USV mit VFI-Technologie

USV

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen sind Kombinationen aus Stromrichtern, Schaltern und Energiespeichern, z. B. Batterien, die ein Stromversorgungssystem bilden, das bei Ausfall der Versorgungsspannung eine beständige Versorgung der Last sicherstellt. Dabei bleiben Spannung und Frequenz innerhalb der für die Last festgelegten statischen und dynamischen Grenzen. Die internationale Produktnorm IEC 62040-3 klassifiziert USV nach diesen Grenzen in die Klassen 1, 2 oder 3.

Bezeichnungen / Klassifikation

Die Bezeichnung VFI kommt von "Voltage and Frequency Independent from mains supply". In einer älteren Terminologie spricht man auch von Online-Dauerwandler-USV. Nach der Industrienorm IEC 62040-3 erfordert die Klassifikation einer USV in die Klasse 1, dass in einem Zeitfenster von 100 µs bis 5 µs die Ausgangsspannung unter allen Bedingungen den Toleranzbereich von +/- 30% nicht verlassen darf. Diese Anforderung ist nur mit VFI-Technologie zu erreichen. VFI-USV gehören also zur Klasse 1.

Vorteile der VFI-Technologie

Online-Dauerwandler USV Anlagen bieten eine optimale Absicherung gegen nahezu alle möglichen Arten von Netzstörungen. Auf Grund der permanenten und doppelten Wandlung der Netzspannung vom Eingang bis zum Ausgang der USV werden auch Frequenzschwankungen, Oszillationen und Spannungsspitzen hervorragend ausgefiltert. Die sinusförmige Ausgangsspannung ermöglicht eine Nachschaltung aller Arten von Verbrauchern. Es entstehen keine USV-internen Schaltzeiten bzw. Versorgungslücken bei der Umstellung von Netz- auf Batteriebetrieb! Eine VFI-USV garantiert somit eine vollständige Abschirmung von Stromstörungen bzw. Schutz vor allen 9 Spannungsproblemen:

• Stromausfälle
• Spannungseinbrüche
• Spannungsstöße
• Unterspannung
• Überspannung
• Schaltspitzen 
• Störspannungen
• Frequenzänderungen
• Harmonische Oberschwingungen

Für kritische oder sehr empfindliche Anwendungen (große Schadenshöhen, sensible Hardware) und bei stark gestörtem Stromnetz sind VFI-USV eindeutig die erste Wahl.

Nachteile der VFI-Technologie

Diesem erstklassigen Schutz stehen allerdings auch einige Nachteile gegenüber. Aufgrund ihres hohen elektronischen Schaltungsaufwandes sind diese Anlagen im Vergleich zu den Offline- oder Line-Interactive-USV teurer. Auch bewirkt dieser elektronische Schaltungsaufwand eine Verringerung des Wirkungsgrades und mitunter eine deutliche Wärmeerzeugung im Gerät, wobei die Wärme mit Lüftern (Geräusch) abgeführt werden muss.

Funktionsweise der VFI-Technologie (bei AEG PSS USV)

Die USV wird zwischen dem öffentlichen Netz und den zu schützenden Verbrauchern an eine Schutzkontaktsteckdose angeschlossen.

Erläuterung des Schaltbildes
• Netzfilter mit Überspannungsschutz (Geräteschutz / Klasse D) und Netzrückspeiseschutz
• Gleichrichterteil mit PFC-Logik (Leistungsfaktorkorrektureinheit)
• Separater Batterieladegleichrichter in Schaltnetzteil-Technologie
• Batteriesystem in verschlossener, wartungsfreier Ausführung als Energiespeicher mit nachgeschalteter DC/DC Wandlereinheit
• IGBT Wechselrichter zur kontinuierlichen Versorgung angeschlossener Verbraucher mit sinusförmiger Wechselspannung
• Automatischer Bypass als zusätzliche passive Redundanz
• Mikroprozessorgesteuerte Regelungseinheit

Der Strom fließt permanent durch die USV. Das Leistungsteil des Gleichrichters wandelt die Netzspannung in eine Gleichspannung zur Versorgung des Wechselrichters um. Die angewandte Schaltungstechnik (PFC) erlaubt eine sinusförmige Stromaufnahme und somit einen netzrückwirkungsarmen Betrieb. Ein separater, in Schaltnetzteil-Technologie aufgebauter zweiter Gleichrichter (Lade-GR) sorgt für die Ladung bzw. Erhaltungsladung der im Zwischenkreis angekoppelten Batterie. Durch die Ausführung dieses Lade-GR ist der Oberwellengehalt des Ladestromes für die Batterie nahezu Null, wodurch die Nutzungsdauer der Batterie nochmals erhöht wird. Der Wechselrichter übernimmt die Umwandlung der Gleichspannung in eine sinusförmige Ausgangsspannung. Eine mikroprozessorgesteuerte Regelung auf Basis einer Pulsweitenmodulation (PWM) garantiert in Verbindung mit einem digitalen Signalprozessorsystem und extrem schnell pulsierenden IGBT-Leistungshalbleitern des Wechselrichters ein an der gesicherten Schiene anstehendes Spannungssystem von höchster Güte und Verfügbarkeit.

Bei Netzstörungen (wie z.B. Stromausfällen) erfolgt die Spannungsversorgung ohne jegliche Unterbrechung für den Verbraucher weiterhin vom Wechselrichter, der nunmehr seine Energie nicht mehr vom Gleichrichter bezieht, sondern aus der Batterie. Da keinerlei Schalthandlungen erforderlich sind, ergibt sich für den Verbraucher eine lückenlose Versorgung.

Bei Netzausfall wird aus Sicherheitsgründen (VDE) der Netzeingang im Gerät zweipolig abgeschaltet, eine Rückspeisung in das Netz und Spannung an den Polen des Netzsteckers werden dadurch sicher vermieden.

Zur weiteren Erhöhung der Versorgungssicherheit dient der automatische Bypass, in dem er das anliegende öffentliche Netz z.B. bei einer Wechselrichterstörung direkt auf den Verbraucher durchschaltet. Der automatische Bypass stellt somit für den Verbraucher eine zusätzliche passive Redundanz dar.

Betriebszustände im einzelnen

Normalbetrieb

Wurde die USV an einen geeigneten Netzanschluss angeschlossen, kann mit dem Hauptschalter der USV der Betrieb aufgenommen werden: Üblicherweise bleibt die USV kontinuierlich in Betrieb. Die USV versorgt nun den Ausgang mit Spannung, signalisiert durch das Leuchten des Symbols Netz (LED LINE) und Wechselrichter (LED INV).

Dieser im allgemeinen Sprachgebrauch sogenannte „Online“-Betrieb gewährleistet den höchsten Schutz, insbesondere bei Netzschwankungen und Netzausfällen, da die Verbraucher in dieser Betriebsart unterbrechungsfrei mit Spannung versorgt werden.

Der Gleichrichter wird aus dem Netz gespeist und wandelt die Wechselspannung auf statischem Wege in eine geregelte Gleichspannung um. Der Wechselrichter formt diese Gleichspannung in eine geregelte sinusförmige Wechselspannung um und speist die angeschlossenen Verbraucher. Die Batterie wird vom Ladegleichrichter automatisch geladen bzw. auf Vollladezustand gehalten.
Der Ladeverlauf wird elektronisch gesteuert und überwacht. Betriebsstörungen werden erkannt und führen zur Ladeunterbrechung, verbunden mit einer sofortigen Signalisierung.

Batteriebetrieb / Autonomiebetrieb

Das Netz hält das geforderte Toleranzfenster nicht ein bzw. ist ausgefallen. In diesem Fall erfolgt lückenlos die Bereitstellung elektrischer Energie an den Wechselrichter von der geladenen Batterie. Die Stromversorgung von Verbrauchern wird dadurch auch bei Netzausfall gesichert. Der Batterie wird dabei Kapazität entnommen, sie wird entladen. Signalisiert wird dies durch das Leuchten des Symbols „BATTERY“, begleitet durch einen intermittierenden Signalton. Je nach Ausbaustufe und Alterungszustand der Batterie und insbesondere abhängig von der zu speisenden Last variiert die Überbrückungszeit zwischen wenigen Minuten und mehreren Stunden.

Zur Abschaltung des Wechselrichters kommt es dann, wenn die Batteriespannung einen werksseitig fixierten Spannungsmindestwert unterschreitet. Lagern Sie das Gerät jedoch niemals in diesem erreichten Zustand ein! Eine erneute Aufladung des entladenen Batteriesystems sollte spätestens innerhalb einer Woche erfolgen.

Wenn nach Netzwiederkehr die Spannung und die Frequenz innerhalb der Toleranz liegt, schalten sich die Gleichrichter selbsttätig wieder ein. Sie übernehmen dann wieder die Versorgung des Wechselrichters, und der Ladegleichrichter übernimmt die Ladung der Batterie.

Bypassbetrieb

Bei einer Überlastung oder Übertemperaturerkennung des Wechselrichters, z.B. auch bei Erkennung eines Wechselrichterdefektes, erfolgt die Spannungsversorgung des Verbrauchers über den automatisch sich zuschaltenden Bypass, signalisiert durch das Symbol „BYPASS“. Diese sogenannte passive Redundanz schützt vor dem Totalausfall der Spannungsversorgung an der sicheren Schiene, jedoch würden sich in diesem jetzt erreichten Betriebszustand Netzfehler direkt auf den Verbraucher auswirken. Daher versucht die Elektronik permanent, wieder in den „Online“ / Normalbetriebszustand zurückzuschalten (z.B. bei Abklingen der Überlast oder Übertemperatur).

Der Bypass ist als mechanisches, extrem schnell schaltendes Glied zwischen Verbraucher und Netz platziert. Die zugehörige Synchronisiereinheit im Bypass stellt sicher, dass die Wechselrichterspannung frequenz- und phasensynchron mit dem Netz läuft.

Der Bypass-Betrieb wird kurzzeitig auch bei der Inbetriebnahme des Gerätes während der Synchronisierphase des Wechselrichters mit dem Netz vor dem Übergang in den Normalbetriebszustand eingenommen, stellt hierbei jedoch keine Störung des Systems dar.
Der Bypass-Betrieb wird ausschließlich vollautomatisch durch die USV interne Elektronik initialisiert und kann nicht durch manuelle Schaltvorgänge erzwungen werden.