USV: Unterbrechungsfreie Stromversorgung für die Industrie

Die Themen im Überblick

Unterbrechungsfreie Stromversorgung für sensible Verbraucher

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) versorgt Verbraucher unabhängig von der Situation im öffentlichen Netz mit elektrischer Energie. Sie reagiert auf verschiedenste Unregelmäßigkeiten im öffentlichen Stromnetz und ersetzt dieses komplett, wenn es einmal ausfällt. Möglich ist das bei kleineren Anlagen durch Akkumulatoren, die elektrische Energie für eine bestimmte Zeit vorhalten. Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung für die Industrie ist zusätzlich mit einem Diesel betriebenen Stromerzeuger ausgestattet. Dieses ersetzt die Energiespeicher, wenn es die für den Betrieb nötige Drehzahl sicher erreicht hat.

Reaktionszeiten im Bereich von Millisekunden schützen vor Schäden

Je nach Qualität der unterbrechungsfreien Stromversorgung reagiert diese schneller oder langsamer auf Störungen aus dem Netz. Besonders hochwertige Anlagen kommen komplett ohne Ausfall oder Unterbrechung der Versorgung aus. Andere reagieren in weniger als einer Millisekunde, wieder andere in mehr als einer Millisekunde.

Verschiedene Energiespeicher überbrücken Netzstörungen sicher

Geht es um den Aufbau einer unterbrechungsfreien Stromversorgung für die Industrie, kommen verschiedene Lösungen zum Einsatz. So zum Beispiel Anlagen mit Akkumulator, die Strom für eine gewisse Zeit in großen Batterieanlagen vorhalten. Eine Alternative stellen rotierende unterbrechungsfreie Stromversorgungen mit einem kinetischen Energiespeicher dar. Hier dreht sich eine Schwungscheibe, angetrieben vom öffentlichen Netz. Fällt Letzteres aus, treibt die rotierende Scheibe einen Generator an, bis das ebenfalls vorhandene Diesel-Aggregat betriebsbereit ist und die Stromversorgung wie eine Netzersatzanlage übernimmt.

Nutzen der unterbrechungsfreien Stromversorgung in der Industrie

Fällt der Strom in einem Datenzentrum aus, hat das schwerwiegende Folgen. So können sensible Informationen verloren gehen oder Schäden davon tragen. In produzierenden Betrieben fallen Anlagen aus und in Kranken- oder Pflegeheimen stehen Menschenleben auf dem Spiel. Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung beugt diesen Gefahren vor, indem sie elektrische Energie unter allen Umständen in gleicher Qualität zur Verfügung stellt. Sie sichert das Netz ab und gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb elektrischer Verbraucher.

Einsatzbereiche der USV-Anlagen in Industrie und Gewerbe

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen kommen immer dann zum Einsatz, wenn die gleichmäßige und hochqualitative Versorgung mit elektrischer Energie Voraussetzung für den Betrieb einer Anlage oder die Sicherheit von Menschenleben ist. Die folgende Übersicht zeigt einige Beispiele, in denen USVen unerlässlich sind:

• Krankenhäuser und Pflegeeinrichtungen: In großen Krankenhäusern und Einrichtungen zur Pflege kranker oder alter Menschen sind häufig lebenswichtige Maschinen im Einsatz. Spannungsschwankungen oder Stromausfälle führen dabei schnell zu ernsthaften Problemen, Ausfällen und Gefahren für das menschliche Leben. Absichern lassen sich die Anlagen mit einer leistungsstarken USV für Krankenhäuser und Pflegeeinrichtungen.
• IT-Anlagen und Datenzentren: Bereits geringe Störungen können dazu führen, dass geöffnete Dateien zu Schaden kommen. Während das im privaten Bereich mehr als ärgerlich ist, hat es im gewerblichen ernsthafte Folgen. Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung beugt dem vor und sichert so die hochgradige Verfügbarkeit öffentlicher und firmeneigener IT- und Kommunikationsnetzwerke ab.
• Banken- und Finanzinstitute: Fallen elektrische Systeme von Banken und Finanzinstituten aus, hat das zum Teil hohe wirtschaftliche Folgen. So zum Beispiel dann, wenn Börsengeschäfte nicht rechtzeitig abgeschlossen werden oder Zahlungsdienstleistungen plötzlich nicht mehr zur Verfügung stehen. USVen beugen dem vor und stützen somit das finanzielle Rückgrat der Gesellschaft.
• Rundfunk und Telekommunikation: Verlässliche Informationsquellen sind besonders wichtig. Fernsehen, Rundfunk und die mobile Kommunikation lassen sich dabei nur sicherstellen, wenn die elektrische Energie immer zur Verfügung steht. Unterbrechungsfreie Stromversorgungen gewährleisten das.
• Gewerbe und Produktionsbetriebe: Roboter, Fertigungsstraßen und ausgereifte Produktionsprozesse funktionieren nur dann, wenn elektrische Energie zuverlässig und mit einer gleichmäßig hohen Qualität verfügbar ist. Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung stellt das sicher. Sie beugt Ausfällen sowie Stillstandszeiten vor und verhindert wirtschaftliche Verluste.
• Pharma- und Chemietechnik: Pharmazeutische und chemische Industrieanlagen sind mit höchsten Anforderungen an Qualität und Zuverlässigkeit verbunden. So können bereits geringste Ausfälle in der öffentlichen Versorgung dazu führen, dass Anlagen stillstehen und ganze Produktchargen unbrauchbar werden. Eine USV beugt dem vor und schützt somit vor hohen finanziellen Verlusten oder eventuellen Einbußen in der Qualität.
• Große öffentliche Gebäude: In öffentlichen Gebäuden und Einrichtungen befinden sich in der Regel viele Menschen, die im Notfall sicher nach draußen gebracht werden müssen. Die Versorgung von Geräten zum Erkennen von Notfällen und das Betreiben der wichtigen Sicherheitstechnik sind Aufgaben einer unterbrechungsfreien Stromversorgung.
• Tunnel für Autos, LKWs und Bahnen: Von der Beleuchtung über die Brandmeldeanlage bis hin zur Belüftung sind in Tunneln für Autos, LKWs, und Bahnen viele elektrische Geräte zu versorgen. Ein Ausfall würde die Sicherheit gefährden und könnte im Ernstfall sogar Menschenleben kosten. Aus diesem Grund sind unterbrechungsfreie Stromversorgungen in Tunneln besonders wichtig.
• Flughäfen und Anlagen zur Flugsicherung: Genau wie in Tunneln für Bodenfahrzeuge ist die elektrische Energieversorgung auch auf Flughäfen und in Flugsicherungsanlagen besonders wichtig. Denn Letztere helfen dabei, verschiedene Flüge zu koordinieren und Kollisionen zu verhindern. Mit einer USV lässt sich das auch dann realisieren, wenn die öffentliche Stromversorgung ausgefallen ist.

Unterbrechungsfreie Stromversorgung reagiert auf viele Störungen

Die bekannteste Störung, auf die eine USV reagiert, ist der totale Stromausfall, bei dem keine elektrische Energie mehr aus dem öffentlichen Netz kommt. Während das eher selten passiert, treten andere Störungen häufiger auf. So zum Beispiel Über- oder Unterspannungen, die durch das Schalten großer Lasten oder entfernte Blitzeinschläge auftreten. Darüber hinaus schützen unterbrechungsfreie Stromversorgungen auch vor Frequenzschwankungen sowie Oberschwingungen, die genauso im eigenen Netz auftreten können.

Bauarten und Funktionsweise einer USV für Industrieanlagen

Geht es um Bauart und Funktionsweise unterbrechungsfreier Stromversorgungen, kommen grundsätzlich statische und rotierende Systeme zum Einsatz. Die folgende Übersicht erklärt, was beide voneinander unterscheidet.

Bauart der USV	Aufbau und Funktionsweise
Statische unterbrechungsfrei Stromversorgung	Eine statische USV für die Industrie besteht in der Regel aus Akkumulatoren und einem Dieselaggregat als Netzersatzanlage. Im Netzbetrieb, wenn keine Störung vorliegt, laden sich die Akkumulatoren kontinuierlich auf. Im Falle einer Störung gleichen sie diese mithilfe einer effizienten Regelung zuverlässig aus. Kommt es zu einem Stromausfall, geht zur gleichen Zeit das Dieselaggregat in Betrieb. Es fährt langsam hoch und ersetzt die Akkumulatoren, wenn die gewünschte Drehzahl erreicht ist. Bis der Strom aus dem Netz wieder verfügbar ist, versorgt das Aggregat nun alle angeschlossenen Verbraucher der Anlage mit Strom.
Rotierende unterbrechungsfreie Stromversorgung	Die rotierende unterbrechungsfreie Stromversorgung besteht aus Dieselmotor, kinetischem Energiespeicher und Generator. Bei dem Speicher handelt es sich um eine schwere Schwungscheibe mit großem Radius, die im Netzbetrieb kontinuierlich vom Generator (arbeitet in diesem Fall als Motor) angetrieben wird. Im Falle einer Störung oder dann, wenn das Netz ausfällt, treibt die Scheibe den Generator an, um selbst Strom zu erzeugen. Gleichzeitig nimmt das Dieselaggregat seinen Betrieb auf. Es fährt hoch und übernimmt die Stromversorgung der angebundenen elektrischen Verbraucher. Der Vorteil einer rotierenden unterbrechungsfreien Stromversorgung ist der geringere Platzbedarf. Schwungscheiben haben eine höhere Lebensdauer als Akkumulatoren und stellen darüber hinaus selbst auch keine zusätzliche Brandlast dar. Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass rotierende unterbrechungsfreie Stromversorgungen ohne die sonst üblichen Bleiakkumulatoren auskommen. Das reduziert die Anforderungen an Brandschutz und Lüftungstechnik, die sonst durch das Ausgasen der Akkumulatoren bestehen würden.

Anders als bei kleinen unterbrechungsfreien Stromversorgungen sind große Anlagen in der Regel mit einem zusätzlichen Antrieb ausgestattet. Dieser treibt einen stromerzeugenden Generator an, um die Laufzeit der Anlage zu erhöhen und auch lang anhaltende Ausfälle theoretisch (regelmäßiges Nachtanken erforderlich) problemlos überbrücken zu können.

Leistungsbereich bedarfsgerecht in kleinen Schritten anpassbar

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen in der Industrie liefern elektrische Energie bedarfsgerecht. Ganz gleich, ob Anlagenbetreiber wenige 100 VA oder mehr als 1.000 kVA benötigen. Durch das Verbinden mehrerer USVen lassen sich sogar Anlagen mit mehreren MVA realisieren, die Strom auf verschiedenen Spannungsebenen liefern.

USV-Anlage mit Netzersatzanlage koppeln und Kosten reduzieren

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen arbeiten teilweise mit dem sogenannten Dual-Output-System. Dabei versorgen Energiespeicher erst einmal nur wichtige Verbraucher über ein eigenes USV-Netz. Ist der Dieselgenerator nach kurzer Zeit in Betrieb, übernimmt dieser bei Bedarf die Versorgung aller Verbraucher, die bei kurzen Ausfällen keinen Schaden davon tragen. Eine solche Lösung entlastet die Energiespeicher (statisch mit Akkumulator oder rotierend mit Schwungrad) und reduziert somit die Kosten der Technik.

Klassifizierung der unterbrechungsfreien Stromversorgung

Was zeichnet eine USV aus? Welche Eigenschaften hat die Technik und wann kommt welche Lösung zum Einsatz? Antworten auf diese Fragen gibt die Klassifizierung der unterbrechungsfreien Stromerzeugung, die nach den Regeln der DIN EN 62040-3 (bzw. IEC 62040-2 oder EN 62040-3) erfolgt. Die Kennzeichnung besteht dabei aus einem kombinierten Buchstaben- und Zahlencode, wie die folgende Übersicht zeigt.

Block 1: Die Betriebsweisen einer USV-Anlage im Überblick

Die Betriebsweise gibt Aufschluss darüber, wie eine unterbrechungsfreie Stromversorgung aufgebaut ist, auf welche Werte sie reagiert und wie gut das funktioniert. Zu unterscheiden sind dabei VFI-, VI- und VFD-Anlagen, wie die folgende Tabelle zeigt.

Kennzeichen	Betriebsweise
VFI-Anlagen   (Voltage & Frequency Independent, auch On-Line, Double Conversion, Dual-Wandler genannt)	VFI-Anlagen arbeiten unabhängig von Spannung und Frequenz. Sie verfügen über eine Trennung von Eingangs- und Ausgangsseite und filtern den eingehenden Strom kontinuierlich. Das hat zwei wesentliche Vorteile: Zum einen hat die elektrische Energie am Ausgang eine hochgradig gleichmäßige Qualität. Zum Anderen ist keine Umschaltung zwischen Netz- und USV-Betrieb nötig. Die Anlagen reagieren dadurch sehr schnell und eignen sich vor allem für Daten- und Serverzentren, in denen schon minimale Unterbrechungen zu ernsten Schäden führen.
VI-Anlagen   (Voltage Independent, auch Line-Interaktiv, Single- und Delta-Conversion genannt)	VI-Anlagen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung regulieren die Eingangsspannung in einem bestimmten Wert ziemlich genau. Sie reagieren nicht auf Frequenzschwankungen und besitzen einen internen Transformator, der viel Wärme abgibt. Der Übergang von Netz- auf Batteriebetrieb und der Übergang von Batterie- auf Netzbetrieb erfolgt mit einer Unterbrechung, die zum Absturz sensibler Verbraucher führen kann. Aus diesem Grund kommen VI-Anlagen für Privatanlagen, einfache Steuerungen oder andere Systeme infrage, die einen kurzzeitigen Spannungsabfall vertragen.
VFD-Anlagen   (Voltage and Frequency Dependent, auch Off-Line genannt)	Diese Geräte regulieren weder Spannung noch Frequenz. Sie lassen Strom aus dem Netz ungefiltert hindurch, wenn dieser im definierten Spannungsbereich liegt und schalten komplett um, wenn der Strom ausfällt oder die Spannung zu stark schwankt. Da die Umstellung in der Regel mehrere Millisekunden dauert, kommen VFD-Anlagen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung nur dann zum Einsatz, wenn einfache Endgeräte die Ausfälle auch vertragen.

Die Beschreibung der Funktionsweisen zeigt, dass es sich nur bei VFI-Anlagen tatsächlich um unterbrechungsfreie Stromversorgungen handelt. Denn diese kommen ohne Umschalten und damit verbundene Ausfälle zurecht. Sie filtern den Strom im Betrieb sehr gut, liefern qualitativ hochwertige Energie und eignen sich dadurch für sensible Verbraucher in der Industrie.

Block 2: Form der Ausgangs- und Speicherspannungskurve

Neben der ersten Codierung gibt es eine zweite, die mit zwei Buchstaben über die Form der Ausgangsspannungskurve bei Normal- und USV-Betrieb informiert. Die folgende Tabelle zeigt, welche Werte infrage kommen.

Codierung der USV	Beschreibung
S	sinusförmig Kurve, Verzerrung D von weniger als 0,08 bei linearer und nichtlinearer Referenz-Last
X	sinusförmig Spannungskurve mit Verzerrung von weniger als 0,08 nur bei linearer Last
Y	keine festgelegte Spannungskurve, auch trapez- oder rechteckförmige Kurven sind möglich

Während der erste Buchstabe für die Spannungskurve bei Normal- oder Umgehungsbetrieb steht, beschreibt der zweite die Kurve im USV-Betrieb. Die höchste Güte erreicht dabei eine unterbrechungsfreie Stromversorgung mit dem Code „SS“.

Block 3: Dauer der Spannungsunterbrechung mit einer USV

Eine an die Kennzeichnung angehängte Zahl informiert zudem über die Dauer der Unterbrechung, wenn eine Umschaltung zwischen Normal- und USV-Betrieb erfolgt. Möglich sind drei Gütegrade, wie die folgende Tabelle zeigt.

Code der unterbrechungsfreien Stromversorgung	Dauer der Unterbrechung
1	keine Unterbrechung
2	weniger als eine Millisekunde
3	mehr als eine Millisekunde

USV Mieten oder Kaufen: Optimale Lösung für jeden Einsatz

Da die unterbrechungsfreie Stromversorgung für den zuverlässigen Betrieb verschiedenster Anlagen unerlässlich ist, lohnt es sich häufig, diese zu kaufen. Es gibt aber auch Fälle, bei denen Anlagenbetreiber eine unterbrechungsfreie Stromversorgung mieten können. So zum Beispiel dann, wenn:

• Lang anhaltende Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten anfallen
• Fachhandwerker die Anlage überholen, um- oder ausbauen
• vorübergehend eine deutlich höhere Leistung abzusichern ist
• die eigentliche USV ausgefallen ist und eine Notsituation entsteht

Benötigen Betreiber die Technik vorübergehend, sodass sie eine unterbrechungsfreie Stromversorgung mieten möchten, bekommen sie komplett vorgefertigte Anlagen. Diese bestehen aus Dieselaggregat, Generator sowie Energiespeicher (statisch oder rotierend) in einem abschließbaren Frachtcontainer. Die Anlage lässt sich per LKW transportieren und nahezu überall mit einem Kran aufstellen und in Betrieb nehmen.

FAQ: Häufig gestellte Fragen und Antworten zum USV-Thema

Was ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung für die Industrie?

Bei einer USV handelt es sich um Anlagen, die aus Stromerzeuger und Energiespeicher bestehen. Diese versorgen Verbraucher je nach Aufbau und Güte gleichmäßig mit elektrischer Energie. Dafür sorgt im ersten Schritt ein Energiespeicher, den im zweiten Schritt ein motorisch angetriebener Generator ersetzt. Kleinere Systeme haben im Vergleich dazu meist nur einen Energiespeicher und dadurch eine begrenzte Reichweite.

Was unterscheidet statische und rotierende Systeme zur Überbrückung?

Statische Systeme setzen auf Akkumulatoren (meist Bleiakkus) zur Überbrückung des Netzes. Rotierende Systeme setzen dazu auf eine Schwungscheibe, die im Netzbetrieb ständig angetrieben wird. Die Technik ist platzsparender und weniger wartungsintensiv. Schwungscheiben müssen anders als Akkus nicht regelmäßig getauscht werden und stellen auch geringere Anforderungen an Brandschutz und Lüftung.

Wann kommen USV-System in der Praxis zum Einsatz?

Die unterbrechungsfreie Stromversorgung kommt immer dann zum Einsatz, wenn sich Ausfälle oder Schwankungen der elektrischen Energie auf die Funktion angeschlossener Verbraucher auswirken. Typische Beispiele sind Krankenhäuser, öffentliche Gebäude, Industrieanlagen, Server- und Kommunikationszentren sowie Tunnel und Flughäfen.

Wann lohnt es sich, eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu mieten?

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung mieten lohnt sich, wenn die bestehende Anlage vorübergehend nicht verfügbar ist oder auf absehbare Zeit eine höhere Leistung erforderlich ist. Ersteres liegt dabei meist an Ausfällen, Wartungs- oder Umrüstarbeiten.

Wie erfolgt die eindeutige Klassifizierung der USV-Systeme?

Die Klassifizierung oder Kennzeichnung erfolgt in drei Blöcken nach DIN EN 62040-3 (bzw. IEC 62040-2 oder EN 62040-3). Während der erste Block (VFI, VI oder VFD) etwas über die Betriebsweise aussagt, beschreibt der zweite Block (S, X, Y) die Qualität der Ausgangsspannungskurve im Normal- sowie im USV-Betrieb. Der dritte Block zeigt mit einer Zahl von eins bis drei, wie lange die Unterbrechung bei der Umschaltung andauert. Eine besonders hohe Güte haben USV-Anlagen mit der Kennzeichnung VFI-SS-1.