MEERBUSCH: Im zweiten und letzten Teil unseres Technikbeitrages beschreibt Autor Walter V. Steinfeld* die Sinus-Dauerwandler-Technologie von unterbrechungsfreien Stromversorgungen sowie verschiedene Ausführungen der Stromsicherungstechnik.Netzinteraktive Technologien (zum Teil auch "No-break" oder "Online" genannt) haben im Unterschied zu den Offline-Systemen die Zielsetzung,
- die Umschaltlücke im Netzausgang zu verhindern,
- die Ausgangsspannung in bestmöglicher Form zu stabilisieren,
- Netzfehler wie Rauschen, HF-Transienten, Unter- und Überspannung zu kompensieren.
Typischer Vertreter der netzinteraktiven Technologien sind Ferro-Resonanzsysteme. Im Ausgang dieser USVs sitzt ein magnetischer Konstanter mit interessanten Eigenschaften: Er bietet je nach Ausführung eine galvanische Trennung der Last, filtert Netzstörungen in ausgezeichneter Weise und kompensiert Spannungsunterbrechungen bis 30 Millisekunden. Erfolgt ein Stromausfall, wird wie beim Offline-System der Wechselrichter in Betrieb genommen und speist diesen Konstanter.
Die Lastübernahme erfolgt also unterbrechungsfrei, weshalb diese Systeme auch als No-break-Systeme bezeichnet werden. Wie beim Offline-System kann der Gleichrichter sehr kostengünstig ausgeführt werden, da er niemals die volle Inverter-Leistung liefern muß (sofern kein Umkehrstromrichter vorliegt).
Auch von diesem USV-Design gibt es zahlreiche Variationen. Die Qualität dieser Systeme ist davon abhängig, in welcher Art und Weise der magnetische Konstanter eingesetzt wird. Im Idealfall findet die Lastversorgung zu 100 Prozent über ihn statt, wodurch eine sehr gute Filterung der Netzspannung gegeben ist. Allerdings ist der Wirkungsgrad in diesem Fall wesentlich schlechter als im Offline-Betrieb (oder als bei einem guten Sinus-Dauerwandler). Bei einem anderen Konstruktionsprinzip läuft der Konstanter nur im Teillastbetrieb mit. Dadurch können die Auslegung und die Kosten für diese Komponente deutlich reduziert werden. Nachteil ist, daß die Siebung eine geringere Qualität aufweist und bei der Lastaufschaltung auf den Inverter ein Spannungseinbruch bei ein bis zwei Halbwellen zu beobachten ist.
Wesentlich jedoch ist auch beim netzinteraktiven Technologieprinzip, daß der Inverter erst bei Stromausfall die volle Ausgangsleistung übernimmt. Auch hier gilt also: Es besteht keine Sicherheit, ob das System bei Netzausfall die Last auch wirklich übernimmt.
Sinus-Dauerwandler-Online-Technologie
Wir haben gesehen, daß alle bisher beschriebenen Technologien einen entscheidenden Nachteil haben: Die Last wird nicht direkt aus dem Inverter gespeist, sondern erst bei Netzausfall. Wieso aber ist das eine entscheidende Forderung für die Versorgungssicherheit, die eine USV sicherstellen soll?
Jeder kennt den unliebsamen Effekt: Man betritt einen dunklen Raum und betätigt den Lichtschalter. Kurz blitzt die Glühbirne auf, und mit einem unangenehmen Plopp verabschiedet sich die Glühbirne. Dieser Effekt tritt weit häufiger auf, als ein Beleuchtungskörper während des Betriebes seinen Geist aufgibt. Viele Leser wissen sicherlich auch, daß eine ständig eingeschaltete Leuchtstoffröhre theoretisch eine unendliche Lebensdauer hat.
Es müssen also in vielen Fällen ursächlich Schaltvorgänge dafür verantwortlich sein, warum eine elektrische Baugruppe einen technischen Defektzustand annimmt. Immer dann, wenn eine Änderung des Betriebszustandes eines technischen Systems erfolgt, steigt die Fehlerhäufigkeit.
Exakt diesem Problem stehen USV-Schaltprinzipien gegenüber, die bei Netzausfall eine urplötzliche Reaktion (Sprungantwort) des elektrischen Systems erfordern. Wenn also aufgrund der Schaltungstechnologien Einschaltvorgänge beziehungsweise pulsförmige Reaktionen notwendig sind, bedeutet das für den elektrischen Strom notwendige Phasensprünge beziehungsweise Richtungsänderungen des Stromflußes. Diese dynamischen Vorgänge, die im Bruchteil einer Millisekunde ablaufen, bedeuten für Halbleiter extreme Belastungen. Die pulsförmige Änderung der Stromwerte oder Stromrichtungen haben enorme Änderungen des elektrischen Feldes innerhalb der Halbleiterkomponenten zur Folge, die letztlich kritische Belastungswerte für diese Komponenten darstellen.
l Beim Prinzip des Sinus-Dauerwandlers wird die Netzspannung in den Ladegleichrichter eingespeist. Dieser Ladegleichrichter liefert eine Gleichspannung, die bei Netzbetrieb die Batterie lädt und gleichzeitig den Wechselrichter speist. Die Wechselrichter-Baugruppe (Inverter) wandelt den Gleichstrom in Wechselspannung um. Somit ist der Sinus-Dauerwandler ein echter Stromgenerator, der die Last unter Erzeugung einer völlig eigenen sinusförmigen Netzspannung ständig und ohne Einschränkungen versorgt. Diese USV-Ausgangsspannung verfügt über wesentlich bessere Eigenschaften: Die Ausgangsspannung hat einen besseren Klirrfaktor, als vom Netz geboten, das heißt die Hüllkurve der Netzspannung entspricht eher der idealen Sinusform, verglichen mit der Spannung aus der Steckdose.
- Die Netzfrequenz ist weitaus stabiler als vom EVU sichergestellt.
- Störungen von netzparallelen Verbrauchern (etwa die Hochleistungspresse vom Betrieb nebenan) werden nicht auf die USV-Ausgangsspannung übertragen, vorausgesetzt die USV verfügt über eine galvanische Trennung.
- Bei galvanischer Trennung oder mit einem Trenntransformator im Netzausgang werden selbst Störungen über den Null- und Erdleiter gefiltert.
Doch die wesentliche Eigenschaft ist der eingeschwungene Zustand dieser USV-Technologie: In der Funktionsbaugruppe des Wechselrichters finden auch bei Netzausfall keine Änderungen der elektrischen Verhältnisse statt. Wenn das Netz ausfällt, wird der Strom, der den Wechselrichter speist, nicht mehr vom Ladegleichrichter geliefert, sondern von den Batterien. Die Stromrichtung ändert sich ausschließlich im Batteriezweig, also dort, wo keine elektronischen Baugruppen vorhanden sind. Somit ist sichergestellt, daß beim Ausfall der Netzspannung, aber auch bei einem möglichen technischen Defekt der Ladegleichrichter-Baugruppe, die Last über den Wechselrichter aus den Batterien unterbrechungsfrei versorgt wird.
Da die Netzspannung zweimal gewandelt wird (vom Ladegleichrichter in DC und vom Wechselrichter wieder in AC), spricht man bei diesem Schaltungsprinzip auch vom "Doppelwandler-Prinzip".
Die technisch beste USV-Lösung ist mit Sicherheit diejenige mit der höchsten Zuverlässigkeit. Da die technische Zuverlässigkeit, in einer Spezifikation ausgedrückt durch den MTBF-Wert (Mean Time Between Failure = zeitlicher Mittelwert zwischen zwei Fehlerausfällen), eine direkte Folge der Anzahl der Bauteile ist, sollte jeder Entwickler bemüht sein, möglichst wenige Komponenten in sein Design zu integrieren. Aus diesem Grunde ist die UGV (Unterbrechungsfreie Gleichstromversorgung) technisch und wirtschaftlich das beste Konzept, wenn sie als Problemlösung eingesetzt werden kann.
Der automatische Bypass
Bei allen Vorzügen, die der Sinus-Dauerwandler aufweist, dürfen die Einschränkungen dieser Technologie aber nicht unberücksichtigt bleiben. Da der Wechselrichter stets die volle Leistung führt, also die Last als Netzspannungsquelle versorgt, muß die Leistungsfähigkeit dieses Wechselrichters beziehungsweise der USV in geeigneter Weise ermittelt werden.
Dabei sollte die Überlastfähigkeit einer solchen USV in besonderer Weise für die Dimensionierung des gesamten Anwendungskonzeptes berücksichtigt werden. Typische Verbraucher im Bereich der Rechnertechnologie werden heute mit Schaltnetzteilen versorgt. Diese Baugruppen haben die äußerst unangenehme Eigenschaft, dem speisenden Netz keine sinusförmigen Ströme zu entnehmen. Vielmehr wird ein pulsförmiger Strom aus dem Netz gezogen, dessen Maximalwert ein vielfaches des Wertes ausmacht, den beispielsweise eine Glühbirne gleicher Leistung aus dem Netz ziehen würde. So beträgt der Spitzenwert des Eingangsstromes eines normalen PC-Netzteiles mit 200VA oftmals mehr als drei Ampere während eine lineare Last von 200 Watt nur 0,9 Ampere zieht. Diese Spitzenwerte muß der Wechselrichter liefern können, ohne daß eine Überlastung oder eventuelle Sicherheitsabschaltung stattfindet.
Betrachtet man den Aufbau eines Wechselrichters im Detail, wird man feststellen, daß dieser als stromführende Bauelemente Halbleiterkomponenten (je nach Technologie IGBTs oder MOSFETs) aufweisen. Halbleiterkomponenten sind aber bekannterweise nicht überlastfest (im Gegensatz zu der Röhrentechnologie aus den Entwicklungsjahren der Elektrotechnik oder einfachen Widerständen).
Der automatische Bypass besteht im einfachsten Falle aus einem Relais, das bei einer Überlasterkennung den Netzeingang des Verbrauchers vom USV-Ausgang direkt auf Netzeinspeisung umschaltet. Wird der USV-Ausgang während anliegender Netzspannung phasensynchron geführt, kann das innerhalb sehr kurzer Zeiten erfolgen. Diese Zeiten können problemlos im Bereich unter zehn Millisekunden realisiert werden, wie wir diese von Offline-USVs kennen. Damit wird sichergestellt, daß die Last auch während der Überlastphase keinen Netzspannungsausfall wahrnimmt. Ist die Netzstromaufnahme der Last wieder im normalen Bereich, wird sie auf den USV-Ausgang geschaltet und ist damit wieder gesichert.
Aufwendigere Bypass-Konzepte erlauben eine absolut unterbrechungs-freie Umschaltung durch die Verwendung von Halbleiterkonzepten bis hin zum intelligenten Bypass, der neben der absolut unterbrechungs-freien mikroprozessorgesteuerten Umschaltung auch noch einen manuellen Bypass enthält und zudem auch im geschalteten Zustand über eine echte galvanische Trennung verfügt. Die letztgenannte Variante gewinnt besondere Bedeutung, wenn man auf die galvanische Trennung des Verbrauchers angewiesen ist. Schließlich darf man nicht übersehen, daß bei konventionellen Bypass-Systemen der Verbraucher in der Überlastphase (oder wenn die manuelle Handumgehung etwa zu Servicezwecken aktiviert ist) den Verbraucher direkt auf des Netz legt. Doch Vorsicht ist bei 3/1-Systemen geboten, denn hier wird die USV dreiphasig eingespeist, obwohl der Ausgang nur einphasig zur Verfügung steht. Der Sinn ist, bei Leistungen über zwei kVA nicht in Konflikt mit der Netzabsicherung zu geraten. Der Nachteil ist, daß der Bypass nur einphasig geschaltet werden kann - dementsprechend ist die Vorsicherung zu dimensionieren. Noch problematischer ist eine mögliche Ausfallsituation der USV. Was tun, wenn die USV zum Werk zurück muß? Dann hat man ein Drei-Phasennetz, das einen Ein-Phasenverbraucher speisen muß. Kein Problem, wenn gerade der Hauselektriker verfügbar ist.
Die externe Handumgehung
Oftmals wird der Begriff der "externen Handumgehung" mit dem Begriff des manuellen Bypass verwechselt. Obwohl beide Baugruppen technisch gesehen die gleiche Funktionsweise besitzen, ist der Unterschied doch gravierend. Er wird dem Kunden dann schmerzhaft verständlich, wenn seine USV kleinerer Leistung (meist unter zehn kVA) ihren Dienst versagt. Da es sich bei diesen USVs um Kleingeräte handelt, verfügen die Geräte nur über eine "Inhouse"-Garantie. Das heißt nicht etwa, daß die Garantieleistung im Hause des Kunden erbracht wird, sondern im Hause des Lieferanten. Demzufolge muß die USV abgebaut und zum Hersteller beziehungsweise Lieferanten retourniert werden.
In einem solchen Fehlerfalle hat das System bei guten USV-Lösungen einen Fehler in der USV erkannt und auf Bypass geschaltet, ohne daß die Last (also der Server oder Zentralrechner) eine Netzunterbrechung erlitten hat. Doch jetzt muß die USV entfernt werden, wozu natürlich die USV und damit auch die Last vom Netz getrennt werden muß. Das bedeutet aber, daß der Rechner heruntergefahren werden muß, was unter Umständen problematisch ist (Beispiel: Notmeldeanlagen der Feuerwehr oder andere sicherheitstechnische Überwachungsanlagen). Bei einer externen Handumgehung wird ein Schalter umgelegt, und die USV-Anlage kann entfernt werden.
Ausführungsbeispiele
Die häufigste Ausführungsform ist das Standgerät mit integrierten oder externen Batterien im Gestell oder Wandgehäuse. Oftmals werden große Batteriebänke in separaten Räumen untergebracht, um eine einfachere und besser Klimatisierung zu erreichen. Im industriellen und professionellen EDV-Bereich sind 19-Zoll-Systemkomponenten gefragt, wobei in zunehmendem Maße die Schwierigkeit besteht, größere Leistungen in 19- Zoll-Rackbauweisen unterzubringen. Der Kunde sollte sich darüber im klaren sein, daß er gegebenenfalls viel Geld für Sonderanfertigungen bezahlen muß.
Off-Line-Technologie mit AVR (Netz-Interaktiv-Technologie).
Nichts für kleine Räume sind die Sinus-Dauerwandler-USVs.
Sinus-Dauerwandler-Online-Technologie
USV im 19-Zoll-Einschub.
*Walter V. Steinfeld ist Geschäftsführer der Firma. Power Sources GmbH.in Meerbusch.