Schwungrad-USVs als effiziente Alternative zu Batterien

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Zwei Systeme

Parallel-Online-Systeme. In Parallel-Online-USV-Systemen laufen Wechselrichter/Speicher und Netzversorgung parallel. Dieser Aufbau ermöglicht der Parallel-Online-USV, Über- und Unterspannungen der eingehenden Versorgung zu kompensieren und mit geeigneter Elektronik, Transienten, Spannungsschwankungen und andere Störungen zu beseitigen. Ist keine Netzversorgung verfügbar oder hat diese unzulässige Grenzwerte überschritten, schaltet die Parallel-Online-USV in den Speicherbetrieb um. Die USV trennt die Last von der Netzversorgung mit Hilfe eines statischen Trennschalters und schaltet diese Last auf die Versorgung um. Die häufigsten Bedenken gegen das Prinzip der Parallel-Online-USV liegen in der Frequenzregelung, da diese netzsynchron ist. Die Frequenz am Eingang entspricht auch immer der Frequenz am Ausgang.

Doppelwandlersystem Doppelwandler-USV-Systeme dagegen isolieren IT-Lasten vollständig von der unbeeinflussten Netzversorgung. Der Name weist auf ihre Funktion hin, nämlich dass die eingespeiste Netzleistung bei Normalbetrieb zweimal konvertiert wird, zuerst von Wechselspannung in Gleichspannung und dann wieder von Gleichspannung in eine geregelte Wechselspannung. Doppelwandler-USV-Systeme versorgen die Last immer mit einer geregelten, netzunabhängigen Wechselspannung, auch während des Normalbetriebs, sofern eine störungsfreie Netzversorgung verfügbar ist.

Die Norm 1159-1995 des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) definiert sieben Arten von Störungen der Spannungsqualität, wie Transienten, Spannungseinbrüche, Spannungserhöhungen und Frequenzabweichungen. Bei einer Doppelwandler-USV wird die gesamte eingehende Leistung von AC nach DC gleichgerichtet und dann zurück von DC nach AC gewandelt, sodass eine perfekte Sinusspannung und eine geregelte Frequenz am Ausgang, sowie ein Schutz gegen alle sieben Störungsarten sichergestellt ist. Dieser Ansatz geht über die Anforderungen an die Versorgung moderner IT-Einrichtungen hinaus, die nicht immer eine perfekt versorgte Last erfordern. Zusätzlich wird eine erhebliche Menge an Energie verbraucht.

Letztendlich stellt die Parallel-Online-Topologie einen einfacheren Aufbau mit weniger Komponenten dar, der in sich schon effizienter ist, aber den gleichen Schutz für kritische Lasten am Ausgang bietet. Doppelwandler-USV bereiten mehr auf, als für moderne IT-Einrichtungen erforderlich ist, das aber auf Kosten der Effizienz.

Eco-Modus

Um die Effizienz zu verbessern, haben USV-Anbieter in den letzten Jahren eine alternative Betriebsart für ihre Doppelwandlersysteme entwickelt, bekannt als „Eco- Modus“ oder „Soft-Modus“. Im Eco-Modus bleibt bei einer üblichen Doppelwandler-USV nur das Wechselrichtermodul eingeschaltet, während der Netzstrom durch den Bypasszweig und nicht durch den elektrischen Hauptpfad geführt wird, der ursprünglich für die vollständige Stromaufbereitung gedacht war.

Nur wenn ein Netzausfall auftritt (vorübergehend oder dauerhaft), schaltet die USV die Versorgung vom Bypass auf den Gleich- und Wechselrichterpfad um. Anbieter, die diesen Modus bewerben, geben einen Wirkungsgrad von 98 bis 99 Prozent für einen weiten Lastbereich an. Logischerweise reduziert eine USV, die in diesem Eco-Modus läuft, ihre Verluste recht deutlich, da sie weniger Arbeit verrichtet. Doch der höhere Wirkungsgrad wird nur dadurch erreicht, dass sie auf ihre Funktion der Spannungsaufbereitung fast völlig verzichtet. Eine USV im Eco-Modus schützt nur gegen einen völligen Ausfall der Eingangsversorgung. Die anderen sechs vom IEEE definierten Versorgungsstörungen werden nicht korrigiert, da keine Spannungsaufbereitung stattfindet.

Ein oft übersehener Aspekt hinsichtlich der Brauchbarkeit des Eco-Modus ist seine Zuverlässigkeit im Augenblick seiner Anforderung, d.h. bei einer Unterbrechung der Eingangsversorgung. Voraussichtlich würde die USV vom Bypass-Modus auf den Energiespeicher umschalten und so nach kurzer Zeit die Versorgung bereitstellen. Allerdings stellt ein elektrisches Schaltgerät erwiesenermaßen die wahrscheinlichste Fehlerursache in einer USV dar.

Die Schwungrad-USVs von ActivePower

Active Power nutzt eine patentierte Schwungradtechnologie. Im Vergleich zu herkömmlichen USV-Systemen, bei denen ein chemisches Energiespeicherprodukt eingesetzt wird, handelt es sich bei der Active Power-Lösung um ein präzisionstechnisches mechanisches System, das vorhersehbare, konsistente Reservestromleistung bietet.

Die Parallel-Online-USV von Active Power begegnet den meisten Störungsarten in fast identischer Weise wie eine Doppelwandler-USV. Die CleanSource USV von Active Power setzt eine schnell arbeitende Mikroelektronik mit einem schnell taktenden Wechselrichter ein, der den ankommenden Sinus von 20 ms alle 50 Mikrosekunden (400 Mal) überprüft und alle auftretenden Transienten im Ausgang ausgleicht. Sie nutzt dabei die Technik von Schwungrädern.

Sschwungradbasierte Parallel-Online-USV haben in Prüffeldtests und Feldstudien bewiesen, dass sie bei allen Lasten erheblich energieeffizienter sind als Doppelwandlersysteme. Wegen des besseren Wirkungsgrads der USV-Topologie verbrauchen Schwungradsysteme weniger Energie als herkömmliche Doppelwandler-USV mit Batterien.

Diese wirken sich deshalb nicht im selben Maße auf die Temperatur und andere Umgebungsbedingungen aus. Die CleanSource USV von Active Power beispielsweise arbeitet innerhalb eines breiten Temperaturbereichs (0 – 40° Celsius). Anders als für Batterien, muss kein spezieller temperaturgeregelter Raum bereitgestellt werden. Die Anlagen benötigen weniger als die Hälfte an Platz, verglichen mit einem Batteriesatz gleicher Leistung. Zusammenfassend führt dies zu erheblich geringerem Verbrauch an Kühlenergie im Vergleich zu USV-Systemen mit Batteriespeicher.

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