Industrie-USV

Schützen, filtern,
anpassen,
stabilisieren

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen sind in der Produktion keineswegs erst seit Industrie 4.0 ein wichtiges Element der Sicherheitsstrategie. Waren es früher vor allem leicht angepasste Produkte aus dem Rechenzentrum, kommen heute speziell entwickelte und optimal an die Umgebung und die Last abgestimmte Geräte in der Fertigung zum Einsatz.
Industrie 4.0 wird in der öffentlichen Wahrnehmung gern als Startschuss für die Digitalisierung in Produktionsumgebungen gesehen. Doch Computer gehören schon länger zur Standardausstattung in der Produktion. Und seither gibt es auch die Anforderung, die Computer gegen Spannungsspitzen, Stromausfälle und Störungen im Stromnetz abzusichern. Diese Aufgabe wird optimal durch unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) gelöst. Frühe Implementierungen nutzten oft eine Standard-USV aus dem Rechenzentrum oder dem IT-Bereich. Die unter Umständen deutlich raueren Umgebungsbedingungen sorgten aber dafür, dass solche Systeme nicht lange ordnungsgemäß arbeiteten. Heute basieren zwar immer noch viele Industrie USV-Anlagen auf Anlagen aus dem Rechenzentrum, sie werden aber in den relevanten Bereichen an die Anforderungen einer Industrieumgebung angepasst. Für spezielle Anwendungsfälle, beispielsweise dort, wo der Formfaktor völlig von den üblichen Bauformen abweicht, finden sich auch eigens entwickelte Industrie USV-Anlagen. Welches Gerät auch zum Einsatz kommt: Wichtig ist, dass die Umgebungsbedingungen vorher erfasst und bewertet werden und das eingesetzte System den Anforderungen standhalten kann.

Multitalent USV

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen wirken Ausfällen, Schwankungen, Störungen und anderen Problemen der Spannungsversorgung aktiv entgegen und sichern so eine saubere und kontinuierliche Stromversorgung für die angeschlossene Last. Seit 2003 gibt es eine eindeutige Kennzeichnung von Funktionsprinzip und Fähigkeiten einer USV-Anlage. Die IEC-Norm 62040-3 sorgt für Eindeutigkeit indem ein Code nach dem Muster XXX-YY-123 detailliert über die Art und Eigenschaften der USV Auskunft gibt. Die erste Buchstabengruppe beschreibt die Betriebsart, die zweite Buchstabengruppe definiert die Kurvenform der Ausgangsspannung und der Ziffernblock am Ende legt Grenzwerte für die Abweichung der Ausgangsspannung bei verschiedenen Störungsarten fest. Die Betriebsart VFI stellt die höchste Anforderung dar, sie verlangt, dass die Ausgangsspannung unabhängig von Schwankungen der Eingangsspannung- und Frequenz bleibt. Das entspricht in etwa dem was früher als Doppelwandler oder Online-USV bezeichnet worden wäre. Eine Stufe tiefer ist die Klasse VI angesiedelt, sie erfüllt die Anforderung den Ausgang frei von Änderungen der Eingangsspannung zu halten, der Ausgang läuft jedoch synchron zur Netzfrequenz. Das Kürzel VFD bezeichnet Offline-Geräte, sie schützen nur vor drei von zehn in der IEC-Norm definierten Störungen. In der Industrie werden mittlerweile aufgrund der Anforderungen an die Schutzwirkung praktisch nur noch VFI-Anlagen genutzt.

Filtern und formen

Im industriellen Einsatz muss eine USV mit hohen Störspannungen zurechtkommen, die durch das Schalten großer elektrischer Verbraucher wie Schütze, Pumpen oder Motoren entstehen, während Lastspitzen die Eingangsspannung wegsacken lassen. Eine USV, die nicht nach dem VFI-Prinzip arbeitet und zu jeder Zeit die Kontrolle über die Spannung am Ausgang hat, würde solche Unreinheiten an die angeschlossenen Verbraucher weitergeben. Sind die Anforderungen im Hinblick an die Festigkeit gegen Überspannungen noch höher als allgemein üblich, sollte der USV-Hersteller optional eine erweiterte Überspannungsableitung einbauen können. Die Anforderungen an die Filtereigenschaften sind im Maschinenbau deutlich höher als bei der Verwendung in einem Rechenzentrum. Hohe Resistenz gegen Überspannungen und Variabilität bei der Verarbeitung der Eingangsfrequenz wiegt meist schwerer als eine extrem lange Überbrückungszeit. In einigen Einsatzbereichen, wird die USV sogar ohne Batterien verwendet und bietet ausschließlich Flexibilität bei der Eingangsspannung. Während im Verbundnetz der westeuropäischen Länder Einigkeit hinsichtlich Frequenz und Spannung herrscht und bei der Frequenz beispielsweise Abweichungen von lediglich 0,05Hz zulässt, liegt schon bei den osteuropäischen Nachbarn die zugelassene Abweichung bei einem Hertz. Außerhalb Europas sehen die Versorgungswerte ohnehin anders aus. Die USA und Japan als prominente Beispiele nutzen 60Hz, in Kuba und den USA arbeitet man mit 110V, in Mexiko und Marokko sind es 127V. Man muss noch nicht einmal weit in die Ferne schweifen, um exotische Spannungs- und Frequenzwerte zu finden: In Europa arbeiten Eisenbahnnetze mit 16,7 oder 22Hz, auch diese Frequenzen wollen bereit gestellt sein. Für einen deutschen Maschinenbauer sind solche Gegebenheiten ein massives Exporthindernis. Mit der falschen Netzspannung lässt sich keine Maschine kompatibel betreiben. Mit einer USV-Anlage mit großem Eingangsbereich hingegen, müssen Exportmodelle nicht geändert oder separat entwickelt werden. Je stärker die Eingangswerte für Spannung und Frequenz schwanken dürfen, desto universeller kann die USV verbaut werden. Hochwertige Anlagen verkraften Schwankungen zwischen 35 und 70Hz, und halten trotzdem die gewünschte Ausgangsfrequenz stabil. Kurze Spanungseinbrüche werden über die Kondensatoren in der DC-Strecke abgefangen.