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Qualität durch Doppelwandler-Prinzip

Unterbrechungsfrei produzieren: einphasige USV-Geräte für AC-Stromversorgungen
Qualität durch Doppelwandler-Prinzip

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Eine dauerhafte und störungsfreie Stromversorgung ist die Grundlage für die Verfügbarkeit und somit für die Wirtschaftlichkeit elektrischer und elektronischer Anlagen. Vor allem in informa- tionstechnischen Anwendungen können Netz- störungen weit reichende Folgen haben. Eine wichtige Komponente zur Verbesserung der Netzqualität ist die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV).

Bei IT-Anwendungen wird ein Schutz gegen Ausfälle grundsätzlich vorausgesetzt – daher ist der Einsatz von USV-Anlagen unverzichtbar. Da aber häufig für den Anwender nicht erkennbar ist, über welche Eigenschaften die USV verfügt, entscheidet nicht selten der günstigere Preis. Diese Geräte erfüllen aber nur in geringem Maße die notwendigen Anforderungen, so dass – trotz des Einsatzes einer USV – bereits kleinere Netzstörungen zum Systemausfall führen, der nicht selten mit hohen Kosten verbunden ist. Phoenix Contact bietet nun erstmalig einphasige USV-Geräte für AC-Stromversorgungen, die hohen qualitativen Ansprüchen genügen. Die Geräte der Reihe „UPS Compact“ arbeiten nach dem Doppelwandler-Prinzip und stehen bis zu einer Leistung von 12 kVA zur Verfügung.

Störungen unter- schiedlicher Art
Die USV-Produktnorm IEC 62040-3 definiert zehn Arten von Netzstörungen, die von der USV-Anlage beseitigt werden müssen. 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 gerade bei IT-Anwendungen unumgänglich, die bereits auf Spannungsausfälle kleiner 10 ms reagieren.
Weitere Störungsarten sind Spannungseinbrüche und Spannungsspitzen. Spannungseinbrüche sind als Absenkung der Spannung für weniger als 16 ms definiert. Sie 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. Diese Überspannungen besitzen daher eine hohe Energie.
Störung Nr. 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.
Netzstörungsarten und Geräteklassen
Die 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. 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 Frequnecy 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 fünf der zehn Störungsarten, da frequente Störungen nicht behoben werden. Die Klassifikation VFD bezeichnet diejenigen USV-Geräte, bei denen der Ausgang sowohl von der Eingangsspannung wie 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.
Die praxistaugliche USV kann mehr
Das Herz einer USV ist die Batterie, sie bestimmt ihre Lebensdauer. Großen Einfluss hat dabei die Umgebungstemperatur. Schon bei einer Erhöhung von durchschnittlich 20° auf 30 °C reduziert sich die Lebensdauer 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 so genannten Hot-Swap-Fähigkeit. Großen Einfluss auf die Lebensdauer der Batterie hat auch die Ladeeinheit der USV. Wird die Batterie mit einer stark Wechselstrom-überlagerten Gleichspannung geladen, kommt es zu einer zusätzlichen Erwärmung – mit den bekannten negativen Auswirkungen auf die Lebensdauer der Batterie. Die Ladeeinheiten der USV-Geräte aus dem Hause Phoenix Contact sind 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.
Schnittstellen für den universellen Einsatz
Zur Kommunikation benötigt die USV Schnittstellen. Die Geräte der Reihe UPS Compact verfügen serienmäßig über eine USB- und eine RS232-Schnittstelle. Sie besitzen außerdem einen Steckplatz, der optional mit einer Relais- oder einer Netzwerkkarte bestückt werden kann. Die Karte ermöglicht über potentialfreie Schaltkontakte die Ausgabe von Statusmeldungen wie Spannungsausfall, Batteriestatus und Betriebsart. Mittels Netzwerkkarte wird die USV in ein vorhandenes Netzwerk eingebunden, die Netzwerk-interne Kommunikation erfolgt über SNMP (Simple Network Management Protocol). Die Adapterkarten sind mit Ethernet-, Modbus- und Aux-Anschluss vielfältig einsetzbar.
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