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Sind alle rotierenden USVen gleich?
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Inhalt
1 Einführung ....................................................................................... 3
2 Rotierende USV Architekturen ........................................................ 4
Rotierende USV mit Schwungrad als Energiespeicher .................................................... 4
Rotierende USV mit Batterie als Energiespeicher ............................................................ 7
Rotierende USV mit Diesel Back Up ................................................................................ 8
Rotierende USV mit separatem Generator [1] ................................................................ 12
3 Diesel Start ..................................................................................... 15
4 Wirkungsgrad - Wartung – Gesamtbetriebskosten ..................... 17
Wirkungsgrad Berechnung ............................................................................................ 17
Wartung ......................................................................................................................... 18
Gesamtbetriebskosten (TCO) ........................................................................................ 19
5 Zusammenfassung ........................................................................ 20
6 Quellenangabe ............................................................................... 20
3
1 Einführung
Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) werden in der Regel in zwei grundsätzlich
unterschiedlichen Technologien realisiert – statische und rotierende USV-Anlagen. Das
rotierende USV-System bietet eine weniger komplexe und damit zuverlässige USV-Lösung
und ist somit besser für Anwendungen mit hoher Leistung (> 400 kVA) geeignet. Auch in
dieser Kategorie gibt es nennenswerte Differenzierung zwischen den unterschiedlichen
rotierenden USV-Systemen.
Die Namensgebung der rotierenden USV resultiert aus der Tatsache, dass die
Verbraucherlast von einer rotierenden Maschine versorgt wird. Weit verbreitet bei
rotierenden USV-Anlagen hoher Leistung ist die „Parallel-Online“ Technologie, wie sie in
Abbildung 1-1 als Prinzip-Schaltbild zu sehen ist. Hierbei wird die Verbraucherlast über eine
Induktivität direkt vom Eingangsnetz gespeist. Abweichende Eingangsspannungen, werden
bei dieser Anordnung durch die Regelung der rotierenden Maschine ausgeglichen, so dass
die Last immer mit einer konstanten Spannung versorgt wird. Bei Netzausfall, oder größeren
Störungen des Versorgungsnetzes, übernimmt die rotierende Maschine vollständig die
Versorgung der Last, gespeist vom angeschlossenen Energiespeicher.
Abbildung 1-1 Allgemeines Blindschaltbild einer rotierenden USV in Parallel-Online Topologie
4
2 Rotierende USV Architekturen
Rotierende USV mit Schwungrad als Energiespeicher
Bei der rotierenden USV mit Schwungrad als Energiespeicher wird die notwendige Energie
zum Speisen der elektrischen Maschine bei Netzausfall in Form von kinetischer Energie
gespeichert. Das geschieht dadurch, dass während des normalen Netzbetriebes eine
ausreichend große Masse (Schwungrad) in Rotation versetzt wird. Diese Rotationsenergie
wird dann im Falle des Netzausfalles abgerufen und über den Generator der USV wieder in
elektrische Energie umgewandelt. Mit dieser elektrischen Energie wird dann, in Form einer
konstant geregelten Spannung, die Verbraucherlast versorgt.
Für die Anbindung des Schwungradspeichers an die USV und zur Übertragung der Energie
vom Schwungrad zur Verbraucherlast, gibt es zwei grundsätzliche Verfahren, die
Induktionskopplung und die elektrische Kopplung.
Bei der Induktionskopplung (siehe Abbildung 2-1 und Abbildung 2-2) wird die kinetische
Energie über die Drehzahldifferenz zweier Rotoren gespeichert. Der eine der beiden Rotoren
ist frei laufend und bildet die eigentliche Schwungmasse oder ist, bei Verwendung einer
externen Schwungmasse, mit ihr starr verbunden. Der zweite Rotor ist fest mit dem
Generatorläufer verbunden. Bei Netzbetrieb wird die Schwungmasse mit einem externen
Motor (Ponymotor) auf eine Grunddrehzahl gebracht und dann über eine zusätzliche
Wechselstromwicklung im Generatorläufer auf Nenndrehzahl beschleunigt. Diese Drehzahl
liegt über der des eigentlichen Generators. Dieser Drehzahlunterschied stellt, zusammen mit
der Schwungmasse, die Energiemenge dar, die bei Netzausfall zur Verfügung steht. Bei
einem Netzausfall wird nun eine weitere Wicklung im Generatorläufer erregt, die als
Gleichstromwicklung ausgeführt ist. Das bewirkt ein Abbremsen der Schwungmasse
gegenüber dem Rotor, der mit dem Generator verbunden ist. Dabei wird Energie nach dem
Induktionsprinzip auf den Generatorläufer übertragen, der dadurch weiter angetrieben wird.
Die übertragene Leistung wird über die Höhe der Erregung in der Gleichstromwicklung
bestimmt. Ist die Schwungmasse bis auf die Geschwindigkeit des Generators abgebremst,
ist die zur Verfügung stehende Energiemenge aufgebraucht. Bei Netzwiederkehr wird das
Schwungrad wieder aufgeladen. Die Nachladezeit ist abhängig von der Leistungsfähigkeit
des Ponymotors und der Wechselstromwicklung des Generatorläufers. Je nach Ausführung
ist die Schwungmasse als Außenläufer oder als Innenläufer ausgeführt.
5
Abbildung 2-1 Prinzip-Schaltbild einer rotierenden USV mit Schwungradspeicher und
Induktionskopplung
Bedingt durch die feste mechanische Verbindung zwischen dem externen Ponymotor, dem
Schwungrad, der Induktionskupplung und dem Generator ist eine sehr präzise Ausrichtung
der einzelnen Komponenten zwingend erforderlich. Aus diesem Grund müssen in der Regel
alle Komponenten auf einem soliden Rahmen verbaut werden, der dann, mit Vibrations-
dämpfern versehen, an seinem Bestimmungsort aufgestellt wird. Diese horizontale
Anordnung beansprucht eine relativ große Fläche für die Aufstellung. Hierbei ist die not-
wendige Schaltanlage mit Eingangsschalter, Ausgangsschalter und Bypass noch nicht
berücksichtigt. Außerdem muss auch der Platzbedarf für die Induktivität zwischen Netz und
Verbraucher berücksichtigt werden. Die Konstruktion des Grundrahmens mit seiner großen
Anzahl rotierender Elemente setzt eine entsprechende Menge an Lagern voraus. Allein für
die Induktionskupplung mit den zwei sich ineinander drehenden Rotoren sind, je nach
Konstruktion, bis zu 6 Lager erforderlich, die aufgrund der verschachtelten Anordnung der
Rotoren nur selten eine Wartung vor Ort zulassen. Durch die große Anzahl verwendeter
mechanischer Komponenten, zusammen mit den beiden Rotoren, die mit unterschiedlichen
Geschwindigkeiten drehen, ergibt sich ein hoher Geräuschpegel.
Abbildung 2-2 Schwungrad mit elektrischer Kopplung Schwungrad mit Induktionskopplung
6
Bei der elektrischen Kopplung (siehe Abbildung 2-2 und Abbildung 2-3) besteht keine
mechanische Verbindung zwischen dem Schwungradspeicher und dem Generator der USV.
Hier wird die Energie in einem senkrecht laufenden Schwungrad gespeichert. Das
Schwungrad ist mit einer senkrecht stehenden Synchronmaschine versehen. Bei Netzbetrieb
treibt diese das Schwungrad an und hält es geladen. Bei Netzausfall wird die kinetische
Energie des geladenen Schwungrades in elektrische Energie umgewandelt und an die USV
weitergeben, die dann die Verbraucherlast versorgt. Da sich beim Entladen des
Schwungradspeichers auch die Drehzahl der integrierten Synchronmaschine ändert, und
somit auch deren elektrische Ausgangsfrequenz, wird die Leistung über einen sehr
einfachen, aber robusten Umrichter an den Generator der USV übertragen. Der Generator ist
ebenfalls eine senkrecht stehende Synchronmaschine, die über die Induktivität die Last
versorgt. Ist das speisende Netz wieder innerhalb der Spezifikation, wird über Induktivität,
USV und Umrichter die Synchronmaschine des Schwungradspeichers versorgt, die das
Schwungrad antreibt und den Speicher wieder auflädt.
Abbildung 2-3 Prinzip-Schaltbild einer rotierenden USV mit Schwungradspeicher und elektrischer
Kopplung
Die elektrische Anbindung ermöglicht, im Gegensatz zur mechanischen Anbindung des
Speichers, einen bi-direktionalen Energiefluss. Energie kann sehr schnell und flexibel
aufgenommen oder abgegeben werden. Da beide Maschinen senkrecht stehende Systeme
sind, kommen sie jeweils mit zwei Lagern aus. Die Lager des Schwungradspeichers werden
zusätzlich magnetisch entlastet, so dass ein Großteil des Rotorgewichtes kompensiert wird.
Alle Lager werden während des Betriebes über eine regelmäßige Fettzufuhr automatisch
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nachgeschmiert. Durch diese Maßnahmen vergrößern sich die Wartungsintervalle und die
Lagerlebensdauer. Alle Lager sind vor Ort wartbar und im Fehlerfall auch austauschbar. Ein
weiterer Vorteil dieses Systems ist seine Kompaktheit. Die einzelnen Komponenten sind in
stabilen Stahlblechschränken untergebracht, die einzeln transportiert und aufgestellt werden.
Die Schränke beinhalten auch die einzelnen Elemente der Schaltanlage wie Ein-,
Ausgangsschalter, Bypass und Anschlussmöglichkeit. Diese Kompaktheit spiegelt sich auch
vorteilhaft in der kleinen Aufstellfläche wieder. Die elektrische Kopplung ermöglicht einen
modularen Aufbau des Systems mit parallelen Schwungrädern bis zu einem Energieinhalt
von 42 Mega Joule, der mit Bezug auf eine bestimmte Last die Überbrückungszeit darstellt.
Bei der Induktionskopplung und der dabei festen mechanischen Verbindung mit dem
Generator, können Schwungräder nicht parallel geschaltet werden. Somit begrenzt sich der
Energieinhalt auf rund 15 Megajoule. Das limitiert die einzelne, nicht Diesel USV Anlage, auf
etwa 1000 kW.
Rotierende USV mit Batterie als Energiespeicher
Die elektrische Kopplung ermöglicht auf einfache Weise auch die Anbindung anderer
Energiespeicher wie z. B. Batterien. Hier wird anstelle des Schwungradspeichers ein
Batteriesystem eingesetzt (siehe Abbildung 2-4). Die Batterie speist bei einem Netzausfall
über einen einfachen Wechselrichter die Maschine der USV, die mit dieser Energie die
Verbraucherlast versorgt. Steht das Netz wieder zur Verfügung, wird die Batterie über die
USV geladen und die Ladung erhalten.
Abbildung 2-4 Prinzip-Schaltbild einer rotierenden USV mit Batterie als Speicher und elektrischer
Kopplung
8
Durch Variieren der Batterie-Zellenzahl können Leistung und Autonomiezeit auf die
Verbraucherlastbedingungen abgestimmt werden. Durch Parallelschalten von
Batteriesträngen kann bei Bedarf auf einfache Weise Redundanz innerhalb des
Energiespeichers erreicht werden. Mit diesem flexiblen Design können Systeme exakt auf
die Anforderungen bestimmter Märkte (z.B. Banking) angepasst werden, welche
Überbrückungszeiten von zehn Minuten benötigen, die nicht mit einem Schwungradsystem
realisiert werden können. Bestimmte Hersteller sind in der Lage, Batterie und Schwungrad
im selben System zu kombinieren, um mit betrieblichen Anforderungen zurechtzukommen,
wie die Unterstützung wichtiger Verbraucher mit längerer Überbrückungszeit durch die
Batterie, während zweitrangige Lasten die Überbrückungsenergie aus dem Schwungrad
erhalten.
Rotierende USV mit Diesel Back Up
Steht ein Versorgungsnetz mit nur geringer Versorgungsqualität zur Verfügung, und ist es zu
befürchten, dass es zu längeren Netzausfällen kommt, muss eine größere Autonomiezeit
vorgesehen werden. Hier empfiehlt es sich, eine USV mit einem Kurzeitenergiespeicher und
einem zusätzlichen Dieselmotor zur Überbrückung längerer Netzausfälle einzusetzen. Der
Kurzzeitspeicher dient dazu, die Verbraucherlast so lange mit Energie zu versorgen, bis der
Dieselmotor gestartet ist und die Versorgung übernehmen kann. Bei einem Netzausfall
übernimmt zunächst der primäre Energiespeicher die Versorgung der Last über die USV.
Nun kann der Dieselmotor gestartet und hochgefahren werden, bis sich die Überholkupplung
oder die elektrisch betätigte Kupplung schließt und der Motor den Generator der USV direkt
antreibt. Nachdem der Diesel die Last komplett übernommen hat, wird mit der
überschüssigen Energie des Dieselmotors der primäre Energiespeicher in kurzer Zeit wieder
aufgeladen. Mit dem Dieselmotor ist theoretisch eine unendlich lange netzunabhängige
Energieversorgung möglich.
Bei der rotierenden Diesel-USV mit elektrischer Kopplung kommt als primärer
Energiespeicher auch eine Batterie in Frage (siehe Abbildung 2-5 und Abbildung 2-7). Wo
Netzstörungen besonders lästig sind, kann mit dem zusätzlichen Energieinhalt der Batterie
die Überbrückungszeit an die Stromnetz-Qualität angepasst werden. Ein positiver
Nebeneffekt ist die Reduzierung der Anzahl von Dieselmotor-Starts, was die
Beanspruchung des Motors verringert und Fehlstarts vermeidet. Das alles zusammen
reduziert Lärm und spart Treibstoff.
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Abbildung 2-5 Prinzip-Schaltbild einer Diesel USV mit Batterie als Energiespeicher
Bei der Nutzung eines Schwungradspeichers (siehe Abbildung 2-6 und Abbildung 2-7), wird
dieser idealerweise so ausgelegt, dass kurze Netzausfälle von wenigen Sekunden auch
ohne den Start des Dieselmotors überbrückt werden können. Der Diesel wird erst dann
gestartet, wenn ein bestimmter, für den Start des Diesels immer noch ausreichender,
Energieinhalt des Schwungrades während der Entladung unterschritten wird.
Abbildung 2-6 Prinzip Schaltbild einer Diesel USV mit Schwungrad als Energiespeicher
Eine Diesel-USV ist so konstruiert, dass die Synchronmaschine der USV horizontal
angeordnet ist, um die mechanische Kopplung an den Dieselmotor mit Hilfe einer
Überholkupplung oder einer elektrisch betätigten Kupplung zu erreichen. Dieselmotor und
Synchronmaschine sind dabei fest auf einem gemeinsamen Rahmen montiert. Die anderen
Komponenten des Systems sind, wie bei einer USV ohne Diesel, in Stahlschränken
untergebracht.
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Abbildung 2-7 Rotierende USV mit Dieselmotor als Langzeit-Energiespeicher
Bei der rotierenden USV mit Induktionskopplung kommt als primärer Energiespeicher nur
das Schwungrad in Frage. Die Ankopplung des Dieselmotors erfolgt ebenfalls über eine
mechanische Kupplung (Überholkupplung oder elektrisch betätigte Kupplung). Entweder wird
der Dieselmotor an den Rotor der Induktionskopplung angekuppelt, der mit dem Generator
fest verbunden ist, oder er treibt direkt den Generator an (siehe Abbildung 2-8).
Abbildung 2-8 Prinzip-Schaltbild einer rotierenden Diesel-USV mit Induktionskopplung
Das Funktionsprinzip ist im Grunde wie schon bei der diesellosen USV beschrieben. Der
Schwungradspeicher übernimmt nach Netzausfall die Energieversorgung so lange, bis der
Dieselmotor die Drehzahl des zweiten Rotors bzw. des Generators erreicht hat. Dann rastet
die Überholkupplung ein und übernimmt den Antrieb dieses Rotors der Induktionskopplung
und des Generators zur Energieversorgung der Verbraucherlast. Bei den Systemen, wo der
Diesel direkt diesen Rotor der Induktionskopplung antreibt, ist der gesamte Energieinhalt des
Schwungrades in der Induktionskopplung enthalten, da kein zusätzliches Schwungrad
angebunden werden kann. In der Regel ist dieser Energieinhalt kleiner als bei den Systemen
mit zusätzlichem Schwungrad. Das bedeutet aber, dass die Überbrückungszeit oft recht
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knapp bemessen ist und der Diesel extrem schnell gestartet werden muss, um die gesicherte
Energieversorgung zu übernehmen. Weiterhin bedeutet es, dass der Energieinhalt nicht
ausreichend ist, um zusätzlich kurze Netzausfälle ohne Dieselstart zu überbrücken, was
demzufolge grundsätzlich bei jedem Netzausfall einen Dieselstart erfordert. Andererseits
muss der Dieselmotor für solche Systeme mit längerer Ladezeit länger laufen als nötig ist,
um sicher zu stellen, dass das Schwungrad vollständig aufgeladen ist, bevor ein weiterer
Netzausfall auftritt.
Abbildung 2-9 Rotierende Diesel-USV mit Induktionskopplung
Ein weiterer Punkt, der Aufmerksamkeit erfordert, ist die Behandlung von großen, schnellen
Lastwechseln im Dieselbetrieb. Die feste mechanische Kopplung von Generator und
Dieselmotor über den Rotor der Induktionskopplung, erlaubt nur den Energiefluss vom Diesel
über Induktionskopplung und Generator zur Verbraucherlast (siehe Abbildung 2-10). Erfolgt
nun ein großer Lastwechsel beim Verbraucher, zum Beispiel durch eine Lastabschaltung,
kann die überschüssige Energie des Dieselmotors zunächst nirgends aufgenommen werden.
Das führt zu einer Erhöhung der Motordrehzahl und zur Frequenzerhöhung bei der
Verbraucherspannung. Ein solcher Lastabwurf kann im Extremfall zu einer Notabschaltung
des Dieselmotors führen. Erst durch die Nachregelung des Dieselmotors wird das System
wieder normalisiert.
Abbildung 2-10 Energiefluss in der Diesel-USV mit Induktionskopplung
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Beim elektrisch gekoppelten System ist ein bidirektionaler Energiefluss vorgesehen. Hier
kann bei Lastwechseln in beiden Richtungen (siehe Abbildung 2-11) die Energiebilanz zu
100% vom Schwungradspeicher ausgeglichen werden. Dadurch kommt es zu keiner
nennenswerten Frequenzerhöhung der Ausgangsspannung oder zur Überlastung des
Dieselmotors. Dieses System bietet also Vorteile für wechselnde Verbraucherlasten, wie sie
z.B. in großen Industriebetrieben auftreten.
Abbildung 2-11 Energiefluss in der Diesel USV mit elektrischer Kopplung
Rotierende USV mit separatem Generator [1]
Beim Einsatz von Dieselmotoren kommt es häufig zu betrieblichen Einschränkungen
(Kraftstofflagerung, Abgasabführung etc.), die erfordern, diese räumlich getrennt von
Verbrauchern oder USV aufzustellen und zu betreiben. Bei Systemen mit elektrischer
Kopplung zum Energiespeicher und den damit verbundenen längeren Überbrückungszeiten
ist es möglich, mit einer externen Diesel-Generator Kombination (Genset) diesen
Anforderungen nachzukommen.
Grundsätzlich gibt es dabei die Möglichkeit, das Genset auf der Netz- oder der Lastseite der
USV anzuschließen. Ein vorgelagertes Genset (siehe Abbildung 2-12) arbeitet als Quasi-
Netzersatz und übernimmt bei Netzausfall die Versorgung des Gesamtsystems. Bei
Netzrückkehr wird das Genset auf das Netz synchronisiert und die Last zurück auf das
einspeisende Netz transferiert.
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Abbildung 2-12 Rotierende USV mit vorgelagertem Genset
Beim nachgeschaltetem Genset (siehe Abbildung 2-13) übernimmt der Schwungradspeicher
nach einem Netzausfall die Versorgung der Last. Nach dem Start des Gensets wird die Last
von der USV auf das Genset transferiert.
Bei Netzrückkehr übernimmt die ohnehin vorhandene Synchronisiereinrichtung der USV die
Rückschaltung des Gesamtsystems an das Netz.
Abbildung 2-13 Rotierende USV mit nach geschaltetem Genset
Die elektrische Kopplung mit dem Energiespeicher ermöglicht die Integration eines
separaten Diesel-Generators in die Steuerung der rotierenden USV, um alle Vorteile und die
Funktionsvielfalt einer rotierenden Diesel-USV nutzen zu können. Dieses leistungsstarke und
multifunktionale System heißt DeRUPS (Diesel elektrisch gekoppelte Rotierende USV).
Diese Systemkombination mit nachgeschaltetem Genset bietet die Möglichkeit der
Lastaufteilung zwischen Energiespeicher der USV und Diesel Generator, um sofort nach
einem Netzausfall die Last auf den Diesel-Generator zu transferieren, sobald dieser gestartet
und mit dem Verbraucher-Bus verbunden ist. Diese echte DeRUPS erlaubt die Aufladung
des Energiespeichers während des Dieselbetriebs und ist in der Lage, selbst schnelle
Lastwechsel über diese Speichereinheit zu kompensieren, so dass die dynamischen
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Eigenschaften denen einer Diesel USV entsprechen. Mit dieser Fähigkeit steuert die
DeRUPS alle Synchronisationsprozesse, wie die Netzrückkehr, sobald das Netz wieder
verfügbar ist. In der nachgeschalteten Kombination kann das Genset gegebenenfalls
unabhängig von der USV betrieben werden. Somit kann die Wartung von USV und
Dieselmaschine separat erfolgen. Während der Genset-Wartung genießt die Last immer
noch Kurzzeitschutz durch die USV mit dem angeschlossenen Schwungradspeicher.
Werden Diesel-Generator-Kombinationen in Systemen großer Leistung eingesetzt, ist es
eine Standardlösung, diese als vorgelagerte Gensets einzubinden und als Netzersatzlösung
zu betreiben. Dabei arbeiten die Gensets parallel und speisen einen gemeinsamen, isolierten
Bus. Bei Netzausfall steuert die DeRUPS den Start und die Synchronisation der Gensets und
schaltet sie auf diesen Bus. Erst wenn das System komplett auf den isolierten Bus speist,
wird über einen zentralen Schalter in den USV-Eingangsbus eingespeist. Diese Prozedur
verhindert, dass die USV auf Netzbetrieb zurückgeht, bevor alle notwendigen Gensets sicher
in Betrieb sind. In dieser Anordnung muss die Anzahl der Gensets nicht gleich der Anzahl
der parallelen USVs sein. Vielmehr kann die Anzahl optimal an die benötigte Leistung
angepasst und zusätzlich Redundanz eingebaut werden. Verbraucherlasten, bei denen eine
kurzzeitige Unterbrechung erlaubt ist, können dabei an den USV-Eingangsbus angebunden
werden. Dadurch sind sie isoliert von den kritischen Lasten am USV-Ausgang (siehe
Abbildung 2-14).
Abbildung 2-14 Vorgelagerte Gensets in Systemen hoher Leistung
15
3 Diesel Start
Bei Diesel-USV-Systemen ist die Betriebssicherheit und Verlässlichkeit des Dieselmotors
von entscheidender Bedeutung. Startet der Diesel bei einem Netzausfall nicht, kann die
Verbraucherlast nach dem Aufbrauchen der Energie aus dem primären Kurzzeitspeicher
nicht mehr versorgt werden. Je öfter die Dieselmaschine gestartet wird, desto größer wird die
Wahrscheinlichkeit eines Fehlstarts. Unnötige Starts erhöhen also das Risiko, die
Verbraucherlast nicht versorgen zu können, wenn es wirklich notwendig ist. Neben höheren
Kosten für Betriebsmittel, verkürzt sich zusätzlich auch das Wartungsintervall des Motors
durch häufiges Starten. Nicht zuletzt kommt es zur unnötigen Umweltgefährdung durch
Luftverschmutzung und Lärmbelästigung. Betrachtet man die Statistik der Netzausfälle pro
Jahr, stellt man fest, dass 97% davon eine Dauer von 10 ms – 3 s haben. Ein
Kurzzeitenergiespeicher, der in der Lage ist, diese Zeit zu überbrücken und dann – im Falle
eines längeren Netzausfalls – noch entsprechend Energie bereitstellen kann, um den
Dieselmotor sicher zu starten, kann die Anzahl der Dieselstarts drastisch minimieren. Bei
den Systemen mit reiner Induktionskopplung ist die Energiemenge dafür in der Regel nicht
ausreichend. Das heißt, schon kurz nach dem Netzausfall muss der Diesel gestartet werden.
Bei Systemen mit elektrischer Kopplung steht durch den großen Energieinhalt des
Schwungrades genügend Zeit zu Verfügung, diesen Start heraus zu zögern. Diese
Verzögerungszeit ist variabel einstellbar von Sekunden bis hin zu Minuten, je nach
Verbraucherlast und Größe und Anzahl der Schwungradspeicher. Damit können bis zu 99 %
aller Netzausfälle ohne Starten des Dieselmotors überbrückt werden. Die Anzahl der
Dieselstarts bei USVs mit elektrisch gekoppeltem Schwungrad beträgt damit statistisch
gesehen 5-8, bei induktionsgekoppelten Systemen 100-260, Startprozeduren pro Jahr.
Abbildung 3-1 Diesel Start Verzögerung
Nach dem Starten des Dieselmotors muss dieser so lange laufen, bis das
Schwungradspeichersystem wieder aufgeladen ist, damit nach der Netzrückkehr sofort
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wieder ein Netzausfall überbrückt werden kann. Konstruktionsbedingt benötigt ein
induktionsgekoppeltes System normalerweise mehr als 10 Minuten für diesen Vorgang, ein
elektrisch gekoppeltes Schwungrad nur 60-120 Sekunden.
Eine Schwachstelle beim Dieselmotor ist die Starterbatterie. Trotz regelmäßiger Wartung
kann sie plötzlich versagen, wenn ein Netzausfall den Dieselstart erfordert.
Mit einem elektrisch gekoppelten Schwungradspeicher, besteht die Möglichkeit, über den
Generator der USV eine gleichgerichtete 24V Spannung bereitzustellen, um den Dieselmotor
im Falle einer defekten Starterbatterie zu starten.
Abbildung 3-2 Diesel-Fremdstart mit elektrisch gekoppeltem Schwungrad
Bei einem induktionsgekoppelten System besteht diese Möglichkeit nicht. Hier ist es unter
Umständen möglich, einen Notstartvorgang herbeizuführen, bei dem in diesem Fall die
elektrisch betätigte Kupplung bei stehendem Dieselmotor geschlossen wird. Allerdings
kommt es dabei zu einer so hohen Belastung der Kupplung und des Motors, dass es zu
massiv erhöhtem Verschleiß kommen kann. Diese Vorgehensweise ist normalerweise nicht
von der Garantie der Hersteller von Motor oder Kupplung abgedeckt.. Auch für die
Induktionskopplung kommt es hierbei zu einer großen, mechanischen Belastung, die die
Drehzahl des Generators beeinflusst und somit eine Frequenzabweichung bei der
Verbraucherlast hervorruft.
Abbildung 3-3 Diesel-Fremdstart mit Induktionsgekoppeltem Schwungrad
17
4 Wirkungsgrad - Wartung – Gesamtbetriebskosten
Um die Gesamtbetriebskosten zu installierender Systeme erfassen zu können, dürfen
laufende Kosten, die durch Systemverluste und Wartung entstehen, nicht vernachlässigt
werden. Zur Bestimmung der Energiekosten für die Verlustleistung wird die
Wirkungsgradbestimmung herangezogen.
Wirkungsgrad-Berechnung
Bei der Berechnung des Wirkungsgrades muss genau definiert werden, welche Verbraucher
berücksichtigt werden. Am Beispiel einer Diesel-USV, die sowohl kritische Lasten versorgt,
aber auch Lasten, bei denen eine kurzzeitige Unterbrechung unproblematisch ist (sog. Short
Break Load), wird aufgezeigt, wie groß der Unterschied im Gesamtergebnis sein kann.
• Berechnung des Wirkungsgrades mit und ohne Short Break Load (siehe Abbildung
4-1 )
o 2 MW / 2.05 MW ≈ 97,6%
o 1 MW / 1.05 MW ≈ 95,2%
Abbildung 4-1 Leistungsaufteilung einer Diesel-USV mit Short Break Last
Bei Berücksichtigung der „Short Break“ Last werden auch Leistungen betrachtet, die nicht
zur Verlustleistung der USV beitragen. Hier stellt sich die Frage, welche Berechnung die
Richtige ist.
Ein weiterer wichtiger Punkt bei dieser Berechnung ist die Berücksichtigung des
Schwungrades während des Netzbetriebes. Die Drehzahl des Schwungrades muss konstant
gehalten werden, um bei Netzausfall einen definierten Energieinhalt berücksichtigen zu
können. Darum ist es notwendig, eine gewisse Energiemenge nachzuladen, die die Verluste
des Schwungrades ausgleicht.
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• Berechnung des Wirkungsgrades mit und ohne Berücksichtigung des Schwungradspeichers (siehe Abbildung 4-2)
o 1 MW / 1.05 MW ≈ 95.2%
o 1 MW / 1.04 MW ≈ 96.2%
Abbildung 4-2 Leistungsaufteilung einer Diesel USV mit und ohne Energiespeicher
Wird der Schwungradspeicher bei der Wirkungsgraderfassung nicht berücksichtigt (zulässig
nach USV Norm EN 62040-3), vernachlässigt man die Verluste zur Aufrechterhaltung der
Ladung des Speichers. Das stellt nicht den tatsächlichen USV-Betrieb dar.
Wartung
Bei Systemen mit hohem Maschinenanteil, wie es bei der rotierenden USV der Fall ist, ist
eine regelmäßige Wartung unerlässlich. Speziell die Maschinenlager bei Dieselmotor,
Schwungradspeicher und Generator werden dauerhaft beansprucht. Dabei gibt es
wesentliche Punkte, die hinsichtlich des Wartungsaufwandes zu berücksichtigen sind:
• Regelmäßiger Lagertausch oder nur bei Andeutung von Fehlern
• Wartung der Lager vor Ort möglich oder nur beim Hersteller möglich
• Anzahl der Lager
• Automatische Schmierung während des Betriebs oder manuelle Schmierung nur
bei Stillstand
Überdenkt man die verschiedenen rotierenden USV-Systeme, hat das elektrisch gekoppelte
System durch die Anzahl der Lager und deren Servicefreundlichkeit Vorteile bei Inspektion
und Überholung. Es ist kein Schwerlastkran notwendig, um den robusten Umrichter zu
ersetzen, wie es bei mechanisch gekoppelten Induktions-Kupplung Systeme der Fall ist.
19
Die USV–Genset Systeme haben die Fähigkeit, die Last mit Hilfe der USV zu versorgen,
während die Diesel-Maschine gewartet wird. Unter sicheren Bedingungen ist das bei Diesel
USVs nicht möglich. Nicht nur die Wartung ist in der Kostenrechnung zu berücksichtigen. Die
Stillstandszeiten des Systems selbst, die durch diese Arbeiten entstehen, und die Risiken,
die durch einen unsicheren Betrieb der Verbraucher während dieser Zeit auftreten können,
müssen ebenfalls bedacht werden.
Gesamtbetriebskosten (TCO)
Die Gesamtbetriebskosten eines USV-Systems setzen sich aus dem einmaligen Investment
bei der Anschaffung der Komponenten, den elektrischen Betriebskosten und den Kosten für
Wartung und Instandsetzung zusammen. Setzt man gleiche Berechnungsgrundlagen bei der
Kostenrechnung voraus, kommt es dennoch zu herstellerspezifischen Unterschieden bei den
Betriebskosten. Das Gleiche gilt auch für die Kosten für Wartung und Instandsetzung. Die
Unterschiede sind systembedingt, hängen aber auch mit Qualitätsaspekten in Entwicklung
und Fertigung des Systems zusammen. Nachfolgend sieht man ein Diagramm, das die
Gesamtbetriebskosten zweier USV-Systeme verschiedener Hersteller darstellt, errechnet für
einen Zeitraum von 10 Jahren. Bei gleichem Anfangsinvestment kommt es zu einem
erheblichen Unterschied der Betriebskosten im Verlauf von 10 Jahren, der das
Anfangsinvestment weit übersteigt.
Abbildung 4-3 Säulendiagramm Gesamtbetriebskosten zweier Wettbewerber über 10 Jahre
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5 Zusammenfassung
Bei USV-Systemen großer Leistungen sind die rotierenden USV-Systeme am weitesten
verbreitet. Hier zeigen sich die Systeme mit elektrischer Kopplung an den Energiespeicher
als weitaus flexibler, da sowohl Schwungradspeicher als auch Batterien als Speichermedium
eingebunden werden können. Durch Parallelschalten der Schwungräder ist der Energieinhalt
bei diesen Systemen viel größer und somit die Überbrückungszeit bei gleicher Lastgröße
viel länger. Durch die mögliche vertikale Anordnung der einzelnen Maschinen bieten sie
auch klare Platzvorteile. Anders als bei den induktionsgekoppelten Systemen ist die
Inspektion und Instandsetzung von Lagern und Umrichter einfacher durchzuführen.
Im Bereich der dieselgestützten USV-Anlagen nehmen elektrisch gekoppelte
Energiespeicher schnelle Verbraucherlastwechsel auf, ohne Risiko der Überlastung des
Dieselmotors oder unzulässig großer Frequenzabweichungen. Die Dieselmotoren können
auch als Diesel-Generator- Kombinationen räumlich getrennt von der USV-Anlage aufgestellt
werden, wenn betriebliche Einschränkungen das verlangen. Hierbei bietet die moderne
DeRUPS (Diesel elektrisch gekoppelte Rotierende USV) den Vorteil der Möglichkeit der
getrennten Wartung von Diesel-Maschine und USV, während die angeschlossene Last
sicher versorgt wird.
6 Quellenangabe
[1] Herbener, Dipl.-Ing. Frank. Rotary UPS and Gensets. 2013. Piller Whitepaper. WP061-1.
Piller Group GmbH,
Joachim.Hose@piller.com, Germany
White Paper No. 0062-0-de / May 2013
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