzschlusses durch die Verbrauchersicherung wird wieder synchron und unterbrechungsfrei auf den Wechselrichter zurückgeschaltet.

21. Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad ist heute wohl das meistumworbene Argument für die Kaufentscheidung einer USV-Anlage. Unter Wirkungsgrad versteht man das Verhältnis der abgegebenen Nutzleistung zur aufgenommenen Leistung in Prozent. Bevor man jedoch den Kauf einer Anlage wegen eines so besonders günstig erscheinenden Wirkungsgrades in Erwägung zieht sollte man folgende Zusammenhänge beachten:
Jeder Filter (DC-Filter, Zwischenkreisdrossel, AC-Ausgangsfilter) verbessert die Systemeigenschaften bzw. die Lebensdauer der Batterie, vermindert aber den Wirkungsgrad! Auch der Ausgangstrenntransformator ist ein wesentliches Kriterium für die Spannungsgüte der Ausgangsspannung, vermindert aber den Wirkungsgrad (sog. "eisenlose Anlagen" oder "second generation").
Wenn Sie sich ein sicheres Auto kaufen wollen, werden Sie auch nicht das leichteste und im Verbrauch günstigste Auto wählen, sondern einen vernünftigen Kompromiss zwischen Sicherheit und Wirtschaftlichkeit schließen.
Der Wirkungsgrad einer USV-Anlage sollte für Ihre Kaufentscheidung nur von zweitrangiger Bedeutung sein! Vernünftige Wirkungsgrade liegen heute zwischen 92 und 95%. Anlagen mit besseren Wirkungsgraden bringen entscheidende Einbußen in der Sicherheit (trafolos!) oder in der Batterielebensdauer bzw. in der Systemperformance.
Haben Sie jedoch noch alte Anlagen mit einem Wirkungsgrad von <88% in Betrieb, dann sollten Sie sich doch einen Neukauf überlegen.

22. Leistungsfaktor cos φ

In Stromversorgungseinrichtungen wird zur Vermeidung von Übertragungsverlusten ein möglichst hoher Leistungsfaktor angestrebt. Im Idealfall beträgt er genau 1, praktisch aber nur etwa 0,95 (induktiv). Bei Motorenanlagen mit Asynchronmaschinen besteht die Gefahr der Selbsterregung, wenn die Blindleistung vollständig kompensiert wird. Außerdem würde ein kapazitiver Leistungsfaktor zu Überspannungen an Isolationen von Leitungen und elektrischen Verbrauchern führen. Energieversorgungsunternehmen schreiben für ihre Kunden häufig einen Leistungsfaktor von mindestens 0,9 vor. Wird dieser Wert unterschritten, so wird die bezogene Blindarbeit gesondert in Rechnung gestellt. Für Privathaushalte spielt das jedoch keine Rolle. Zur Erhöhung des Leistungsfaktors dienen Anlagen zur Blindleistungskompensation. Photovoltaikanlagen sind seit dem 1. Januar 2012 in Deutschland verpflichtet, je nach Anlagengröße einen von 0,9 oder 0,95 (induktiv) zu liefern, um die lokale Netzspannung zu stabilisieren.
Leistung im Wechselstromkreis
Wird ein induktiver bzw. kapazitiver Widerstand an eine Wechselspannung angeschlossen, so tritt analog zu den Widerständen neben dem schon vorhandenen Wirkanteil zusätzlich noch ein Blindanteil in Erscheinung.
Der Blindanteil kommt durch die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung der Induktivität bzw. der Kapazität zustande. Bei einem rein ohmschen Widerstand liegen Strom und Spannung in gleicher Phase, daher hat ein rein ohmscher Widerstand keinen Blindanteil.

Der Blindanteil der Leistung wird als Blindleistung Q bezeichnet. Seine Einheit ist var.
Der Wirkanteil wird als Wirkleistung P bezeichnet. Seine Einheit ist W.
Die Gesamtleistung im Wechselstromkreis ist die Scheinleistung S. Sie hat die Einheit VA.
Die Scheinleistung berechnet sich aus der Wirkleistung P und der Blindleistung Q, gemäß dem Satz des Pythagoras, daraus ergibt sich hier:
S = Wurzel(Q2 + P2).
Zur besseren Unterscheidbarkeit der drei Leistungsarten verwendet man die drei unterschiedlichen Einheiten var, W und VA.

Zwischen der Wirkleistung P und der Blindleistung Q gibt es eine Phasenverschiebung von 90°.
Das Leistungsdreieck verdeutlicht die Zusammenhänge.

Leistungsfaktor cos φ
cos φ wird als Wirkleistungsfaktor oder kurz als Leistungsfaktor bezeichnet. Er wird häufig auf den Typenschildern von Elektromotoren angegeben. Der Leistungsfaktor cos φ ist das Verhältnis zwischen Wirkleistung P und Scheinleistung S.

23. Nennleistung
Unter Nennleistung einer USV-Anlage versteht man die Dauerleistung des Wechselrichters in VA (kVA). Wichtig dabei ist, dass die Nennleistung zusammen mit dem Nenn-Leistungsfaktor (cos-phi) angegeben wird. Nennleistungsangaben mit dem Index "CP" sind vorgetäuschte Leistungen, da hier meist ein Leistungsfaktor von ca. 0,6 bis 0,66 vorausgesetzt wird. Seriöse USV-Anbieter dimensionieren die Wechselrichter mit einem Nennleistungsfaktor von 0,8. Die Umrechnung der Scheinleistung S (VA) in Wirkleistung P (W) ergibt sich aus P = S x cos-phi.
Die Nenn-Wirkleistung eines Wechselrichters ist ein Maß für dessen max. thermische Belastbarkeit und beeinflusst die Batteriedimensionierung.
Wenn ein Anbieter z.B. eine USV-Anlage mit 30 kVA / cos-phi 0,7 anbietet, so ist die Batterieleistung gegenüber einer Anlage mit 30 kVA / cos phi 0,8 bei gleicher Autonomie um 12,5% geringer bemessen! Eine Nennleistungsangabe von 30 kVA-CP ergibt eine um bis zu 25% geringer bemessene Batterie!

24. By-Pass Handumgehung, interne
Die interne Handumgehung überbrückt den statischen Bpypass mittels eines Lastschalters und verbindet die Netzeingangsspannung mit dem USV-Ausgang. Nach Einlegen der internen Handumgehung kann die USV-Anlage Eingangsseitig und Ausgangsseitig (Rückspannung!) vom Netz getrennt; sie wird meist für Wartungsarbeiten benützt. ACHTUNG: Nicht alle Teile der USV-Anlage können mit der internen Handumgehung spannungsfrei geschaltet werden.

25. By-Pass Handumgehung, externe

Eine externe Handumgehung ist eine von der USV-Anlage unabhängige Bypass-Schaltung und verbindet die Netzspannung über eine Lastschalteranordnung direkt mit der USV-Verteilung. Gleichzeitig kann mit dieser Schaltung die USV-Anlage sowohl eingangs- als auch ausgangsseitig spannungsfrei geschaltet werden. Die Ausrüstung eines USV-Systems mit einer externen Handumgehung ist unbedingt anzustreben, da dadurch die komplette Anlage ohne Unterbrechung der Verbraucherspannung notfalls auch ausgetauscht werden kann.

26. Lüftung/Kühlung des USV-Raumes
Die anfallende Abwärme einer USV-Anlage liegt je nach Grösse und Betriebsart zwischen 5 und 10 % der Nennleistung. Diese anfallende
Wärmemenge muss aus dem Raum abgeführt werden, denn auch bei einem längeren Netzausfall, darf sich der Raum nicht über 40° C erwärmen,
da sonst die Anlage abschaltet. In einem 30° C warmen Raum arbeitet die USV mühelos, die Lebenserwartung der Batterieanlage hingegen sinkt rapide.
Zur Vermeidung von Explosionsgefahr muss im Batterieraum ein minimaler Luftaustausch vorhanden sein. Denn auch wartungsfreie, gasdichte, ventilgesteuerte
Batterien geben geringe Mengen an Gasen (hauptsächlich Wasserstoff) ab. Die zugeführte Kühlluft sollte möglichst rein und staubfrei sein. Das
Zuführen von verschmutzter Luft aus Parkhäusern oder aus metallverarbeitenden Betrieben kann zu Problemen führen.


27. Batterie Lebenserwartung
Die Lebenserwartung einer Batterie bezieht sich auf eine permanente Umgebungstemperatur von 20° C. Je höher die Temperatur, desto geringer
wird die Lebenserwartung der Batterien. Bei einer Raumtemperatur von 30° C sinkt die Lebenserwartung der Batterien um ca. 50 %. Auf folgende
Punkte muss deshalb besonders geachtet werden.

  • Genügend Lüftung, eventuell Klimatisierung des Batterieraumes

  • Keine direkte Sonnenbestrahlung

  • Vermeiden einer Erwärmung durch warme Abluft anderer Geräte


Bei kurzen Autonomiezeiten sind die Batterien meist in der USV-AnIage selbst untergebracht. Bei längerer Autonomiezeit werden die Batterien entweder
in Schränken oder in einem Batteriegestell eingebaut. Batteriegestelle dürfen aufgrund ihrer offenen Bauart nur in technischen Betriebsräumen
eingesetzt werden. Folgende Grundsatzentscheide müssen bezüglich Batterieanlage getroffe werden:

  • Standort der Batterieanlage (separat oder im gleichen Raum wie USVAnlage)

  • Verwendung von Gestell oder Schrank

  • Lebenserwartung an die Batterien

  • Sinnvolle Autonomiezeit für die Anwendung


28. Selektivität (Stromkreis)
Selektivität bedeutet, dass bei einem Fehler in einem Stromkreis von in Reihe geschalteten Überstromschutzeinrichtungen oder Fehlerstromschutzschaltern nur das Gerät auslöst, das sich unmittelbar vor der Fehlerstelle befindet. Sie ist eine Funktion des Netzschutzes. Die Selektivität gewährleistet in einem Strahlennetz, d.h. ein Stromnetz welches von einem zentralen Punkt aus gespeist wird, dass trotz des Fehlers möglichst viele Teile der elektrischen Schaltung oder Anlage in Betrieb bleiben und nur das Sicherungselement vor der Fehlerstelle auslöst.
Man unterscheidet dabei Stromselektivität, die durch unterschiedlich hohe Auslöseströme der Schutzeinrichtung erreicht wird und Zeitselektivität, die durch eine unterschiedliche zeitliche Verzögerung der Auslösung der Schutzeinrichtungen erreicht wird.

29. Ablaufplanung USV

  • Wo soll die neue USV aufgestellt werden?

  • Ist der Raum dafür geeignet ?

  • Sind gegebenenfalls baurechtliche Vorschriften zu beachten ?

  • Wo soll die neue USV angeschlossen werden?

  • Sind die Elektroanschlüsse vorhanden ?

  • Sind die Elektroanschlüsse für den Anschluss, in Menge und Leistung, ausreichend dimensioniert ?

  • Ist die vorgeordnete Elektroverteilung ausreichend dimensioniert ?

  • Haben Sie Ihre verantwortliche Elektrofachkraft in diese Maßnahme mit eingebunden ?

  • Was soll an die neue USV angeschlossen werden?

  • Server, Switche, Modems, Firewalls, TK-Anlagen, ...

  • Lüfter, Klimaanlagen, Alarmanlagen, Videoüberwachungsanlagen, ...

  • Welche Betriebsstörungen sind vorgekommen oder möglich ?

  • Spannungsausfälle durch den Versorger oder fehlerhafte Schalthandlungen

  • Spannungsausfälle durch planmäßige Wartungsarbeiten oder defekte Anlagenteile

  • Wie können diese Betriebsstörungen kompensiert werden ?

  • Versorgung über einen 2. Hausanschluss oder aus einem 2. Mittelspannungsring

  • Versorgung durch ein Notstromaggregat

  • Versorgung über Umschalteinrichtungen aus anderen Anlagenteilen


30. INFORMATION ÜBER UNTERHALT VON USV - ANLAGEN

ZWECK EINES UNTERHALTS
Die Erfahrung zeigt, dass USV - Anlagen an denen regelmässig, d.h. einmal bis zweimal pro Jahr    eine Wartung durchgeführt wird, einen absolut störungsfreien Betrieb gewähren. Dies ist daraus abzuleiten, dass Abweichungen bei Steuer -/ und Referenzspannungen, sowie Unregelmässigkeiten in der Batterieanlage, frühzeitig erkannt und behoben werden können. Damit die Batterien   bzw. USV-Anlagen eine maximale Lebensdauer erreichen und um weitere Störungen auszu-schliessen, empfehlt DERUNGS-ELECTRONIC eine Wartung durchzuführen. Service Preise auf Anfrage.

WAS BEINHALTET EIN UNTERHALT
Da die USV - Anlage eine Sicherheitsanlage ist,muss eine dauernde Funktion sichergestellt werden.  Dies wird mit einer regelmässigen Kontrolle und Messungen der wichtigen Bauteile und der Batte-     rien erreicht.


Wartung USV & Notlichtanlage durch DERUNGS-ELECTRONIC

1. Reinigung der gesamten Anlage
 - Temperaturmessung
 - Ventilatorreinigung, usw.

2. Kontrolle der Batterieanlage
 - Numerierung der einzelnen Batterien (Nr.)
 - Batterieladespannung
 - Batterieladestrom
 - Überprüfung des Tiefentladeschutzes
 - Schubladenmessung
 - Messung der einzelnen Zellen unter Last
 - Anschlusskontrolle

3. Justierung aller elektronischen Einstellungen, wie
 - Frequenz und Spannung am Ausgang
 - Phasenverschiebung
 - Synchronisierung
 - Regel-/ und Lastkreis, usw.

4. Ueberprüfung aller Funktionen mittels Simulation:
- Überlastumschaltung
- Stromausfall
- elektronische Netzumschaltung
- Freischaltung des USV-Systems


EINE WARTUNG BRINGT NUR VORTEILE

USV-Anlagen haben die Aufgabe, empfindliche Verbraucher vor Netzstörungen zu schützen. Dazu gehören nicht nur   kürzere oder längere Netzausfälle, sondern auch Störungen wie Spannungsspitzen, Spannungsschwankungen, Frequenz-schwankungen usw. Folgende Netzstörungen könen bei empfindlichen Verbraucher Funktionsstörungen oder sogar   Schäden bewirken.

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