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

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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

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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.

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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

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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

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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

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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

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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.

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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